L360 so với L390 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

L360 và L390 là hai loại thép kết cấu cường độ cao có liên quan chặt chẽ với nhau, thường được chỉ định trong đó các nhà thiết kế cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai, khả năng hàn và chi phí. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà lập kế hoạch sản xuất thường phải đối mặt với quyết định nên sử dụng loại thép có độ bền thấp hơn một chút, dễ uốn hơn (L360) hay loại thép L390 bền hơn một chút khi thiết kế các bộ phận chịu lực, cụm hàn hoặc kết cấu chế tạo.

Sự khác biệt kỹ thuật chính là sự gia tăng khiêm tốn và có chủ đích về độ bền chảy (và thường là độ bền kéo) từ L360 lên L390, chủ yếu đạt được nhờ quá trình xử lý nhiệt cơ học và hợp kim vi mô, chứ không phải nhờ những thay đổi đáng kể về thành phần hóa học khối. Vì cả hai loại thép đều hướng đến các ứng dụng kết cấu, chúng thường được so sánh khi tối ưu hóa trọng lượng chi tiết, độ dày tấm, đặc tính tạo hình và quy trình chế tạo.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chung có các họ cấp độ tương tự: EN (ví dụ: họ EN 10025), ISO, ASTM/ASME (ký hiệu kết cấu), JIS và tiêu chuẩn quốc gia (GB cho Trung Quốc). Chuỗi ký hiệu chính xác sẽ khác nhau tùy theo cơ quan tiêu chuẩn và nhà cung cấp.
• Phân loại: Cả L360 và L390 đều là thép kết cấu hợp kim thấp cường độ cao (HSLA) (không phải thép không gỉ, không phải thép dụng cụ). Chúng được dùng cho các bộ phận kết cấu hàn và tạo hình.

Lưu ý: Số lượng tiêu chuẩn cụ thể và thành phần được chứng nhận của nhà máy khác nhau tùy theo khu vực; luôn sử dụng tiêu chuẩn/cấp chứng nhận chính xác trong các tài liệu mua sắm.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	Phạm vi điển hình — L360 (wt%)	Phạm vi điển hình — L390 (wt%)
C	0,06 – 0,18	0,06 – 0,18
Mn	0,40 – 1,50	0,50 – 1,50
Si	0,10 – 0,50	0,10 – 0,50
P	≤ 0,025 (được kiểm soát)	≤ 0,025 (được kiểm soát)
S	≤ 0,010 (được kiểm soát)	≤ 0,010 (được kiểm soát)
Cr	dấu vết – 0,30	dấu vết – 0,35
Ni	dấu vết – 0,30	dấu vết – 0,30
Mo	dấu vết – 0,15	dấu vết – 0,15
V	0,00 – 0,10 (hợp kim siêu nhỏ)	0,01 – 0,10 (hợp kim siêu nhỏ)
Nb (Cb)	0,00 – 0,06 (hợp kim siêu nhỏ)	0,00 – 0,06 (hợp kim siêu nhỏ)
Ti	0,00 – 0,02 (khử oxy)	0,00 – 0,02 (khử oxy)
B	có thể theo dõi (ppm)	có thể theo dõi (ppm)
N	ppm được kiểm soát	ppm được kiểm soát

Ghi chú: - Các dải này đại diện cho thép kết cấu HSLA và minh họa các chiến lược hợp kim điển hình. Thành phần chính xác tùy thuộc vào từng nhà máy và được điều chỉnh bởi tiêu chuẩn hoặc thông số kỹ thuật đã chọn; luôn kiểm tra bằng chứng nhận của nhà máy. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti và đôi khi là B) được sử dụng với lượng nhỏ để tinh chỉnh kích thước hạt, thúc đẩy quá trình làm cứng kết tủa và tăng giới hạn chảy với hàm lượng cacbon tăng tối thiểu—điều quan trọng để duy trì khả năng hàn.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Carbon làm tăng độ bền nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai khi tăng cao. - Mangan và silic hỗ trợ quá trình khử oxy và góp phần làm cứng. - Hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) cho phép tăng cường độ thông qua quá trình kết tủa và tinh chế hạt mà không cần hàm lượng cacbon cao—đây là lý do tại sao L390 có thể bền hơn với chỉ một số khác biệt nhỏ về mặt hóa học so với L360. - Kiểm soát hàm lượng phốt pho và lưu huỳnh thấp giúp cải thiện độ dẻo dai và giảm khuyết tật mối hàn.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình cho cả hai loại thép ở điều kiện giao hàng (cán nhiệt cơ hoặc chuẩn hóa): nền ferit với các đảo martensite bainit hoặc ram mịn, phân tán và các kết tủa vi hợp kim. Kích thước hạt được tinh chỉnh bằng cách cán có kiểm soát và làm nguội nhanh.
• L360: Được xử lý để đạt được sự cân bằng giữa ferit dẻo và bainit mịn; kết tủa hợp kim siêu nhỏ (NbC, V(C,N), TiN) giúp tăng cường ma trận.
• L390: Có xu hướng sử dụng phương pháp kiểm soát nhiệt cơ học mạnh hơn một chút (nhiệt độ cán hoàn thiện thấp hơn và làm nguội nhanh hơn) và gia cường kết tủa có mục tiêu để tăng giới hạn chảy trong khi vẫn duy trì cấu trúc vi mô dẻo tương tự.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa: Khôi phục cấu trúc vi mô đồng nhất và có thể cải thiện độ dẻo dai; cả hai cấp đều phản ứng theo cách có thể dự đoán được. - Làm nguội và ram: Không điển hình hoặc không cần thiết cho việc cung cấp kết cấu thông thường; khi áp dụng, cần kiểm soát ram ở mức cao hơn để tránh tạo ra kết tủa hợp kim siêu nhỏ quá mức. - Xử lý kiểm soát nhiệt cơ học (TMCP): Con đường công nghiệp chính để sản xuất các loại thép này — cán có kiểm soát cùng với làm nguội nhanh mang lại độ bền/độ dẻo dai mong muốn mà không cần xử lý nhiệt sau khi hàn trong hầu hết các trường hợp.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	L360 điển hình (mang tính chỉ dẫn)	L390 điển hình (mang tính chỉ dẫn)
Giới hạn chảy (0,2 Rp)	≈ 360 MPa (danh nghĩa)	≈ 390 MPa (danh nghĩa)
Độ bền kéo	~480 – 620 MPa (tùy thuộc vào độ dày/quy trình)	~500 – 640 MPa (tùy thuộc vào độ dày/quy trình)
Độ giãn dài (A%)	~18 – 26%	~16 – 24%
Độ bền va đập (Charpy V‑notch)	Tốt; phụ thuộc vào nhiệt độ thử nghiệm và độ dày (thường được chỉ định ở mức 0 đến −20 °C)	Có thể so sánh khi xử lý về độ dẻo dai; có thể yêu cầu thông số kỹ thuật nghiêm ngặt hơn khi sử dụng ở nhiệt độ thấp
Độ cứng (HB)	Thông thường ở mức trung bình (< 250 HB)	Cao hơn một chút so với mức trung bình nhưng vẫn nằm trong phạm vi độ cứng có thể hàn được

Giải thích: - L390 mang lại sự gia tăng khiêm tốn nhưng hữu ích về độ bền kéo so với L360; độ bền kéo thường tăng theo tỷ lệ. - Độ dẻo và độ dai có thể duy trì tương đương giữa các cấp độ nếu L390 được sản xuất với sự cân bằng TMCP và vi hợp kim phù hợp. Tuy nhiên, các nhà thiết kế nên kỳ vọng độ giãn dài giảm nhẹ và độ cứng cao hơn một chút đối với L390, giúp siết chặt giới hạn tạo hình. - Luôn tham khảo điều kiện cung cấp cụ thể (độ dày tấm, lộ trình xử lý, nhiệt độ thử nghiệm) để biết giá trị chính xác.

5. Khả năng hàn

Đánh giá khả năng hàn tập trung vào lượng cacbon tương đương và kiểm soát quá trình gia công. Hợp kim vi mô giúp duy trì lượng cacbon tương đương ở mức thấp để đạt được cường độ mục tiêu.

Chỉ số khả năng hàn chung: - Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - 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: - Cả L360 và L390 đều được thiết kế để có chỉ số $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ tương đối thấp so với các hợp kim carbon cao hơn. Các loại hợp kim vi mô thường có khả năng hàn tốt khi tuân thủ các biện pháp phòng ngừa tiêu chuẩn. - L390 có thể cần được chú ý nhiều hơn một chút đối với các phần dày hơn (làm nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp) vì khả năng làm cứng và độ bền cao hơn có thể làm tăng nguy cơ nứt nguội ở các phần dày hoặc các mối nối được chuẩn bị kém. - Vật tư hàn: chọn điện cực/thuốc hàn có hàm lượng hydro thấp và kim loại hàn có độ bền phù hợp; tuân thủ khuyến nghị của nhà cung cấp về quá trình nung nóng trước và quá trình hàn xen kẽ. - Xử lý nhiệt sau hàn hiếm khi được yêu cầu đối với các ứng dụng kết cấu thông thường, nhưng có thể được chỉ định cho các kết cấu quan trọng có nhiệt độ thấp hoặc lớn/dày.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Các loại thép này là thép carbon/HSLA—không phải thép không gỉ. Khả năng chống ăn mòn tương đương với thép carbon thông thường.
• Các tùy chọn bảo vệ tiêu chuẩn: mạ kẽm nhúng nóng, mạ kẽm, hệ thống sơn/phủ, lớp phủ epoxy/hữu cơ hoặc bảo vệ catốt cho dịch vụ chôn ngầm hoặc ngập nước.
• PREN (chỉ số tương đương khả năng chống rỗ) và các chỉ số thép không gỉ tương tự không áp dụng cho thép L360/L390 vì chúng không phải là hợp kim thép không gỉ. Để tham khảo, hãy sử dụng các lựa chọn thép không gỉ sau: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Đối với môi trường khí quyển, L390 mạ kẽm sẽ cung cấp khả năng bảo vệ tương tự như L360 mạ kẽm; việc lựa chọn nên dựa trên các yêu cầu về cơ học và mục tiêu tuổi thọ lớp phủ.

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

• Cắt (ngọn lửa, plasma, laser): cả hai loại đều có tính chất tương tự nhau; độ bền cao hơn một chút của L390 có thể yêu cầu công suất lớn hơn một chút hoặc tốc độ cắt chậm hơn.
• Tạo hình và uốn cong: L360 có khả năng tạo hình nguội tốt hơn một chút do năng suất thấp hơn; L390 có thể yêu cầu bán kính uốn lớn hơn hoặc tạo hình ấm cho các uốn cong chặt, đặc biệt là ở các phần dày hơn.
• Khả năng gia công: Cả hai đều là đặc trưng của thép HSLA hàm lượng carbon thấp—khả năng gia công tốt nhưng không dễ cắt gọt như thép pha chì. Độ bền cao hơn của L390 có thể làm giảm nhẹ tuổi thọ dụng cụ hoặc đòi hỏi lực cắt lớn hơn.
• Hoàn thiện bề mặt và mài: Cả hai đều đáp ứng tốt với các phương pháp hoàn thiện tiêu chuẩn; lưu ý các khu vực có độ cứng cao hơn (ví dụ: vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt) có thể cần xử lý hoặc các thông số mài cụ thể.

8. Ứng dụng điển hình

L360 — Công dụng điển hình	L390 — Công dụng điển hình
Kết cấu thép chịu lực trung bình (dầm, kênh, giằng) trong đó khả năng hàn và khả năng tạo hình được ưu tiên	Các tấm và phần kết cấu có trọng lượng giảm vừa phải hoặc ứng suất cho phép cao hơn giúp tiết kiệm vật liệu
Chế tạo chung và lắp ráp hàn với tải trọng vừa phải	Chế tạo nhắm đến độ dày thấp hơn để có độ bền tương đương (cầu, khung nặng)
Các thành phần cơ khí đòi hỏi độ dẻo dai và độ bền tốt	Các thành phần chịu tải trọng tĩnh cao hơn hoặc áp dụng giới hạn độ võng nghiêm ngặt hơn
Các công trình ngoài khơi có lớp phủ bảo vệ bổ sung	Cơ sở hạ tầng nơi sức mạnh được cải thiện cho phép giảm diện tích và tiết kiệm chi phí

Cơ sở lựa chọn: - Chọn L360 khi việc tạo hình, uốn và dễ hàn là ưu tiên hàng đầu và chấp nhận được sự hy sinh nhỏ về trọng lượng. - Chọn L390 khi cường độ gia tăng cho phép thiết kế mỏng hơn hoặc nhẹ hơn và khi nhà sản xuất có thể đáp ứng các quy trình kiểm soát nghiêm ngặt hơn để duy trì độ bền.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: L390 thường đắt hơn một chút so với L360 do quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn (TMCP), và đôi khi hàm lượng hợp kim vi mô và tổn thất năng suất gia công cao hơn. Chênh lệch chi phí vật liệu trên một đơn vị là không đáng kể so với tổng chi phí chế tạo tiết kiệm được nhờ giảm độ dày.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều có sẵn ở dạng tấm và dạng cuộn tại các nhà máy lớn ở nhiều khu vực, nhưng tính khả dụng còn tùy thuộc vào dòng sản phẩm của nhà máy địa phương. Các biến thể L360 thường phổ biến hơn; L390 có thể là sản phẩm đặc biệt ở một số thị trường hoặc yêu cầu số lượng đặt hàng tối thiểu.
• Dạng sản phẩm: tấm, cuộn, cán nóng. Thời gian giao hàng và thử nghiệm cán (độ bền kéo, độ bền kéo) phải được ghi rõ trong đơn đặt hàng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	L360	L390
Khả năng hàn	Rất tốt	Tốt (cần kiểm soát nhiều hơn một chút ở các phần dày)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Cân bằng; dẻo hơn một chút	Độ bền kéo/năng suất cao hơn cho cùng độ dày; độ dẻo dai tương đương nếu được xử lý đúng cách
Chi phí (vật liệu)	Thấp hơn	Cao hơn một chút

Khuyến nghị: - Chọn L360 nếu: - Thiết kế ưu tiên tính dễ tạo hình và hàn, yêu cầu bán kính uốn cong hẹp hoặc độ giãn dài cao. - Chuỗi cung ứng dự án ưu tiên các loại thép tấm và thép cuộn có sẵn, giá thành thấp. - Giảm cân không phải là động lực chính.

• Chọn L390 nếu:
• Việc tăng nhẹ ứng suất cho phép hoặc giảm độ dày tấm sẽ giúp tiết kiệm chi phí hoặc trọng lượng trong quá trình lắp ráp.
• Các xưởng chế tạo có thể duy trì các biện pháp kiểm soát nung nóng trước/chuyển tiếp được khuyến nghị cho các mối hàn dày hơn.
• Dự án đòi hỏi độ bền kéo danh nghĩa cao hơn trong khi vẫn duy trì khả năng hàn và độ dẻo dai chấp nhận được.

Lưu ý cuối cùng: Vì cả hai loại thép đều thuộc họ HSLA và khác nhau chủ yếu ở quy trình xử lý và tối ưu hóa hợp kim vi mô chứ không phải ở tính chất hóa học hoàn toàn khác biệt, nên lựa chọn thực tế thường phụ thuộc vào tính toán cấu trúc, các ràng buộc về hình dạng và các cân nhắc về nguồn cung cấp. Đối với các ứng dụng quan trọng (hoạt động ở nhiệt độ thấp, kết cấu hàn nặng), hãy luôn chỉ định nhiệt độ Charpy cần thiết, hiệu ứng độ dày và yêu cầu chứng chỉ kiểm tra nhà máy để xác nhận dữ liệu hóa học và cơ học đã cung cấp.