EH40 so với FH40 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

EH40 và FH40 là hai loại thép kết cấu cường độ cao thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp hàng hải, ngoài khơi và tấm thép nặng. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và lập kế hoạch sản xuất thường phải đối mặt với tình huống khó xử khi lựa chọn giữa hai loại thép này: loại nào cung cấp độ bền xuyên suốt và khả năng hàn cần thiết cho các tấm thép rất dày, và loại nào mang lại sự cân bằng tốt nhất giữa độ bền và chi phí cho độ dày tấm tiêu chuẩn và kết cấu hàn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm vỏ tàu và boong tàu cho tàu và giàn khoan ngoài khơi, các công trình chế tạo nặng đòi hỏi độ bền chống nứt rất quan trọng, và các kết cấu hàn lớn đòi hỏi hiệu suất phụ thuộc vào chu kỳ nhiệt và đặc tính sau hàn.

Sự khác biệt thực tế chính giữa hai loại này là khả năng tối ưu hóa độ dày tấm và hiệu suất xuyên suốt: một loại thường được chỉ định cho các ứng dụng tấm dày thông thường, nơi quá trình gia công cơ nhiệt tiêu chuẩn mang lại độ bền và độ dẻo dai cần thiết, trong khi loại còn lại được thiết kế riêng cho độ dày tấm cực lớn và cải thiện các đặc tính xuyên suốt bằng cách sử dụng các chiến lược hợp kim và gia công khác nhau. Đây là lý do tại sao các nhà thiết kế thường so sánh EH40 và FH40 khi chỉ định các tấm rất dày hoặc khi yêu cầu độ dẻo dai đồng đều đặc biệt xuyên suốt chiều dày tấm.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Cả EH40 và FH40 đều được mô tả tốt nhất là thép kết cấu hợp kim thấp, cường độ cao (HSLA) được sử dụng trong đóng tàu và xây dựng ngoài khơi. Chúng không phải là các phương pháp thử nghiệm quốc tế đơn lẻ như ASTM mà xuất hiện dưới dạng các nhóm mác thép được các hiệp hội phân loại và tiêu chuẩn quốc gia áp dụng hoặc tham chiếu. Các tiêu chuẩn và phân loại điển hình cần xem xét:

• Tiêu chuẩn quốc gia và khu vực: GB (Trung Quốc), JIS (Nhật Bản), EN (Châu Âu), ISO.
• Các tổ chức phân loại: ABS, DNV-GL, Lloyd's Register — các tổ chức này bao gồm các ký hiệu về thân tàu và kết cấu thép tương ứng với họ EH/FH.
• Tiêu chuẩn vật liệu chung: ASTM/ASME đưa ra các yêu cầu về tính chất cơ học và quy trình thử nghiệm có thể được sử dụng kết hợp với chỉ định lớp.

Nhận dạng loại vật liệu: - EH40: Thép kết cấu HSLA (thép cacbon hợp kim thấp có kiểm soát vi hợp kim và nhiệt cơ). - FH40: Thép kết cấu HSLA, thường được tối ưu hóa cho các ứng dụng tấm rất dày với độ dẻo dai xuyên suốt được tăng cường và các sửa đổi về hợp kim/xử lý cụ thể.

Lưu ý: Các yêu cầu chính xác về hóa chất và cơ học khác nhau tùy theo tiêu chuẩn và chứng chỉ nhà máy; luôn tham khảo thông số kỹ thuật của hợp đồng hoặc ký hiệu của hiệp hội phân loại để mua sắm.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng dưới đây thể hiện các dải thành phần đại diện thường gặp đối với thép HSLA kiểu EH40 và FH40. Đây là các dải thành phần đại diện được các nhà máy sử dụng và có trong các tài liệu phân loại; thành phần hóa học được chứng nhận thực tế phải được lấy từ giấy chứng nhận nhà máy cho lô hàng được cung cấp.

Yếu tố	EH40 (phạm vi điển hình, wt%)	FH40 (phạm vi điển hình, wt%)
C	0,08 – 0,16	0,06 – 0,14
Mn	0,6 – 1,5	0,6 – 1,8
Si	0,02 – 0,50	0,02 – 0,50
P (tối đa)	≤ 0,03 – 0,04	≤ 0,03 – 0,04
S (tối đa)	≤ 0,010 – 0,025	≤ 0,010 – 0,025
Cr	dấu vết – 0,4	dấu vết – 0,6
Ni	dấu vết – 0,6	dấu vết – 0,8
Mo	dấu vết – 0,05	dấu vết – 0,08
V	0,00 – 0,08	0,00 – 0,10
Nb (Nb/Ta)	≤ 0,05	≤ 0,06
Ti	dấu vết	dấu vết
B	vết (ppm)	vết (ppm)
N	mức kiểm soát (ppm)	mức kiểm soát (ppm)

Ghi chú giải thích: - Các loại thép này là thép HSLA có độ bền đến từ sự kết hợp của cacbon, mangan và các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) cùng với quá trình xử lý (kiểm soát nhiệt cơ). - Hóa chất theo kiểu FH40 có thể cho thấy hàm lượng carbon thấp hơn một chút và hàm lượng hợp kim vi mô cao hơn một chút để thúc đẩy quá trình kết tủa cacbua/nitrit mịn và độ dẻo dai xuyên suốt tốt hơn ở các phần rất dày. - Hợp kim làm tăng độ cứng và độ bền (Mn, Cr, Mo) nhưng cũng làm tăng nguy cơ nứt nguội ở mối hàn; hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) tạo ra độ bền cao với hàm lượng carbon thấp hơn bằng cách gia cường kết tủa và tinh chỉnh hạt.

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

Cấu trúc vi mô điển hình cho các loại EH40 và FH40 phụ thuộc rất nhiều vào quá trình xử lý:

• EH40 (tấm thép tiêu chuẩn, TMCP hoặc chuẩn hóa):
• Cấu trúc vi mô điển hình: ferit-pearlit hạt mịn hoặc ferit với bainit phân tán tùy thuộc vào tốc độ làm nguội và hợp kim.
• Quá trình xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP) tạo ra ma trận ferit tinh chế với hàm lượng bainit thấp hoặc peclit thoái hóa được kiểm soát để tăng cường độ bền kéo và độ dẻo dai tốt.

• Có thể sử dụng phương pháp chuẩn hóa để đồng nhất cấu trúc trong các tấm dày hơn; phương pháp làm nguội và ram không phù hợp với các tấm cấu trúc lớn do biến dạng và chi phí.

• FH40 (tấm rất dày được tối ưu hóa):

• Tập trung vào các đặc tính xuyên suốt độ dày: kiểm soát chặt chẽ hơn quá trình làm mát và kết tủa hợp kim siêu nhỏ, thường có hàm lượng cacbon thấp hơn và nhiều hợp kim siêu nhỏ hơn để duy trì độ dẻo dai qua đường tâm của các tấm rất dày.
• Cấu trúc vi mô được thiết kế để giảm hiện tượng dải và thúc đẩy ferit hình kim hoặc ferit đa giác mịn với các cacbua và nitrua phân bố.
• Sử dụng phương pháp cán nhiệt cơ học, làm nguội nhanh và gia nhiệt có kiểm soát để đạt được độ tinh luyện hạt đồng đều theo độ dày.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa giúp cải thiện tính đồng nhất và độ dẻo dai nhưng có thể không thực tế đối với độ dày cực lớn. - Cán có kiểm soát và làm nguội nhanh là phương pháp công nghiệp để đạt được sự kết hợp cần thiết giữa độ bền và độ dẻo mà không cần phải tôi và ram hoàn toàn. - FH40 có thể yêu cầu quy trình kiểm soát nghiêm ngặt hơn và thử nghiệm không phá hủy bổ sung đối với các tấm rất dày để đảm bảo độ dẻo dai xuyên suốt chiều dày.

4. Tính chất cơ học

Dưới đây là các phạm vi đặc tính cơ học tiêu biểu thường được chỉ định cho các tấm HSLA kiểu EH40 và FH40. Các giá trị này thay đổi tùy theo độ dày, quy trình gia công và giới hạn thông số kỹ thuật—vui lòng tham khảo các yêu cầu của hợp đồng.

Tài sản	EH40 (điển hình)	FH40 (điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	490 – 650	480 – 640
Giới hạn chảy (MPa)	355 – 485	320 – 460
Độ giãn dài (% trên 50 mm hoặc theo chỉ định)	18 – 26	18 – 26
Tác động Charpy (J)	Được chỉ định ở nhiệt độ thấp; điển hình là 27 J ở −20 °C đến −40 °C	Yêu cầu về độ dày xuyên suốt nghiêm ngặt hơn; 27 J ở nhiệt độ thấp hơn và/hoặc thử nghiệm độ dày cao hơn
Độ cứng (HB)	160 – 250	150 – 240

Giải thích: - EH40 và FH40 chồng lấn nhau trong phạm vi cường độ danh nghĩa; EH40 thường được chỉ định cho mục tiêu năng suất cao hơn một chút ở độ dày tiêu chuẩn. - FH40 thường được cấu hình để nhấn mạnh độ dẻo dai xuyên suốt độ dày thay vì độ bền kéo cao hơn một chút — điều này có thể dẫn đến độ dẻo dai danh nghĩa thấp hơn một chút nhưng khả năng chống nứt và độ dẻo dai gãy vượt trội ở các tấm dày. - Độ dẻo (độ giãn dài) có thể so sánh được khi mỗi loại được sản xuất theo thông số kỹ thuật của nó; hiệu suất dẻo dai, đặc biệt là độ dày xuyên suốt và ở nhiệt độ thấp, là yếu tố tạo nên sự khác biệt.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của các loại thép HSLA này được xác định bởi hàm lượng cacbon, hàm lượng cacbon tương đương và hàm lượng hợp kim vi mô. Các chỉ số khả năng hàn phổ biến được sử dụng để đánh giá định tính khả năng chịu nứt nguội do hydro hỗ trợ bao gồm:

• Đương lượng cacbon (dạng IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Máy tính: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Hàm lượng cacbon thấp hơn và Mn được kiểm soát có lợi cho khả năng hàn; các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) làm tăng khả năng tôi cứng, có thể làm tăng nguy cơ hình thành vùng cứng trong vùng HAZ và nứt nguội nếu không kiểm soát được hydro và sự kiềm chế. - Hóa chất kiểu FH40 (có C thấp hơn và nhiều hợp kim vi mô hơn) thường được lựa chọn để cân bằng khả năng tôi và độ dẻo dai; cần phải xử lý các vấn đề về nung nóng trước, nhiệt độ giữa các lớp hàn được kiểm soát, quy trình hàm lượng hydro thấp và xử lý nhiệt sau hàn tùy thuộc vào độ dày và thông số kỹ thuật của tấm. - Đối với các tấm rất dày, việc kiểm soát lượng nhiệt đầu vào, gia nhiệt trước và tốc độ làm mát HAZ là rất quan trọng; việc xác nhận quy trình hàn (WPS/PQR) và kiểm soát hydro trở nên khắt khe hơn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả EH40 và FH40 đều là thép hợp kim thấp không gỉ và cần được bảo vệ bề mặt trong môi trường ăn mòn (nước biển, tiếp xúc với khí quyển).
• Các phương pháp bảo vệ phổ biến: mạ kẽm nhúng nóng (nếu có), hệ thống epoxy nhiều lớp, lớp phủ polyurethane, mạ kim loại (phun nhiệt) và anot hy sinh cho các ứng dụng ngập nước.
• Chỉ số không gỉ (ví dụ: PREN) không áp dụng cho các loại thép cacbon/hợp kim sau: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Công thức này chỉ có ý nghĩa đối với thép không gỉ có hàm lượng Cr, Mo và N đáng kể; đối với EH40/FH40, hàm lượng Cr và Mo quá thấp để phân loại ăn mòn dựa trên PREN.
• Việc lựa chọn lớp phủ và bảo vệ catốt phải cân nhắc đến tuổi thọ thiết kế, khả năng bảo trì và môi trường dự định (khu vực bắn tóe, ngập nước, khí quyển).

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

• Khả năng gia công: Cả hai loại thép đều có khả năng gia công ở mức trung bình; các biến thể có hàm lượng carbon thấp hơn (điển hình là FH40) có thể dễ gia công hơn một chút. Nên sử dụng dụng cụ cắt cacbua hoặc phủ lớp phủ cùng với tốc độ/bước chạy dao phù hợp cho các đường cắt có tiết diện lớn.
• Khả năng tạo hình/uốn: Thép EH40 với mục tiêu năng suất cao hơn có thể giảm biến dạng tạo hình cho phép so với thép FH40 có hàm lượng carbon thấp hơn. Khả năng uốn nguội các tấm dày bị hạn chế và thường cần gia nhiệt hoặc uốn cán; giới hạn tạo hình phải được xác nhận bằng các bài kiểm tra uốn theo thông số kỹ thuật.
• Cắt và cắt nhiệt: Cắt plasma và cắt oxy-nhiên liệu là tiêu chuẩn cho các tấm dày. Việc gia nhiệt trước và làm sạch sau khi cắt có kiểm soát giúp giảm ứng suất dư và các cấu trúc vi mô bị ảnh hưởng bởi nhiệt.
• Việc chuẩn bị bề mặt để hàn và phủ phải được kiểm soát cẩn thận trên các tấm rất dày để tránh hiện tượng phân lớp hoặc các khuyết tật ở đường tâm trở thành nguyên nhân gây hỏng hóc.

8. Ứng dụng điển hình

EH40 (sử dụng phổ biến)	FH40 (sử dụng phổ biến)
Vỏ tàu và lớp phủ boong tàu khi cần độ bền danh nghĩa cao hơn cho các tấm thép tiêu chuẩn nặng	Thân tàu hoặc tấm sàn rất dày, trong đó độ bền xuyên suốt là rất quan trọng (ví dụ, các phần lớp băng, tấm đế giàn khoan ngoài khơi lớn)
Các thành phần kết cấu (dầm, giá đỡ) trong chế tạo nặng	Các kết cấu hàn tiết diện sâu và các tấm chuyển tiếp dày yêu cầu giảm thiểu độ giòn ở đường tâm
Các thành phần không chịu áp suất giữ áp suất trong đó sự cân bằng về sức mạnh và chi phí là quan trọng	Các mối hàn quan trọng có độ dày lớn, nơi phải đảm bảo khả năng chống nứt và độ bền gãy trên toàn bộ độ dày

Cơ sở lựa chọn: - EH40: được lựa chọn vì có độ bền cao trong phạm vi độ dày sản xuất tiêu chuẩn, trong khi TMCP thông thường mang lại các đặc tính cần thiết. - FH40: được chọn khi độ dày tấm vượt quá cửa sổ TMCP bình thường hoặc khi có nhu cầu về độ dẻo dai xuyên suốt độ dày nghiêm ngặt hơn; quá trình xử lý và hóa học được tối ưu hóa để duy trì các đặc tính sâu bên trong tấm.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Nhìn chung, cả hai loại thép này đều nằm trong mức giá HSLA; FH40 có thể có giá cao hơn do quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn, thử nghiệm nghiêm ngặt hơn và có thể có lịch trình cán đặc biệt cho các tấm thép rất dày.
• Tính khả dụng: Tấm thép kiểu EH40 phổ biến ở nhiều nhà máy với độ dày tiêu chuẩn. Tấm thép kiểu FH40 cũng có sẵn nhưng có thể yêu cầu đặt hàng đặc biệt, thời gian giao hàng lâu hơn và chứng nhận kiểm tra độ dày xuyên suốt cho các mặt cắt rất dày.
• Dạng sản phẩm: Tấm, cắt theo kích thước và lắp ráp sẵn. Các tấm FH40 rất dày có thể được sản xuất bởi ít nhà máy hơn, do đó thời gian giao hàng và số lượng đặt hàng tối thiểu nên được thảo luận sớm trong quá trình mua sắm.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	EH40	FH40
Khả năng hàn	Tốt với các điều khiển tiêu chuẩn; xem khả năng làm cứng HAZ	Tốt nhưng yêu cầu WPS nghiêm ngặt hơn đối với các phần rất dày
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền danh nghĩa cao ở độ dày tiêu chuẩn	Độ dẻo dai xuyên suốt được tối ưu hóa trong các tấm rất dày
Trị giá	Thông thường thấp hơn đối với sản xuất tiêu chuẩn	Phí bảo hiểm tiềm năng cho quá trình xử lý và thử nghiệm đặc biệt

Khuyến nghị: - Chọn EH40 nếu bạn cần tấm HSLA có độ bền cao với độ dày tấm dày thông thường, trong đó TMCP tiêu chuẩn hoặc chuẩn hóa mang lại độ dẻo dai xuyên suốt độ dày thích hợp và bạn ưu tiên độ bền trên chi phí cho các ứng dụng kết cấu thông thường. - Chọn FH40 nếu bạn chỉ định các tấm rất dày (độ dày cực đại) hoặc nếu thiết kế yêu cầu độ dẻo dai chống gãy xuyên suốt độ dày và độ giòn ở đường tâm tối thiểu; hóa học và quy trình xử lý theo kiểu FH40 giúp duy trì các đặc tính đồng nhất trên các mặt cắt ngang lớn, mặc dù chi phí mua sắm và xử lý có thể cao hơn.

Lưu ý cuối cùng: Đối với bất kỳ ứng dụng quan trọng nào, hãy nêu rõ trong hợp đồng các tiêu chí về độ bền cơ học và độ bền kéo theo độ dày, tiêu chuẩn quy trình hàn và kiểm tra không phá hủy. Xác nhận chứng chỉ nhà máy và tiến hành thử nghiệm độc lập khi cần thiết để đảm bảo loại thép được chọn đáp ứng các yêu cầu về độ dày xuyên suốt và hiệu suất hàn cụ thể của dự án.