LR A so với AH36 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm, nhà hoạch định sản xuất và kiến ​​trúc sư hàng hải thường cân nhắc LR A và AH36 khi chỉ định thép kết cấu cho tàu, giàn khoan ngoài khơi và thiết bị hàng hải hạng nặng. Những đánh đổi điển hình trong lựa chọn này bao gồm chi phí so với hiệu suất, khả năng hàn so với độ bền, và năng suất chế tạo so với độ bền khi sử dụng.

Sự khác biệt kỹ thuật chính giữa hai loại thép này nằm ở mục tiêu thiết kế về giới hạn chảy: một loại là loại thép mềm/kết cấu thông thường hơn, được sử dụng cho chế tạo chung, trong khi loại còn lại được chỉ định là thép đóng tàu có độ bền cao hơn. Sự khác biệt này quyết định đến các quyết định về độ dày tấm, quy trình ghép nối và khả năng sử dụng ở nhiệt độ thấp, đó là lý do tại sao LR A và AH36 thường được so sánh trong các cuộc thảo luận về thiết kế và mua sắm.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• LR A
• Nguồn gốc: Hệ thống phân loại Lloyd's Register (thường được gọi là Hạng A trong một số hiệp hội phân loại).
• Bối cảnh tiêu chuẩn điển hình: Các quy tắc của tổ chức phân loại và các thông số kỹ thuật đóng tàu cũ; đôi khi được tham chiếu chéo với các tiêu chuẩn quốc gia về thép kết cấu nói chung.

• Loại thép: Thép kết cấu cacbon/nhẹ (cacbon thông thường/hợp kim thấp tùy thuộc vào thông lệ của nhà cung cấp).

• AH36

• Nguồn gốc: ASTM/ABS/các hệ thống phân loại khác dành cho thép đóng tàu (thường được gọi là loại A AH36 theo các tiêu chuẩn như ASTM A131).
• Bối cảnh tiêu chuẩn điển hình: Tiêu chuẩn đóng tàu hiện đại và kết cấu ngoài khơi.
• Loại thép: Thép kết cấu HSLA (hợp kim thấp cường độ cao) được phát triển cho tàu thuyền và các công trình ngoài khơi.

Phân loại: LR A thông thường là thép cacbon/thép kết cấu; AH36 là thép kết cấu HSLA được thiết kế để tăng cường độ bền kéo và cải thiện độ dẻo dai.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây tóm tắt trọng số nguyên tố cho từng loại. Thành phần chính xác thay đổi tùy theo nhà cung cấp và thông số kỹ thuật áp dụng; các mục mô tả chiến lược hợp kim điển hình thay vì giới hạn số.

Yếu tố	LR A (điển hình)	AH36 (điển hình)
C (Cacbon)	Carbon thấp — được thiết kế để có độ bền kết cấu cơ bản và khả năng hàn tốt	Hàm lượng carbon thấp đến trung bình — được kiểm soát để đạt năng suất cao hơn trong khi vẫn duy trì khả năng hàn
Mn (Mangan)	Trung bình — chất khử oxy và tăng cường	Trung bình đến cao hơn LR A — góp phần tăng cường độ bền và khả năng làm cứng
Si (Silic)	Có tác dụng khử oxy (thấp)	Có tác dụng khử oxy (thấp)
P (Phốt pho)	Kiểm soát mức độ thấp để tăng độ dẻo dai	Kiểm soát chặt chẽ mức độ thấp để có độ dẻo dai
S (Lưu huỳnh)	Thấp (được kiểm soát)	Thấp (được kiểm soát)
Cr, Ni, Mo	Thông thường không có hoặc chỉ có dấu vết	Thông thường không phải là nguyên tố hợp kim chính; đôi khi là mức vết để đảm bảo tính nhất quán về tính chất
V, Nb, Ti	Nói chung không cố ý thêm vào (có thể có dấu vết)	Có thể bao gồm hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) trong một số biến thể AH36 để cải thiện độ bền và độ dẻo dai
B	Ít khi sử dụng	Ít khi sử dụng; không điển hình trong tiêu chuẩn AH36
N (Nitơ)	Thấp	Thấp; được kiểm soát để ảnh hưởng đến độ bền/độ dẻo dai khi có hợp kim vi mô

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon và mangan là những nguyên tố chính tạo nên độ bền; Mn cao hơn và C cao hơn một chút làm tăng năng suất và độ bền kéo nhưng có xu hướng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai nếu không được kiểm soát đúng cách. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) trong thép loại AH36 giúp tinh chỉnh kích thước hạt và tăng cường độ bền mà không có lượng cacbon dư thừa; chúng cũng cải thiện độ dẻo dai và khả năng chống gãy giòn. - Kiểm soát chặt chẽ các thành phần tạp chất (P, S) là điều cần thiết ở cả hai cấp để duy trì độ bền va đập, đặc biệt là đối với hoạt động hàng hải ở nhiệt độ thấp.

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

Cấu trúc vi mô điển hình và phản ứng xử lý:

• LR A
• Cấu trúc vi mô: Chủ yếu là ferit với các đảo perlit được chế tạo theo tiêu chuẩn cán nóng. Kích thước hạt có xu hướng thô hơn so với thép HSLA hợp kim vi mô trừ khi áp dụng kiểm soát cơ nhiệt.

• Xử lý nhiệt: Thường được cung cấp dưới dạng cán nóng, không cần xử lý nhiệt thêm; chuẩn hóa có thể tinh chỉnh hạt nhưng ít phổ biến hơn đối với các tấm thân tàu nói chung.

• AH36

• Cấu trúc vi mô: Ferit-pearlit được kiểm soát có kích thước hạt mịn hơn so với LR A; khi sử dụng hợp kim vi mô và TMCP (xử lý kiểm soát nhiệt cơ học), có thể tạo ra hỗn hợp ferit dạng hạt mịn hoặc ferit bainit-ferit, giúp tăng cường độ bền và độ dẻo dai.
• Xử lý nhiệt/Phản ứng gia công: AH36 thường được cung cấp dưới dạng tấm gia công cơ nhiệt hoặc chuẩn hóa để đạt được các đặc tính chịu lực và va đập cần thiết. Tôi và ram không phải là phương pháp tiêu chuẩn cho thép đóng tàu nhưng có thể được sử dụng cho các ứng dụng đặc biệt để tăng cường độ bền, giảm chi phí.

Tác dụng của quá trình xử lý: - Chuẩn hóa giúp tinh chế hạt và tăng độ dẻo dai cho cả hai loại. - Cán nhiệt cơ học (TMCP) được sử dụng trong các biến thể AH36 mang lại độ bền cao hơn với độ dẻo dai tốt thông qua quá trình tinh chế hạt và kiểm soát lượng mưa, mà không làm tăng đáng kể hàm lượng carbon làm giảm khả năng hàn. - Làm nguội và ram tạo ra độ bền cao hơn nhưng không phải là phương pháp điển hình cho các dạng sản phẩm LR A hoặc AH36 tiêu chuẩn; phương pháp này chủ yếu được sử dụng khi cần độ bền hoặc khả năng chống mài mòn cao hơn nhiều.

4. Tính chất cơ học

Dưới đây là bảng so sánh định tính các đặc tính cơ học chính thường được xem xét ở cấp độ thông số kỹ thuật. Các đặc tính thực tế cần được kiểm tra dựa trên thông số kỹ thuật hiện hành và chứng chỉ nhà máy.

Tài sản	LR A	AH36
Cường độ chịu kéo	Thấp hơn (mức cấu trúc chung)	Cao hơn (mục tiêu HSLA đóng tàu)
Độ bền kéo	Thấp đến trung bình	Cao hơn
Độ giãn dài (độ dẻo)	Độ dẻo tốt để tạo hình	Độ dẻo tương đương; thường đủ mặc dù độ bền cao hơn do hợp kim hóa vi mô
Độ bền va đập	Phù hợp ở nhiệt độ vừa phải; xếp hạng nhiệt độ thấp hạn chế trừ khi được chỉ định	Cao hơn, với các yêu cầu tác động Charpy được chỉ định cho nhiệt độ thấp phổ biến
Độ cứng	Thấp hơn	Cao hơn một chút do cường độ cao hơn

Giải thích: - AH36 được thiết kế để cung cấp giới hạn chảy và độ bền kéo cao hơn LR A, đồng thời vẫn duy trì độ dẻo dai chấp nhận được và độ bền nhiệt độ thấp được cải thiện. Điều này đạt được chủ yếu thông qua kiểm soát thành phần và quy trình xử lý, chứ không phải nhờ hàm lượng carbon cao hơn đáng kể. - LR A vẫn hấp dẫn ở những nơi không yêu cầu độ bền cực cao và ưu tiên tính đơn giản trong quá trình tạo hình và hàn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào lượng cacbon tương đương và hợp kim vi mô. Hai công thức minh họa thường được sử dụng là:

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

• Pcm (chỉ số khả năng hàn của thép cacbon): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - LR A, với hàm lượng cacbon thấp hơn và hợp kim vi mô tối thiểu, có khả năng hàn tuyệt vời với yêu cầu gia nhiệt trước thấp và nguy cơ nứt do hydro gây ra ở mức tối thiểu trong điều kiện chế tạo thông thường. - AH36 thường có khả năng tôi cứng hiệu quả cao hơn một chút do hàm lượng Mn cao hơn được kiểm soát và khả năng hợp kim hóa vi mô. Điều này có thể làm tăng lượng cacbon tương đương một chút và có thể yêu cầu kiểm soát nhiệt độ nung nóng trước hoặc nhiệt độ giữa các lớp hàn, cũng như chú ý đến vật tư tiêu hao để quản lý độ bền HAZ và tránh nứt nguội, đặc biệt là trên các tấm dày hơn hoặc khi độ dày xuyên tâm cao. - Trên thực tế, AH36 được thiết kế để có thể hàn dễ dàng bằng các quy trình thông thường (SMAW, GMAW, SAW) với trình độ quy trình phù hợp; tuy nhiên, các quy trình hàn và thường là WPS chính thức thường được yêu cầu đối với AH36 hơn là đối với LR A.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả LR A và AH36 đều là thép cacbon không gỉ/thép hợp kim thấp và cần được bảo vệ bề mặt để chống ăn mòn trong môi trường biển.
• Các phương pháp bảo vệ phổ biến: lớp phủ (epoxy, polyurethane), bảo vệ catốt và mạ kẽm khi thích hợp cho các bộ phận không ngâm.
• Các chỉ số thép không gỉ như PREN không áp dụng cho các loại thép này; để tham khảo khi xem xét thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Hướng dẫn lựa chọn: Thành phần hóa học hơi khác biệt của AH36 không làm thay đổi đáng kể khả năng chống ăn mòn so với LR A; việc lựa chọn nên dựa trên yêu cầu về cơ học và sau đó là thiết kế hệ thống bảo vệ bề mặt phù hợp cho từng môi trường sử dụng.

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

• Tạo hình và uốn cong: Độ dẻo và độ bền thấp hơn của LR A khiến việc tạo hình và uốn nguội dễ dàng hơn mà không cần kiểm soát độ đàn hồi; AH36 sẽ yêu cầu lực tạo hình cao hơn và chú ý nhiều hơn đến bán kính uốn cong để tránh nứt, mặc dù các loại AH36 hiện đại có độ dẻo tốt có thể tạo hình trong giới hạn khuyến nghị.
• Cắt và khoan: Cả hai loại đều có thể gia công theo cách tương tự nhau bằng dụng cụ tiêu chuẩn; AH36 có thể mài mòn hơn một chút nếu có kết tủa hợp kim siêu nhỏ.
• Hàn và lắp ráp: LR A chịu được sự thay đổi khe hở lớn hơn và tốc độ hàn nhanh hơn; AH36 được hưởng lợi từ việc lắp ráp có kiểm soát và các quy trình đủ tiêu chuẩn, đặc biệt là trên các tấm dày.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai đều chấp nhận xử lý bề mặt tiêu chuẩn; AH36 có thể cần kiểm tra bề mặt bổ sung nếu lo ngại về nguy cơ gãy giòn hoặc mỏi.

8. Ứng dụng điển hình

LR A (sử dụng điển hình)	AH36 (sử dụng điển hình)
Các thành phần kết cấu tàu nói chung không bắt buộc phải có độ bền cao (các thành phần phụ, nội thất)	Vỏ tàu, các thành phần cấu trúc chính và các khu vực yêu cầu cường độ chịu kéo cao hơn
Thép kết cấu trên bờ cho các ứng dụng hạng nhẹ đến trung bình	Cấu trúc giàn khoan ngoài khơi, lớp vỏ boong và thân tàu chịu ứng suất cao hơn
Giá đỡ, phụ kiện và chế tạo chung không quan trọng	Khi cần tiết kiệm trọng lượng hoặc giảm độ dày thông qua vật liệu có độ bền cao hơn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn LR A cho các ứng dụng chú trọng đến hiệu quả về chi phí, dễ chế tạo và không yêu cầu độ bền kết cấu rất cao và độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp. - Chọn AH36 khi cần cân nhắc đến cường độ chịu kéo cao hơn, độ dẻo dai được cải thiện (đặc biệt là ở nhiệt độ thấp) và khả năng giảm độ dày/trọng lượng của tấm.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: LR A thường rẻ hơn tính theo tấn vì đây là loại thép kết cấu thông thường hơn với nhu cầu gia công thấp hơn. AH36 thường có giá cao hơn do kiểm soát hóa học chặt chẽ hơn, khả năng áp dụng các tuyến TMCP và các yêu cầu thử nghiệm/chứng nhận.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều có sẵn rộng rãi tại các nhà máy cán thép tấm phục vụ thị trường hàng hải và kết cấu. AH36 thường được dự trữ tại các khu vực tập trung đóng tàu hoặc chế tạo ngoài khơi; LR A vẫn được cung cấp rộng rãi cho chế tạo nói chung.
• Hình thức sản phẩm: Cả hai đều được cung cấp dưới dạng tấm cán nóng; AH36 cũng có thể được cung cấp dưới dạng tấm được kiểm soát nhiệt cơ học, điều này có thể ảnh hưởng đến thời gian giao hàng và chi phí.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Đặc điểm	LR A	AH36
Khả năng hàn	Rất tốt; thủ tục đơn giản	Tốt với WPS đủ tiêu chuẩn và đôi khi kiểm soát nhiệt độ trước
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền vừa phải, độ dẻo dai vừa đủ	Độ bền cao hơn với độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp được cải thiện
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Sự giới thiệu: - Chọn LR A nếu bạn cần loại thép kết cấu dễ chế tạo, tiết kiệm chi phí cho các ứng dụng trên tàu hoặc trên bờ không quan trọng, không yêu cầu cường độ chịu kéo cao và độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp. - Chọn AH36 nếu thành phần hoặc cấu trúc đòi hỏi độ bền kéo và độ bền kéo cao hơn, khả năng chống gãy giòn tốt hơn khi hoạt động trên biển ở nhiệt độ thấp hoặc nếu mục tiêu của dự án là giảm độ dày tấm (và do đó là giảm trọng lượng) và ngân sách cho phép kiểm soát vật liệu và chế tạo cao hơn.

Lưu ý cuối cùng: Luôn luôn xác nhận lựa chọn cuối cùng dựa trên các quy tắc của hiệp hội phân loại dự án, tiêu chuẩn quy trình hàn, chứng chỉ nhà máy vật liệu, và các yêu cầu cụ thể về nhiệt độ làm việc và độ mỏi. Khi có thắc mắc, hãy yêu cầu báo cáo thử nghiệm nhà máy và tham khảo ý kiến ​​các chuyên gia chế tạo và hàn để xác định các bước xử lý nhiệt trước, sau hàn (nếu có) và đảm bảo chất lượng phù hợp với cấp vật liệu đã chọn.