L290 so với L360 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và lập kế hoạch sản xuất thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa L290 và L360 khi chỉ định thép kết cấu cho khung, cầu, kết cấu ngoài khơi và chế tạo nặng. Quyết định này thường cân bằng giữa độ bền cao hơn với khả năng định hình và khả năng hàn: hợp kim có độ bền cao hơn có thể giảm kích thước và trọng lượng tiết diện nhưng có thể áp dụng các biện pháp kiểm soát chế tạo chặt chẽ hơn và chi phí cao hơn.

Sự khác biệt cơ bản giữa L290 và L360 là một bước tiến về độ bền tối thiểu được đảm bảo: L360 cung cấp cấp độ bền chảy cao hơn L290. Vì sự gia tăng độ bền này thường đạt được thông qua thiết kế hợp kim và xử lý nhiệt cơ học, hai cấp độ này thường được so sánh để cân nhắc về độ bền, khả năng hàn, chế tạo và chi phí.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn và hệ thống chung được các kỹ sư tham khảo:
• EN / ISO (tiêu chuẩn thép kết cấu châu Âu / quốc tế)
• ASTM / ASME (tiêu chuẩn vật liệu của Hoa Kỳ; danh pháp khác nhau)
• JIS (tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản)
• GB (tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc)

• Các thông số kỹ thuật đóng tàu hoặc đường ống quốc gia sử dụng tiền tố "L" cho các lớp năng suất tuyến tính

• Phân loại:

• L290 và L360 là thép hợp kim thấp/hợp kim thấp cường độ cao (HSLA) chứ không phải thép không gỉ, thép dụng cụ hoặc thép hợp kim cao.
• Chúng thường được chỉ định theo giới hạn chảy tối thiểu (MPa) và theo hình dạng sản phẩm (tấm, lá, tiết diện hoặc tiết diện rỗng).
• Lưu ý: Nhãn "L" biểu thị mức năng suất tối thiểu trong một số hệ thống tiêu chuẩn/quốc gia thay vì một tiêu chuẩn hóa chất thống nhất; giới hạn thành phần chính xác có thể thay đổi tùy theo nhà cung cấp và tiêu chuẩn.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là bảng thành phần đại diện cho các loại thép có giới hạn chảy từ 290–360 MPa. Đây là các dải giới hạn điển hình cho thép kết cấu/HSLA hiện đại; giới hạn chính xác có thể được tìm thấy trong các tiêu chuẩn cụ thể hoặc giấy chứng nhận nhà máy.

Yếu tố	Phạm vi điển hình (wt.%, đại diện cho thép HSLA L290–L360)
C (Cacbon)	0,06 – 0,18
Mn (Mangan)	0,3 – 1,5
Si (Silic)	0,02 – 0,6
P (Phốt pho)	≤ 0,035 (kiểm soát ở mức ppm thấp)
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,035 (thường ≤ 0,010 ở loại có hàm lượng lưu huỳnh thấp)
Cr (Crom)	0 – 0,5
Ni (Niken)	0 – 0,5
Mo (Molypden)	0 – 0,5
V (Vanadi)	0 – 0,12
Nb (Niobi)	0 – 0,08
Ti (Titan)	0 – 0,02
B (Bo)	0 – 0,003
N (Nitơ)	0,005 – 0,020

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào - Cacbon và mangan chủ yếu kiểm soát độ bền và khả năng làm cứng; C cao hơn làm tăng độ bền nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) tạo ra sự gia cường kết tủa và tinh chỉnh kích thước hạt, cho phép năng suất cao hơn ở hàm lượng cacbon thấp và cải thiện độ dẻo dai. - Việc bổ sung một lượng nhỏ Cr, Ni và Mo có thể làm tăng độ cứng và độ bền mà không cần tăng lượng cacbon lớn; chúng cũng ảnh hưởng đến quá trình ram. - Bo ở hàm lượng ppm rất thấp sẽ cải thiện khả năng tôi luyện bằng cách phân tách thành ranh giới hạt austenit khi được kiểm soát cẩn thận. - Kiểm soát P, S và N là yếu tố quan trọng quyết định độ dẻo dai và khả năng hàn.

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

Cấu trúc vi mô điển hình - L290: được sản xuất để đạt được sự cân bằng giữa độ dẻo và độ bền. Cấu trúc vi mô cán/chuẩn hóa điển hình là ferit-pearlit hoặc ferit mịn với bainit phân tán tùy thuộc vào tốc độ nguội và hàm lượng hợp kim. - L360: Để đạt được hiệu suất tối thiểu cao hơn, phương pháp hợp kim hóa vi mô (Nb, V) và cán có kiểm soát hoặc xử lý nhiệt cơ học thường được sử dụng để sản xuất ferit, bainit hoặc cấu trúc vi mô hỗn hợp ferit-bainit mịn hơn. Độ tôi cứng tăng có thể dẫn đến tỷ lệ vi thành phần bainit cao hơn.

Phản hồi cho các tuyến xử lý - Chuẩn hóa: tăng độ dẻo dai bằng cách tạo ra cấu trúc hạt mịn, đồng đều; cả hai loại đều có lợi, nhưng L360 thường yêu cầu kiểm soát chặt chẽ hơn tốc độ làm nguội để tránh độ cứng quá mức. - Làm nguội và ram (Q&T): không điển hình cho các dạng sản phẩm cấu trúc cơ bản, nhưng có thể thực hiện nếu cần sự kết hợp độ bền và độ dẻo dai cao hơn—Q&T tạo ra các cấu trúc ram martensitic và độ bền cao hơn với chi phí xử lý nhiều hơn. - Xử lý kiểm soát nhiệt cơ học (TMCP): được sử dụng rộng rãi cho L360 để đạt được giới hạn chảy cao hơn thông qua quá trình tinh luyện hạt và gia cường kết tủa mà không làm tăng lượng cacbon lớn — cải thiện độ dẻo dai và khả năng hàn so với thép gia cường cacbon.

4. Tính chất cơ học

Sự khác biệt cơ học thiết yếu và được đảm bảo là giới hạn chảy tối thiểu. Con số tuyệt đối phụ thuộc vào tiêu chuẩn cụ thể, độ dày sản phẩm và quá trình xử lý nhiệt.

Tài sản	L290 (điển hình/danh nghĩa)	L360 (điển hình/danh nghĩa)
Độ bền kéo tối thiểu (MPa)	~290 MPa (lớp thiết kế)	~360 MPa (lớp thiết kế)
Độ bền kéo (MPa)	Thay đổi theo độ dày/quy trình; phạm vi điển hình từ thấp đến trung bình đối với thép kết cấu	Phạm vi kéo căng điển hình cao hơn L290 cho cùng một dạng sản phẩm
Độ giãn dài (%)	Nói chung cao hơn L360 ở độ dày bằng nhau	Thông thường thấp hơn L290 do có độ bền cao hơn
Độ bền va đập Charpy	Tốt ở nhiệt độ phòng và dưới 0 độ khi được chỉ định/kiểm soát	Có thể khớp với L290 nếu được chỉ định; yêu cầu hóa chất và quy trình xử lý được kiểm soát
Độ cứng (HB)	Thấp hơn trung bình	Cao hơn trung bình

Diễn giải - L360 được thiết kế bền hơn; độ bền này thường đạt được nhờ hợp kim hóa vi mô và gia công cơ nhiệt thay vì gia tăng hàm lượng cacbon lớn. Do đó, L360 có thể mang lại độ bền cao hơn với độ dẻo dai hợp lý, nhưng độ dẻo và khả năng định hình nhìn chung bị giảm so với L290. - Đối với các ứng dụng đòi hỏi khả năng biến dạng và tạo hình, L290 thường được ưu tiên. Đối với các thiết kế nhạy cảm với trọng lượng hoặc khả năng chịu tải cao hơn, L360 cho phép tiết diện mỏng hơn hoặc giảm lượng vật liệu sử dụng.

5. Khả năng hàn

Các yếu tố chính: hàm lượng cacbon, lượng cacbon tương đương và hợp kim vi mô.

Công thức tương đương cacbon thông dụng (hữu ích cho việc đánh giá khả năng hàn định tính): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

Một tham số toàn diện hơn: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính - Vì các nhà sản xuất thường giữ hàm lượng carbon ở mức thấp trong cả hai loại và sử dụng hợp kim vi mô để tăng cường độ bền kéo, nên cả hai loại này thường có thể hàn được khi lựa chọn quá trình nung nóng trước, quá trình trung gian và quá trình hàn đắp phù hợp. - L360, có khả năng làm cứng cao hơn (từ Mn, hợp kim vi mô hoặc bổ sung hợp kim nhỏ), nhạy cảm hơn với quá trình nứt nguội có sự hỗ trợ của hydro và có thể cần gia nhiệt trước cao hơn hoặc làm nguội có kiểm soát để tránh hình thành martensite trong vùng ảnh hưởng của nhiệt (HAZ). - Sử dụng vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp, nhiệt độ nung nóng trước/giữa các mối hàn thích hợp và xử lý nhiệt sau khi hàn (theo yêu cầu của hợp đồng/thông số kỹ thuật) sẽ giải quyết được nguy cơ nứt. - Luôn tính toán hoặc ước tính $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ cho thành phần chứng chỉ nhà máy cụ thể để xác định các quy trình hàn được phép.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Những loại thép này không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn phụ thuộc vào môi trường và khả năng bảo vệ bề mặt.
• Các chiến lược bảo vệ điển hình:
• Mạ kẽm nhúng nóng để chống ăn mòn trong khí quyển.
• Hệ thống sơn (sơn lót kẽm, sơn epoxy, sơn polyurethane) để bảo vệ lâu dài.
• Lớp phủ kim loại (phun nhiệt) chống mài mòn và ăn mòn.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho thép cacbon/HSLA vì nó được sử dụng cho hợp kim không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Đối với L290 và L360, dung sai ăn mòn hoặc lớp phủ bảo vệ là phương pháp tiêu chuẩn; lựa chọn phụ thuộc vào môi trường sử dụng (hàng hải, công nghiệp, tiếp xúc với hóa chất).

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

• Cắt: Cắt plasma, oxy-nhiên liệu và laser là phương pháp cắt thông thường đối với cả hai loại thép, trong đó thép L360 dày hơn cần chú ý nhiều hơn đến việc làm cứng cạnh khi cắt nhanh.
• Khả năng gia công: Thành phần cacbon và hợp kim vi mô thấp hơn mang lại khả năng gia công vừa phải; L360 (độ bền cao hơn) thường gia công cứng hơn một chút so với L290—độ mài mòn dụng cụ và lực cắt tăng lên.
• Khả năng định hình và uốn: L290 thể hiện khả năng uốn và tạo hình nguội tốt hơn ở cùng độ dày. L360 yêu cầu bán kính uốn lớn hơn, lực uốn lớn hơn và đôi khi cần ủ trung gian để tạo hình phức tạp.
• Hoàn thiện bề mặt và chuẩn bị hàn tương tự nhau; L360 có thể cần kiểm soát lắp đặt chặt chẽ hơn để tránh tập trung biến dạng cục bộ.

8. Ứng dụng điển hình

L290 — Công dụng điển hình	L360 — Công dụng điển hình
Kết cấu thép nói chung (tải trọng nhẹ đến trung bình)	Các thành phần kết cấu nặng hơn khi cần khả năng chịu tải cao hơn hoặc độ dày tiết diện giảm
Các thành phần xây dựng, khung phụ và kết cấu thép thứ cấp	Cầu, cần cẩu hạng nặng, dầm chính và các thành phần kết cấu cho giàn khoan ngoài khơi
Thiết bị nông nghiệp, chế tạo chung	Lớp vỏ tàu, các phần kết cấu chịu áp lực khi cần độ bền trên trọng lượng cao hơn
Các ứng dụng ưu tiên khả năng định hình và chế tạo chi phí thấp	Các chế tạo đòi hỏi phải tiết kiệm trọng lượng, ứng suất cho phép cao hơn hoặc khả năng nhịp được cải thiện

Cơ sở lựa chọn - Chọn L290 khi tốc độ chế tạo, tạo hình và độ nhạy về chi phí lớn hơn lợi ích của mặt cắt ngang nhỏ hơn. - Chọn L360 khi hiệu quả về cấu trúc, giảm trọng lượng hoặc ứng suất cho phép cao hơn được ưu tiên và nhóm chế tạo có thể quản lý các biện pháp kiểm soát hàn và tạo hình chặt chẽ hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: L360 thường đắt hơn L290 do kiểm soát hợp kim bổ sung, xử lý nhiệt cơ học và kiểm soát chất lượng chặt chẽ hơn. Chênh lệch giá thay đổi tùy theo điều kiện thị trường và hình thức sản phẩm.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều được sản xuất rộng rãi dưới dạng tấm, cuộn và hình khối, nhưng nguồn cung tại địa phương phụ thuộc vào năng lực của nhà máy. L290 thường phổ biến hơn trên thị trường kết cấu hàng hóa; L360 có thể có sẵn nhiều hơn từ các nhà máy nhắm đến thị trường xây dựng nặng, cầu đường và ngoài khơi.
• Thời gian giao hàng có thể tăng đối với L360 khi đặt hàng số lượng lớn hoặc tấm dày, đặc biệt là khi yêu cầu độ bền hoặc kiểm soát hóa học cụ thể.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	L290	L360
Khả năng hàn	Tốt—dễ tha thứ hơn do độ cứng thấp hơn	Tốt với các biện pháp kiểm soát—khả năng làm cứng HAZ cao hơn đòi hỏi các quy trình nghiêm ngặt hơn
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền vừa phải với độ dẻo tương đối cao	Độ bền cao hơn với độ dẻo dai tốt nếu được xử lý đúng cách
Trị giá	Thấp hơn (cấp độ kết cấu chung)	Cao hơn (xử lý và kiểm soát HSLA)

Sự giới thiệu - Chọn L290 nếu: bạn cần loại thép kết cấu tiết kiệm chi phí, dễ định hình và hàn cho các bộ phận chịu tải vừa phải, trong đó ưu tiên hàng đầu là độ dẻo dai và dễ chế tạo. - Chọn L360 nếu: bạn cần cường độ chịu kéo cao hơn được đảm bảo để giảm kích thước hoặc trọng lượng tiết diện và bạn có thể thực hiện các biện pháp hàn, tạo hình có kiểm soát và có thể tăng chi phí vật liệu một chút để đạt hiệu quả về kết cấu.

Lưu ý cuối cùng: Luôn xem xét chứng chỉ nhà máy của nhà cung cấp và tiêu chuẩn hoặc thông số kỹ thuật hiện hành để biết giới hạn hóa chất chính xác, bảo hành cơ học, dữ liệu phụ thuộc vào độ dày và khuyến nghị hàn. Khi có thắc mắc, hãy yêu cầu hồ sơ thành phần và xử lý nhiệt cụ thể, đồng thời thực hiện đánh giá khả năng hàn và độ bền theo ứng dụng cụ thể.