L245 so với L290 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

L245 và L290 là hai loại thép kết cấu hợp kim thấp thường được sử dụng trong xây dựng, cầu đường, đóng tàu, chế tạo nặng và các ứng dụng kết cấu nói chung. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất khi cân nhắc hai loại thép này thường cân nhắc các ưu tiên cạnh tranh như yêu cầu về giới hạn chảy tối thiểu so với khả năng hàn, độ bền ở nhiệt độ thấp so với chi phí vật liệu, và nhu cầu về độ cứng cao hơn so với tính dễ chế tạo.

Sự khác biệt thực tế chính giữa hai loại này là giới hạn chảy tối thiểu được chỉ định của chúng: L290 yêu cầu giới hạn chảy được đảm bảo cao hơn L245. Sự khác biệt này thường đạt được nhờ chiến lược hợp kim hóa và các lựa chọn xử lý (vi hợp kim, cacbon và mangan được kiểm soát, và xử lý nhiệt cơ học), từ đó ảnh hưởng đến khả năng tôi, độ bền và đặc tính chế tạo. Vì cả hai loại đều được sử dụng cho các vai trò kết cấu tương tự, các nhà thiết kế thường so sánh chúng khi chỉ định các tấm, tiết diện cán và các chi tiết hàn, trong đó sự cân bằng giữa độ bền và tính dễ chế tạo là rất quan trọng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn điển hình có ký hiệu kiểu L: tiêu chuẩn quốc gia và khu vực cho thép kết cấu và thiết bị chịu áp lực. Ký hiệu chính xác và các yêu cầu về hóa học/cơ học cần được kiểm tra dựa trên tiêu chuẩn hiện hành hoặc chứng chỉ nhà máy cho khu vực cung ứng.
• Phân loại: Cả L245 và L290 đều là thép kết cấu hợp kim thấp hoặc cacbon (không phải thép không gỉ, không phải thép dụng cụ). Chúng thường được xếp chung với thép kết cấu cán nóng dùng cho kết cấu hàn và tán đinh nói chung.
• Các tiêu chuẩn và tài liệu có liên quan chung để tham khảo cho các yêu cầu cụ thể:
• Tiêu chuẩn EN/Châu Âu cho thép kết cấu (xác minh chỉ định tiêu chuẩn địa phương)
• Tiêu chuẩn quốc gia (ví dụ: GB, JIS, ASTM/ASME có thể cung cấp các tiêu chuẩn tương đương về mặt chức năng nhưng có tên gọi khác nhau)
• Các tấm thép của nhà cung cấp và thông số kỹ thuật của người mua (PSL, API, v.v.)

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Cấp L245 và L290 không được xác định bởi một thành phần hóa học duy nhất mà bởi một cửa sổ hóa học được phép và các mục tiêu về tính chất cơ học. Bảng sau đây cung cấp các phạm vi thành phần mang tính chỉ dẫn, đại diện và vai trò điển hình của từng nguyên tố. Những con số này chỉ mang tính chất tham khảo; hãy tham khảo thông số kỹ thuật hiện hành và giấy chứng nhận nhà máy để biết thành phần chính xác.

Yếu tố	Hàm lượng điển hình (wt%) — chỉ định	Mục đích / tác dụng
C	0,05 – 0,20	Tăng cường độ bền và khả năng làm cứng; C cao hơn sẽ làm giảm khả năng hàn và độ dẻo nếu không được kiểm soát
Mn	0,4 – 1,6	Tăng cường thông qua dung dịch rắn, cải thiện khả năng tôi cứng; Mn quá mức làm tăng khả năng tôi cứng CE và HAZ
Si	0,02 – 0,6	Chất khử oxy và tăng cường độ bền; hàm lượng Si cao có thể ảnh hưởng đến khả năng hàn
P	≤ 0,025 (thường thấp)	Tạp chất; giữ ở mức thấp để duy trì độ dẻo dai
S	≤ 0,010 (thường thấp)	Tạp chất; giữ ở mức thấp để tăng độ dẻo và khả năng hàn
Cr	0 – 0,5 (thường thấp hoặc không có)	Cải thiện khả năng làm cứng và độ bền ở nhiệt độ cao
Ni	0 – 0,5	Cải thiện độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp nếu có
Mo	0 – 0,2	Tăng khả năng chịu nhiệt và chống biến dạng, thường bị hạn chế do lo ngại về khả năng hàn
V, Nb, Ti	Hàng chục đến hàng trăm ppm (hợp kim vi mô)	Tinh chế hạt, tăng cường kết tủa, kiểm soát quá trình chuyển đổi austenit
B	~mức ppm nếu sử dụng	Chất làm cứng mạnh ở nồng độ rất thấp
N	Dấu vết	Được sử dụng với Ti để kiểm soát nitrua; ảnh hưởng đến lượng mưa

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Tăng hàm lượng cacbon và mangan làm tăng năng suất, độ bền kéo và khả năng tôi luyện nhưng có thể làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai trừ khi được bù đắp bằng phương pháp hợp kim hóa vi mô hoặc xử lý có kiểm soát. - Hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) cho phép tăng cường độ ở hàm lượng cacbon thấp hơn bằng cách gia cường kết tủa và tinh chỉnh hạt - có lợi cho việc duy trì khả năng hàn và độ dẻo dai tốt hơn so với thép C–Mn tương đương chỉ được gia cường bằng cacbon. - L290 thường đạt được bằng phương pháp hợp kim hóa mạnh hơn một chút và/hoặc phương pháp xử lý nhiệt cơ học so với L245, tạo ra sản lượng tối thiểu cao hơn mà không làm tăng quá nhiều cacbon.

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

Cấu trúc vi mô điển hình và phản ứng xử lý cho cả hai loại: - Cán/chuẩn hóa: ferit-pearlit với các thành phần bainit có thể có tùy thuộc vào quá trình làm nguội và hợp kim hóa. Chuẩn hóa giúp tinh chỉnh kích thước hạt ferit, cải thiện độ dẻo dai. - Xử lý kiểm soát nhiệt cơ học (TMCP): tạo ra ferit hạt mịn và các túi bainite/martensite được biến đổi cục bộ giúp tăng đồng thời độ bền kéo và độ dẻo dai—quy trình này thường được sử dụng để đáp ứng các loại có hàm lượng cacbon cao hơn như L290. - Làm nguội và ram (Q&T): không phổ biến đối với thép kết cấu tiêu chuẩn dòng L trừ khi yêu cầu các tính chất cơ học đặc biệt; Q&T sẽ làm tăng độ bền nhưng phải trả giá bằng độ phức tạp trong quá trình xử lý và khả năng giảm độ dẻo nếu ram quá mức hoặc nếu hàm lượng cacbon cao. - Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ): trong các kết cấu hàn, các đặc tính HAZ nhạy cảm với hàm lượng cacbon tương đương và hợp kim vi mô; thép TMCP hợp kim vi mô có xu hướng có hành vi HAZ lành tính hơn so với thép cacbon cao có độ bền danh nghĩa tương đương.

Ghi chú so sánh: - L245, với mục tiêu về độ bền thấp hơn, thường có thể đạt được bằng phương pháp cán thông thường hoặc TMCP nhẹ, tạo ra chủ yếu là ferit–perit có độ dẻo tốt. - L290 thường dựa vào TMCP và hợp kim vi mô để đạt được năng suất cao hơn trong khi vẫn duy trì độ dẻo dai; cấu trúc vi mô sẽ có hạt mịn hơn và tỷ lệ thành phần gia cường cao hơn.

4. Tính chất cơ học

Các yêu cầu cơ học chính thức phải được đọc từ tiêu chuẩn hoặc chứng chỉ nhà máy hiện hành. Tiêu chí phân biệt đáng tin cậy duy nhất trong chỉ định là giới hạn chảy tối thiểu.

Tài sản	L245 (cơ sở điển hình/thông số kỹ thuật)	L290 (cơ sở điển hình/thông số kỹ thuật)
Cường độ chịu kéo tối thiểu (MPa)	245 MPa (tối thiểu được chỉ định)	290 MPa (tối thiểu được chỉ định)
Độ bền kéo	Phụ thuộc vào quy trình; thường chồng chéo với phạm vi L290 khi cả hai đều được chuẩn hóa/TMCP (tham khảo thông số kỹ thuật)	Tùy thuộc vào quy trình; năng suất tối thiểu cao hơn ngụ ý các yêu cầu về độ bền kéo tương tự hoặc cao hơn một chút
Độ giãn dài (A%)	Thông thường đủ cho thép kết cấu; phụ thuộc vào độ dày và quá trình xử lý	Có thể so sánh được nhưng có thể giảm nhẹ ở mức năng suất cao hơn nếu đạt được bằng cách tăng cường các cơ chế làm giảm độ giãn dài đồng đều
Độ bền va đập Charpy	Theo chỉ định của người mua (nhiệt độ và năng lượng); hàm lượng carbon thấp hơn + TMCP nhằm mục đích duy trì độ dẻo dai tốt	TMCP và hợp kim vi mô hướng tới mục tiêu duy trì độ dẻo dai tốt ngay cả ở năng suất cao hơn, nhưng giá trị thực tế phụ thuộc vào độ dày và tính chất hóa học
Độ cứng	Thay đổi rất nhiều; nói chung là vừa phải đối với thép kết cấu	Có thể cao hơn một chút nếu cơ chế tăng cường mạnh hơn

Giải thích: - L290 mang lại độ bền kéo cao hơn được đảm bảo; đây là cơ sở để lựa chọn khi thiết kế yêu cầu ứng suất cho phép cao hơn hoặc tiết diện mỏng hơn cho cùng một tải trọng. - Độ dẻo dai và độ dai có thể tương đương nếu L290 được sản xuất thông qua TMCP hiện đại và hợp kim vi mô; nếu đạt được độ bền cao hơn bằng cách tăng hàm lượng cacbon, độ dẻo dai và khả năng hàn sẽ bị ảnh hưởng.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu phụ thuộc vào lượng cacbon tương đương (CE) và sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim thúc đẩy khả năng làm cứng.

Chỉ số thực nghiệm chung: - 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: - Giảm $CE_{IIW}$ và giảm $P_{cm}$ giúp cải thiện tính linh hoạt trong việc lựa chọn vật tư tiêu hao/gia nhiệt trước và giảm nguy cơ nứt vùng HAZ. - L245, với mục tiêu năng suất thấp hơn, thường có hàm lượng cacbon tương đương thấp hơn và do đó có xu hướng dễ hàn hơn với ít nhiệt độ gia nhiệt trước hơn L290 khi L290 đạt được độ bền cao hơn nhờ hàm lượng hợp kim cao hơn. - Nếu L290 được sản xuất bằng phương pháp hợp kim hóa vi mô và TMCP thay vì cacbon cao hơn thì khả năng hàn vẫn có thể chấp nhận được; tuy nhiên, vẫn có thể khuyến nghị quy trình hàn có kiểm soát hoặc nung nóng sơ bộ cao hơn một chút tùy thuộc vào độ dày. - Luôn tham khảo các thông số kỹ thuật về quy trình hàn có trình độ (WPS) và thực hiện đánh giá HAZ và PWHT cho các công trình chế tạo quan trọng.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Hai loại thép này là thép cacbon/hợp kim thấp không gỉ. Chúng không có khả năng chống ăn mòn nội tại vượt trội so với thép cacbon kết cấu thông thường.
• Các chiến lược bảo vệ tiêu chuẩn: lớp phủ (epoxy, polyurethane), mạ kẽm nhúng nóng, mạ kim loại hoặc lớp phủ hy sinh tùy thuộc vào môi trường và tuổi thọ sử dụng.
• Chỉ số thép không gỉ như PREN không áp dụng cho thép cacbon kết cấu loại L: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Việc sử dụng PREN chỉ có ý nghĩa khi đánh giá hợp kim thép không gỉ; đối với L245/L290, khả năng chống ăn mòn phụ thuộc vào khả năng bảo vệ bên ngoài và kiểm soát môi trường.
• Khi chỉ định sử dụng trong môi trường khắc nghiệt (nước biển bắn vào, hóa chất), hãy cân nhắc đến dung sai ăn mòn, lớp phủ bảo vệ hoặc lựa chọn hợp kim không gỉ hoặc chống ăn mòn.

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

• Khả năng gia công: Nhìn chung tương đương với các loại thép hợp kim thấp khác. Các loại thép có hàm lượng chảy cao hơn có thể khó gia công hơn một chút do độ bền và khả năng làm cứng cao hơn; cần điều chỉnh dụng cụ và cấp liệu.
• Khả năng định hình và uốn: So với L290, L245 thường cho phép định hình nguội dễ dàng hơn một chút và bán kính uốn hẹp hơn với cùng độ dày. Đối với L290, hãy hạn chế biến dạng uốn theo hướng dẫn của nhà cung cấp và sử dụng trục/ủ thích hợp nếu cần.
• Cắt và xử lý nhiệt: Cắt oxy-nhiên liệu, plasma và laser là phổ biến; hàm lượng hợp kim cao hơn hoặc phần dày hơn có thể ảnh hưởng đến cài đặt cắt và xỉ.
• Chuẩn bị bề mặt và vật tư hàn: Đối với cả hai loại, hãy làm theo khuyến nghị của nhà cung cấp về quá trình nung nóng trước, nhiệt độ giữa các đường hàn và lựa chọn kim loại hàn để duy trì độ bền và tránh các vấn đề về HAZ.

8. Ứng dụng điển hình

L245 — Công dụng điển hình	L290 — Công dụng điển hình
Các thành phần cấu trúc chung trong các tòa nhà và khung có độ bền vừa phải và tốc độ/chi phí chế tạo là ưu tiên	Các thành phần kết cấu trong cầu, công trình ngoài khơi và thiết bị hạng nặng, nơi ứng suất cho phép cao hơn cho phép các phần nhẹ hơn
Các sản phẩm hàn, tấm và dầm chịu lực từ nhẹ đến trung bình	Kết cấu thân tàu chịu lực, cần cẩu và các kết cấu hàn nặng hơn đòi hỏi năng suất cao hơn
Khung máy móc chung, giá đỡ và cấu trúc thứ cấp	Các ứng dụng cần giảm trọng lượng thông qua vật liệu có độ bền cao hơn, tuân theo quy trình kiểm soát khả năng hàn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn L245 để có chi phí thấp hơn, chế tạo dễ dàng hơn và đáp ứng được tải trọng thiết kế với năng suất thấp hơn. - Chọn L290 khi yêu cầu thiết kế cần năng suất cao hơn để giảm kích thước hoặc trọng lượng tiết diện, hoặc khi cần biên độ an toàn cao hơn—với điều kiện có thể đáp ứng được các quy trình hàn và mục tiêu về độ bền.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: L290 thường đắt hơn L245 trên một đơn vị khối lượng do quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn, hợp kim hóa vi mô hoặc cần xử lý nhiệt bổ sung để đảm bảo năng suất cao hơn. Tuy nhiên, chi phí trên mỗi hiệu suất chức năng (ví dụ: chi phí trên mỗi đơn vị tải trọng) có thể có lợi cho L290 nếu việc giảm tiết diện bù đắp được chi phí vật liệu.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều có sẵn trên thị trường tại các nhà máy thép lớn và các trung tâm dịch vụ, đặc biệt là ở dạng tấm và dạng cán. Thời gian giao hàng và hình dạng được cung cấp (tấm, cuộn, hình dạng kết cấu) phụ thuộc vào sản lượng và nhu cầu của nhà máy trong khu vực; L245 thường phổ biến hơn trong các chuỗi cung ứng kết cấu nói chung.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	L245	L290
Khả năng hàn	Nói chung dễ hơn (xu hướng CE thấp hơn)	Đòi hỏi cao hơn một chút; có thể chấp nhận được nếu sử dụng TMCP/hợp kim siêu nhỏ và WPS phù hợp
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Tốt cho các công trình chịu tải vừa phải	Năng suất tối thiểu cao hơn; có thể giữ được độ dẻo dai với TMCP/hợp kim vi mô
Trị giá	Chi phí vật liệu thấp hơn; xử lý dễ dàng hơn	Chi phí vật liệu cao hơn nhưng có khả năng tiết kiệm trọng lượng trong thiết kế

Sự giới thiệu: - Chọn L245 nếu bạn ưu tiên tính dễ chế tạo, chi phí vật liệu thấp và thiết kế kết cấu của bạn có thể đáp ứng yêu cầu tải trọng với giới hạn chảy 245 MPa. L245 là lựa chọn hoàn hảo cho các công trình xây dựng thông thường và các cấu kiện yêu cầu hàn và tạo hình rộng rãi mà không cần cường độ cao. - Chọn L290 nếu bạn cần đảm bảo giới hạn chảy cao hơn để giảm kích thước hoặc trọng lượng tiết diện, hoặc để tăng ứng suất cho phép trong tính toán kết cấu. L290 phù hợp khi cần cường độ cao hơn mà vẫn duy trì độ dẻo dai tốt thông qua quy trình xử lý hiện đại (TMCP và hợp kim hóa vi mô). Đảm bảo quy trình hàn, gia nhiệt sơ bộ và thử nghiệm phù hợp được chỉ định cho các tiết diện dày hoặc các ứng dụng quan trọng.

Lưu ý cuối cùng: Luôn ghi rõ tiêu chuẩn áp dụng, nhiệt độ thử nghiệm va đập yêu cầu, giới hạn độ dày vật liệu và tiêu chuẩn quy trình hàn trong tài liệu mua sắm. Kiểm tra tính chất hóa học và cơ học so với chứng chỉ nhà máy và các yêu cầu cụ thể của đơn hàng trước khi sản xuất hoặc chấp nhận thiết kế quan trọng.