DH36 so với EH36 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

DH36 và EH36 là thép kết cấu hợp kim thấp (HSLA) cường độ cao, được sử dụng rộng rãi trong đóng tàu, kết cấu ngoài khơi và chế tạo nặng. Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường phải đối mặt với tình thế khó xử khi lựa chọn giữa hai loại thép này khi cân bằng giữa độ bền va đập ở nhiệt độ thấp với chi phí, khả năng hàn và tính khả dụng. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc mạ vỏ tàu cho các điều kiện khí hậu khác nhau, ứng dụng trên tàu nhỏ so với ứng dụng ở vùng cực, và quy trình chế tạo hạn chế việc xử lý nhiệt sau hàn.

Sự khác biệt thực tế chính giữa DH36 và EH36 nằm ở hiệu suất chịu va đập ở nhiệt độ thấp được chỉ định và các biện pháp kiểm soát sản xuất hỗ trợ hiệu suất đó. Cả hai đều thuộc cùng một họ thép đóng tàu HSLA và có các chiến lược hóa học tương tự, nhưng EH36 được chỉ định và xử lý để chứng minh độ bền cắt vượt trội ở nhiệt độ thấp hơn DH36, điều này ảnh hưởng đến quá trình xử lý, kiểm tra và chi phí.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn quốc tế chung nơi xuất hiện các tên gọi này:
• ASTM/ASME: ASTM A131 (thép đóng tàu) — AH36 / DH36 / EH36 là các ký hiệu A131 phổ biến.
• ABS / DNV / LR / BV / NK: Các tổ chức phân loại tham chiếu các yêu cầu tương đương cho cấp tấm.
• EN: Họ EN 10025 bao gồm thép kết cấu nhưng không sử dụng trực tiếp danh pháp AH/DH/EH; các loại EN như S355 có mức độ bền tương đương.
• JIS / GB: Tiêu chuẩn JIS và GB của Trung Quốc có cấp kết cấu hàng hải tương tự nhau; các chỉ định quốc gia khác nhau.
• Loại vật liệu: Thép cacbon kết cấu HSLA (hợp kim thấp cường độ cao) với các nguyên tố hợp kim vi mô để tăng độ bền và độ dẻo dai.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây cung cấp các dải thành phần tiêu biểu điển hình cho thép đóng tàu họ AH/DH/EH36. Giới hạn chính xác tùy thuộc vào tiêu chuẩn và nhà máy; tham khảo thông số kỹ thuật mua hàng để biết giá trị đảm bảo.

Yếu tố	Phạm vi điển hình / bình luận (wt%)
C	0,08 – 0,18 (giữ ở mức thấp để duy trì khả năng hàn và độ bền)
Mn	0,7 – 1,6 (đóng góp Mn cường độ chính)
Si	0,10 – 0,50 (khử oxy; lượng nhỏ giúp tăng cường sức mạnh)
P	≤ 0,035 (được kiểm soát để tránh giòn)
S	≤ 0,035 (được kiểm soát để cải thiện độ dẻo dai và khả năng hàn)
Cr	≤ 0,40 (nếu có, cải thiện độ cứng và độ bền một chút)
Ni	≤ 0,50 (thỉnh thoảng được thêm vào để tăng cường độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp)
Mo	vết – 0,15 (có thể cải thiện khả năng tôi luyện và khả năng chống rão)
V	vết – 0,10 (hợp kim siêu nhỏ, tinh chỉnh kích thước hạt)
Nb (Cb)	vết – 0,06 (hợp kim siêu nhỏ, ổn định cấu trúc hạt mịn)
Ti	vết – 0,02–0,05 (chất khử oxy, chất tinh chế ngũ cốc nếu sử dụng)
B	dấu vết (ppm, có thể làm tăng khả năng tôi cứng ở mức rất thấp)
N	mức độ thấp được kiểm soát (ảnh hưởng đến lượng mưa và độ dẻo dai)

Chiến lược hợp kim: - Hàm lượng carbon thấp và mức tạp chất được kiểm soát giúp duy trì khả năng hàn và độ bền. - Mn là thành phần chính tạo nên độ bền; các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) được sử dụng với lượng nhỏ để tinh chỉnh kích thước hạt và tăng cường độ bền kéo thông qua quá trình gia cường kết tủa mà không làm tăng cacbon. - Có thể sử dụng một lượng nhỏ Ni và Cr (hoặc Mo) để đảm bảo độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp hoặc cải thiện khả năng tôi luyện một chút. EH36 thường yêu cầu kiểm soát chặt chẽ hơn về mặt hóa học và xử lý nhiệt cơ học để đáp ứng các tiêu chí tác động nhiệt độ thấp hơn.

3. Cấu trúc vi mô và phản ứng xử lý nhiệt

Cấu trúc vi mô điển hình: - Các tấm DH36/EH36 được cán hoặc xử lý nhiệt cơ học thể hiện ferit-perlite tinh chế hoặc ferit với bainit/martensite tôi mịn phân tán tùy thuộc vào quá trình làm nguội và hàm lượng hợp kim. - Thép hợp kim vi mô với Nb/V/Ti tạo ra ma trận ferit đa giác mịn với các kết tủa mịn, cải thiện độ bền kéo và độ dẻo dai.

Hiệu ứng xử lý: - Chuẩn hóa: Tăng độ dẻo dai bằng cách tạo ra cấu trúc hạt mịn đồng nhất; đôi khi được chỉ định cho các tấm rất dày để đảm bảo tính đồng nhất. - Làm nguội & ram: Thông thường không được áp dụng cho các tấm thép đóng tàu thông thường do chi phí cao; các loại thép này được thiết kế để cán hoặc gia công bằng nhiệt cơ học, trong đó làm nguội có kiểm soát thay thế cho các chu trình làm nguội/ram hoàn toàn. - Xử lý kiểm soát nhiệt cơ học (TMCP): Phương pháp phổ biến để DH36 và EH36 đạt được độ bền cao và độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp mà không cần hàm lượng hợp kim quá mức. TMCP tạo ra các chuỗi biến đổi thuận lợi tạo ra ferrite/bainite hình kim và hạn chế perlite thô.

Phản hồi của EH36: - Để đáp ứng các yêu cầu về nhiệt độ va đập thấp hơn, EH36 thường được sản xuất theo lịch trình TMCP nghiêm ngặt hơn, hàm lượng carbon tương đương thấp hơn và độ sạch sẽ nghiêm ngặt hơn để tránh các tạp chất gây giòn; các tấm dày hơn có thể được thử nghiệm độ bền bổ sung hoặc chuẩn hóa lò nung.

4. Tính chất cơ học

Phạm vi tính chất cơ học tiêu biểu (điển hình; xác minh theo tiêu chuẩn và độ dày):

Tài sản	Yêu cầu / phạm vi điển hình
Giới hạn chảy (phút)	≈ 355 MPa (thường được chỉ định cho họ AH/DH/EH36)
Độ bền kéo	≈ 490 – 620 MPa
Độ giãn dài (A%)	≥ 20% (tùy thuộc vào độ dày và tiêu chuẩn)
Tác động Charpy	Tùy thuộc vào cấp độ: DH36 được thử nghiệm ở nhiệt độ thấp hơn AH36; EH36 có năng lượng tác động được chỉ định ở nhiệt độ thậm chí còn thấp hơn
Độ cứng	Thông thường < 250 HB (thay đổi tùy theo quá trình xử lý)

Giải thích: - Độ bền: DH36 và EH36 có độ bền kéo và độ bền danh nghĩa tương đương nhau; sự khác biệt không chủ yếu ở độ bền tĩnh mà ở độ dẻo dai khi va đập ở nhiệt độ quy định. - Độ dẻo dai và độ dai: EH36 được thiết kế để duy trì độ dẻo dai cao hơn ở nhiệt độ thấp hơn DH36. Để đạt được điều này, thông thường cần kiểm soát quy trình chặt chẽ hơn và đôi khi giảm lượng carbon tương đương, do đó có thể có những đánh đổi cơ học hơi khác biệt. - Độ cứng: Cả hai đều không phải là thép tôi; độ cứng ở mức trung bình và được kiểm soát bằng cách cán và TMCP.

5. Khả năng hàn

Các cân nhắc về khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng carbon, lượng carbon tương đương (CE) và sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim vi mô làm tăng khả năng tôi luyện.

Các chỉ số khả năng hàn phổ biến (hữu ích cho đánh giá định tính): - Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm quốc tế: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp hơn cho thấy khả năng hàn dễ dàng hơn với nhu cầu làm nóng trước và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) ít hơn. - DH36 và EH36 có CE từ thấp đến trung bình do hàm lượng carbon hạn chế và hợp kim được kiểm soát; do đó, chúng thường được coi là có thể hàn được bằng các quy trình tiêu chuẩn dành cho thép kết cấu. - EH36 có thể yêu cầu các phương pháp hàn bảo thủ hơn đối với các phần dày hoặc nhiệt độ môi trường làm việc rất thấp vì mục đích sản xuất của nó là đảm bảo độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp tốt hơn; hợp kim vi mô tinh chỉnh kích thước hạt có thể làm tăng khả năng tôi cứng cục bộ, do đó đôi khi nên gia nhiệt trước và kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn.

Hướng dẫn hàn thực tế: - Sử dụng kim loại hàn phù hợp với yêu cầu về độ bền và độ dẻo dai. - Đối với các tấm dày hoặc dịch vụ lạnh, cần xác định quy trình và cân nhắc PWHT hoặc làm mát có kiểm soát để ngăn ngừa hiện tượng cứng HAZ hoặc nứt hydro. - Kiểm tra không phá hủy và kiểm tra phiếu là biện pháp thận trọng khi thay thế một loại thép này bằng loại thép khác trong các ứng dụng quan trọng.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả DH36 và EH36 đều không phải là thép không gỉ; cả hai đều là thép carbon/HSLA thông thường và cần được bảo vệ bề mặt để chống ăn mòn lâu dài.
• Hệ thống bảo vệ điển hình: mạ kẽm nhúng nóng (cho một số bộ phận), lớp phủ chắn (lớp sơn lót epoxy, lớp phủ polyurethane), bảo vệ catốt cho các công trình ngoài khơi và dung sai ăn mòn hy sinh trong thiết kế.
• Tỷ lệ hao hụt kim loại, tần suất bảo trì và lựa chọn hệ thống phủ phụ thuộc vào môi trường (nước biển bắn vào, khí quyển, nước biển ngập).
• Công thức PREN (để đánh giá thép không gỉ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ này, nhưng để tham khảo: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Việc sử dụng PREN chỉ có ý nghĩa khi đánh giá hợp kim thép không gỉ.

7. Chế tạo, khả năng gia công và khả năng định hình

• Tạo hình: Với độ bền kéo vừa phải và độ dẻo tốt, cả hai loại thép này đều có thể được cán, uốn cong và ép; bán kính uốn cong phải tính đến độ dày và yêu cầu về độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp của EH36.
• Khả năng gia công: Thép HSLA khó gia công hơn thép cacbon thông thường do hợp kim hóa vi mô và độ bền cao hơn. Độ mòn dụng cụ cao hơn một chút; thông số gia công thông thường và dụng cụ carbide là điển hình.
• Cắt: Cắt nhiệt (oxyfuel, plasma) thường được sử dụng cho các tấm; giảm thiểu kích thước HAZ và thực hiện phun cát/phun cát sau khi cắt để bảo vệ chống ăn mòn.
• Hoàn thiện: Quá trình mài và chuẩn bị bề mặt tuân theo các thông lệ tiêu chuẩn; EH36 có thể cần chú ý nhiều hơn để tránh gia công nguội cục bộ có thể ảnh hưởng đến độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp.

8. Ứng dụng điển hình

DH36 – Công dụng điển hình	EH36 – Công dụng điển hình
Tấm vỏ tàu và tấm boong cho tàu hoạt động ở vùng khí hậu ôn đới đến lạnh (hoạt động ở nhiệt độ xuống tới khoảng −20°C)	Vỏ tàu và kết cấu cho tàu hoặc các đơn vị ngoài khơi dự định phục vụ ở vùng cực/cận Bắc Cực (phục vụ ở nhiệt độ xuống tới khoảng −40°C)
Phần trên cùng ngoài khơi và các thành phần cấu trúc thứ cấp nơi có độ bền ở nhiệt độ thấp vừa phải là đủ	Các thành phần cấu trúc quan trọng, thanh giằng và các bộ phận nhạy cảm với tác động ở nhiệt độ thấp trong các giàn khoan ngoài khơi Bắc Cực
Sàn hàng hóa, vách ngăn và tấm kết cấu chung, nơi hiệu quả về chi phí và thực hành hàn tiêu chuẩn được ưu tiên	Các công trình đòi hỏi phải kiểm tra độ bền và chất lượng nghiêm ngặt hơn; các khu vực có chứng nhận độ bền khía nghiêm ngặt

Cơ sở lựa chọn: - Lựa chọn dựa trên nhiệt độ thiết kế, năng lượng va đập cần thiết ở nhiệt độ đó, độ dày (tấm dày khó sản xuất hơn với độ dẻo dai đồng đều ở nhiệt độ thấp) và kế hoạch bảo trì vòng đời.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: EH36 thường đắt hơn một chút so với DH36 do quy trình xử lý nghiêm ngặt hơn, kiểm soát hóa học chặt chẽ hơn và thử nghiệm bổ sung để đảm bảo độ bền ở nhiệt độ thấp.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều có sẵn rộng rãi tại các nhà máy lớn dưới dạng tấm; tuy nhiên, các tấm EH36 rất dày hoặc các kết hợp độ dày/chiều rộng cụ thể có thể ít được lưu kho hơn và thời gian giao hàng sẽ lâu hơn.
• Hình dạng sản phẩm: Dạng tấm là hình dạng chủ yếu. Việc có sẵn các đoạn cắt theo chiều dài, chế tạo sẵn hoặc báo cáo thử nghiệm nhà máy được chứng nhận cần được xác nhận khi mua hàng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính):

Đặc điểm	DH36	EH36
Khả năng hàn	Tốt (thực hành HSLA tiêu chuẩn)	Tốt, nhưng có thể yêu cầu kiểm soát hàn chặt chẽ hơn đối với các phần dày
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền cao với độ dẻo dai tốt ở nhiệt độ thấp vừa phải	Độ bền tĩnh tương tự, độ bền nhiệt độ thấp được chứng nhận cao hơn
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn (do xử lý và thử nghiệm)

Sự giới thiệu: - Chọn DH36 nếu: kết cấu sẽ hoạt động trong môi trường ôn đới hoặc lạnh vừa phải (nhiệt độ thiết kế khoảng −20°C hoặc cao hơn), nếu chi phí và các phương pháp chế tạo tiêu chuẩn được ưu tiên và khi độ dày liên quan nằm trong phạm vi không thách thức giới hạn độ dẻo dai. - Chọn EH36 nếu: kết cấu sẽ tiếp xúc với nhiệt độ rất thấp (hoạt động ở vùng Bắc Cực hoặc cận Bắc Cực), nếu các yêu cầu về quy định hoặc phân loại yêu cầu độ dẻo dai cao hơn ở nhiệt độ thấp hơn hoặc khi các chi tiết hàn quan trọng yêu cầu biên độ dẻo dai được đảm bảo mặc dù các phần dày hơn.

Lưu ý cuối cùng: DH36 và EH36 thuộc cùng một họ thép đóng tàu HSLA và thường có thể thay thế cho nhau cho nhiều yêu cầu về độ bền, nhưng việc lựa chọn phụ thuộc vào nhiệt độ va đập, quy trình kiểm soát gia công và yêu cầu kiểm tra cụ thể. Đối với bất kỳ ứng dụng quan trọng nào, hãy luôn xem xét tiêu chuẩn áp dụng và chứng chỉ vật liệu nhà máy, đồng thời đảm bảo các quy trình hàn và quy trình kiểm tra phù hợp với thông số kỹ thuật của dự án.