Chuẩn hóa so với TMCP – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Thép thường hóa và thép gia công kiểm soát nhiệt cơ học (TMCP) là hai phương pháp phổ biến để sản xuất thép kết cấu với sự cân bằng khác nhau về độ bền, độ dẻo dai và chi phí. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà lập kế hoạch sản xuất thường cân nhắc các lựa chọn như tính dễ chế tạo, rủi ro hàn, đặc tính cơ học và tổng chi phí vòng đời khi lựa chọn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc chỉ định vật liệu cho các cấu kiện kết cấu hàn, lựa chọn tấm thép cho bình chịu áp lực, hoặc lựa chọn cuộn thép cho các tiết diện cán, trong đó tỷ lệ độ bền trên trọng lượng và độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp là rất quan trọng.

Sự khác biệt cơ bản nằm ở quy trình: thép thường hóa dựa trên bước xử lý nhiệt truyền thống để tinh chỉnh cấu trúc vi mô, trong khi thép TMCP đạt được kích thước hạt và độ bền tinh chỉnh thông qua quy trình cán và làm nguội được kiểm soát kết hợp với hợp kim hóa vi mô - dẫn đến chiến lược hợp kim hóa và bộ tính chất khác nhau. Vì cả hai phương pháp đều được sử dụng để đáp ứng các yêu cầu ứng dụng tương tự (ví dụ: mục tiêu giới hạn chảy/kéo và độ bền va đập), chúng thường được so sánh trong quá trình phát triển thông số kỹ thuật và đàm phán với nhà cung cấp.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các tiêu chuẩn chung bao gồm thép thường hóa và thép TMCP:

• ASTM / ASME (Hoa Kỳ): ASTM A36, A572, A709, A515, A516 — nhiều loại thép này có thể được cung cấp ở dạng chuẩn hóa hoặc TMCP; các loại thép nền cụ thể chỉ ra mức độ xử lý hoặc tính chất cơ học.
• EN / Châu Âu (EU): EN 10025 (dòng S235, S275, S355) — bao gồm các điều kiện phân phối được TMCP chỉ định (ví dụ: S355J2+N trong đó “+N” biểu thị chuẩn hóa, trong khi một số loại S355 được sản xuất theo tuyến TMCP).
• JIS (Nhật Bản): JIS G3101, G3106 dành cho thép kết cấu—có các tùy chọn chuẩn hóa và TMCP.
• GB (Trung Quốc): GB/T 699, GB/T 1591, v.v. — Chỉ định các tùy chọn HSLA và chuẩn hóa.
• ISO: nhiều tiêu chuẩn ISO tham chiếu đến các điều kiện được chuẩn hóa và xử lý nhiệt cơ học.

Các lớp vật liệu thường liên quan đến từng quy trình: - Thép thường hóa: thép các bon và các bon trung bình, một số loại thép hợp kim và thép kết cấu hợp kim thấp. - TMCP: chủ yếu là thép HSLA (hợp kim thấp cường độ cao), thường ở dạng tấm/cuộn cho các ứng dụng kết cấu và chịu áp suất. - Cả hai phương pháp đều có thể được sử dụng trên thép cacbon, thép hợp kim thấp và đôi khi là thép hợp kim siêu nhỏ; thép dụng cụ và thép không gỉ thường không được so sánh "chuẩn hóa so với TMCP" trong thực tế công nghiệp, mặc dù các chiến lược xử lý nhiệt hoặc cán tương đương được áp dụng.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	Chuẩn hóa (thép cacbon/hợp kim thấp điển hình)	TMCP (HSLA / thép hợp kim vi mô)
C	~0,10–0,60% (tùy thuộc vào: hàm lượng carbon thấp đến trung bình)	~0,02–0,18% (giữ ở mức thấp để cải thiện khả năng hàn và độ dẻo dai)
Mn	~0,30–1,50%	~0,30–1,50% (được sử dụng để tăng độ bền và khả năng làm cứng)
Si	~0,10–0,40%	~0,10–0,60% (khử oxy, tăng cường một số)
P	≤0,035%	≤0,030% (giữ ở mức thấp)
S	≤0,035%	≤0,010–0,020% (thấp hơn để có độ dẻo dai tốt hơn)
Cr	Biến đổi, hàm lượng cacbon thấp; có thể cao hơn đối với thép hợp kim	Thông thường thấp; đôi khi có ở một số cấp độ cụ thể
Ni	Có trong thép hợp kim; không phổ biến trong HSLA cơ bản	Hiếm gặp ở TMCP HSLA cơ bản
Mo	Được sử dụng trong thép hợp kim đã tôi và ram; không phổ biến trong TMCP cơ bản	Thỉnh thoảng được sử dụng với số lượng nhỏ để làm cứng
V	Thường không có hoặc thấp	0,01–0,20% (hợp kim vi mô để tinh chế hạt và tăng cường độ bền)
Nb (Nb/Ta)	Thường vắng mặt	0,01–0,06% (tinh chế hạt và tăng cường lượng mưa)
Ti	Có thể có số lượng nhỏ	0,01–0,03% (ổn định N và kiểm soát hạt)
B	Không phổ biến	Có thể sử dụng mức ppm rất thấp (một phần mười đến một ppm) để tăng khả năng tôi luyện
N	Thấp, được kiểm soát	Được kiểm soát; sử dụng với Ti để tạo thành nitrua ổn định

Ghi chú: Các giá trị chỉ ra thông lệ điển hình của ngành. Thép TMCP có hàm lượng carbon thấp và dựa vào phương pháp hợp kim hóa vi mô (Nb, V, Ti) kết hợp với cán có kiểm soát để đạt được độ bền và độ dẻo dai, trong khi thép thường hóa có thể sử dụng hàm lượng carbon cao hơn hoặc hợp kim hóa khác để đạt được các đặc tính cần thiết trước/sau bước thường hóa trong lò.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Carbon làm tăng độ bền và khả năng tôi luyện nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai. TMCP giảm thiểu carbon để duy trì khả năng hàn. - Hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) giúp tăng cường độ kết tủa và tinh chỉnh hạt trong quá trình cán nóng/làm nguội, tạo ra độ bền cao mà không cần xử lý nhiệt nhiều. - Mn giúp tăng độ cứng và độ bền kéo nhưng hàm lượng Mn quá cao có thể ảnh hưởng đến khả năng hàn. - Hợp kim với Cr, Mo, Ni phổ biến hơn khi cần độ cứng cao hơn hoặc tính chất ở nhiệt độ cao (thường là trong thép tôi và ram hơn là trong thép TMCP).

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

Tuyến đường chuẩn hóa: - Thường hóa bao gồm nung nóng trên nhiệt độ tới hạn trên để austenit hóa, sau đó làm nguội bằng không khí. Kết quả là một cấu trúc vi mô ferit-pearlit (hoặc bainit trong một số hợp kim) tương đối đồng đều, hạt mịn, tùy thuộc vào thành phần và tốc độ làm nguội. - Chuẩn hóa làm giảm hiện tượng tạo dải, tinh chỉnh kích thước hạt và tạo ra các đặc tính cơ học có thể dự đoán được trên toàn bộ độ dày nhưng thường không tạo ra được độ bền cao nhất có thể nếu không có quá trình hợp kim hóa hoặc tôi/ram bổ sung.

Tuyến TMCP: - TMCP đạt được độ tinh luyện và kiểm soát chuyển đổi hạt bằng cách cán có kiểm soát trong vùng austenit sau đó làm nguội nhanh hoặc có kiểm soát để thúc đẩy sự hình thành ferit và bainit mịn, với sự kết tủa các hợp kim siêu nhỏ cacbua/nitrit. - Quá trình cán và làm nguội ngăn chặn sự phát triển của hạt austenit thô và tạo ra các cấu trúc vi mô có hạt siêu mịn mang lại giới hạn chảy cao với độ dẻo dai tốt. - Thép TMCP thường có cấu trúc vi mô hỗn hợp (ferit mịn, các đảo bainit và các chất kết tủa phân tán) được chế tạo thông qua các thông số nhiệt cơ học thay vì xử lý nhiệt riêng biệt.

Bối cảnh làm nguội và tôi luyện (Q&T): - Thép Q&T (hàm lượng hợp kim cao hơn bao gồm Cr, Mo) tạo ra thép martensite được tôi luyện để đạt được độ bền và độ dẻo dai mong muốn—con đường này khác với con đường chuẩn hóa và TMCP nhưng có thể được sử dụng khi cần độ cứng hoặc khả năng chống mài mòn cao hơn.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	Chuẩn hóa (phạm vi điển hình)	TMCP (phạm vi điển hình của HSLA)
Độ bền kéo	~350–700 MPa (thép có hàm lượng cacbon thấp đến trung bình; cao hơn đối với các loại hợp kim)	~400–800 MPa (có thể đạt được năng suất/độ bền kéo cao ở mức carbon thấp hơn)
Sức chịu lực	~200–450 MPa	~250–700 MPa (tùy thuộc vào cấp độ)
Độ giãn dài (% tính bằng 50 mm)	18–30% (tùy thuộc vào mức độ sức mạnh)	12–25% (thường được duy trì ở cường độ cao hơn thép cacbon)
Độ bền va đập (Charpy V-notch)	Tốt đến rất tốt sau khi chuẩn hóa; tùy thuộc vào thành phần và độ dày	Tuyệt vời, đặc biệt ở nhiệt độ thấp khi các thông số TMCP được tối ưu hóa
Độ cứng (tương đương HB hoặc HRC)	Trung bình; phụ thuộc vào carbon và xử lý nhiệt	Độ cứng trung bình đến tương đối cao; có thể có độ cứng cao hơn tại chỗ do có bainite mịn

Giải thích: - Thép TMCP thường đạt được độ bền cao hơn với hàm lượng cacbon thấp hơn và độ dẻo dai tốt hơn so với thép chuẩn hóa có độ bền tương tự vì cấu trúc vi mô hạt mịn và quá trình gia cường kết tủa cải thiện sự cân bằng độ bền-độ dẻo dai. - Thép thường hóa cung cấp các đặc tính đồng nhất, có thể dự đoán được và có thể dẻo hơn ở mức độ bền tương đương tùy thuộc vào thành phần.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu phụ thuộc vào lượng cacbon tương đương và hợp kim. Hai thước đo thực nghiệm thường được sử dụng là lượng cacbon tương đương IIW và công thức Pcm:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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

Giải thích định tính: - Thép thường hóa có hàm lượng cacbon cao hơn và nhiều hợp kim hơn có thể có giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ cao hơn, cho thấy độ nhạy cao hơn với nứt nguội do hydro gây ra và cần phải gia nhiệt trước/sau và quy trình hàn được kiểm soát. - Thép TMCP được chế tạo với hàm lượng carbon thấp và hợp kim vi mô được kiểm soát để giữ hàm lượng carbon tương đương ở mức thấp; do đó, chúng thường có khả năng hàn vượt trội (yêu cầu nung nóng trước thấp hơn) trong khi vẫn duy trì được độ bền cao hơn. - Các nguyên tố vi hợp kim (Nb, V, Ti) trong thép TMCP phải được kiểm soát: chúng có thể làm tăng độ cứng cục bộ nhưng nhìn chung cần được cân bằng để tránh ảnh hưởng đến khả năng hàn. Quy trình hàn vẫn phải tính đến độ dày, độ kiềm chế và cấp thép.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

Thép không gỉ (cả thép thường hóa và thép TMCP) đều cần được bảo vệ bề mặt để chống lại môi trường ăn mòn. Các biện pháp phổ biến: - Mạ kẽm nhúng nóng - Hệ thống sơn bảo vệ (sơn lót/sơn phủ) - Xử lý kim loại (ví dụ, lớp phủ hy sinh, hệ thống song công)

Thép không gỉ nằm ngoài phạm vi so sánh thông thường với TMCP; tuy nhiên, khi đánh giá các chỉ số chống ăn mòn như PREN, công thức là:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$

Chỉ số này không áp dụng cho thép carbon hoặc thép HSLA thông thường vì hàm lượng Cr, Mo và N của chúng không đủ để đạt được khả năng chống ăn mòn ở cấp độ thép không gỉ. Đối với thép carbon/HSLA, hiệu suất chống ăn mòn đạt được thông qua lớp phủ hoặc lớp phủ chống ăn mòn.

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

• Cắt: Cả thép thường hóa và thép TMCP đều được cắt bằng phương pháp cắt cơ học hoặc nhiệt tiêu chuẩn; các biến thể có độ bền cao của TMCP có thể yêu cầu các thông số cắt mạnh mẽ hơn do có độ bền cao hơn.
• Khả năng gia công: Hàm lượng carbon hoặc hợp kim cao hơn làm giảm khả năng gia công. Thép TMCP, mặc dù có độ bền cao hơn, thường có hàm lượng carbon thấp và hàm lượng hợp kim hạn chế, do đó khả năng gia công có thể tương đương hoặc kém hơn một chút tùy thuộc vào độ cứng và cấu trúc vi mô.
• Uốn/tạo hình: Thép thường hóa thường dễ uốn hơn khi hàm lượng carbon cao hơn nhưng độ bền lại thấp hơn. Thép TMCP có độ bền chảy cao hơn có thể yêu cầu bán kính uốn hoặc dung sai tạo hình lớn hơn; tuy nhiên, độ dẻo dai tốt hơn của chúng thường giúp tránh nứt nếu quá trình tạo hình được kiểm soát.
• Hoàn thiện bề mặt và xử lý sau chế tạo: Các tấm TMCP có thể được giao với tình trạng bề mặt được tối ưu hóa để hàn và sơn; các tấm chuẩn hóa cũng chấp nhận các hoạt động hoàn thiện tiêu chuẩn.

8. Ứng dụng điển hình

Chuẩn hóa (sử dụng điển hình)	TMCP (cách sử dụng thông thường)
Dầm và tấm kết cấu nơi mà phương pháp luyện thép truyền thống và xử lý nhiệt có thể dự đoán được là ưu tiên (cầu, cột tòa nhà)	Vỏ tàu và các công trình ngoài khơi đòi hỏi độ bền cao ở nhiệt độ thấp
Tấm bình chịu áp suất khi điều kiện chuẩn hóa được chỉ định cho độ bền khía	Khung máy móc hạng nặng và cần cẩu có tỷ lệ sức bền trên trọng lượng cao hơn mang lại lợi ích
Thanh và vật rèn có hàm lượng cacbon trung bình được chuẩn hóa để có cấu trúc vi mô đồng nhất	Các thành phần ô tô và toa xe lửa cần có độ bền và độ dẻo dai với trọng lượng giảm
Chế tạo chung yêu cầu độ bền vừa phải và độ dẻo cao	Thép đường ống và ống dẫn được sản xuất bởi TMCP có độ bền, độ dẻo dai và khả năng hàn cao

Cơ sở lựa chọn: - Chọn chuẩn hóa khi có tính chất đồng nhất, hiệu suất xử lý nhiệt đã được chứng minh hoặc các yêu cầu cụ thể của mã yêu cầu chuẩn hóa nhiệt. - Chọn TMCP khi bạn cần độ bền trên trọng lượng cao hơn, độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp được cải thiện và khả năng hàn tốt hơn ở mức carbon thấp hơn cho các tấm lớn và các bộ phận kết cấu.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Thép TMCP có thể cạnh tranh về giá vì chúng đạt được độ bền cao hơn với hàm lượng hợp kim thấp hơn và không cần quá trình tôi/ram tốn nhiều năng lượng. Thép thường hóa có thể phát sinh thêm chi phí xử lý lò nung nhưng vẫn được bán rộng rãi và thường rẻ hơn so với thép tiêu chuẩn.
• Tính khả dụng: Thép thường hóa có mặt ở khắp mọi nơi dưới nhiều hình thức sản phẩm (tấm, thanh, ống). Tấm và cuộn TMCP được cung cấp rộng rãi từ các nhà máy lớn, đặc biệt là cho thị trường kết cấu và ống dẫn; một số hóa chất TMCP chuyên dụng hoặc các loại thép có độ bền rất cao có thể yêu cầu thời gian giao hàng hoặc số lượng lô tối thiểu.

Sự khác biệt về hình thức sản phẩm: - TMCP đặc biệt phổ biến đối với thép tấm và thép cuộn nặng, nơi có thể áp dụng quy trình cán có kiểm soát và làm nguội nhanh trong sản xuất. Quy trình xử lý chuẩn hóa phổ biến đối với thép thanh, thép rèn và một số loại thép tấm.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	Chuẩn hóa	TMCP
Khả năng hàn	Tốt đến trung bình (tùy thuộc vào carbon và CE)	Nói chung tốt hơn (C thấp + hợp kim vi mô)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Tốt (phụ thuộc vào carbon/hợp kim)	Tuyệt vời (độ bền cao với độ dẻo dai tốt)
Trị giá	Trung bình; có sẵn rộng rãi	Tương đương với mức trung bình; hiệu quả cho cường độ cao
Dễ chế tạo	Độ dẻo cao để tạo hình	Yêu cầu thiết kế để có năng suất cao hơn nhưng độ dẻo dai tốt

Chọn Chuẩn hóa nếu: - Ứng dụng hoặc mã của bạn chỉ định điều kiện phân phối chuẩn hóa để có độ ổn định về kích thước, phản ứng có thể dự đoán được sau khi gia công hoặc bạn cần độ bền vừa phải với độ dẻo cao. - Bạn ưu tiên các thông số kỹ thuật vật liệu đơn giản hơn, khả năng cung cấp rộng rãi và hiệu suất đã được chứng minh trong các kết cấu hàn có hàm lượng carbon cao hơn được chấp nhận bằng quy trình hàn được kiểm soát.

Chọn TMCP nếu: - Bạn cần độ bền cao hơn với độ dẻo dai được cải thiện ở nhiệt độ thấp và khả năng hàn tốt hơn ở hàm lượng carbon thấp hơn—đặc biệt đối với tấm thép nặng, kết cấu ngoài khơi, đường ống hoặc các ứng dụng mà việc giảm trọng lượng là quan trọng. - Bạn đang tìm kiếm một phương pháp tiết kiệm chi phí để tăng cường độ bền kéo mà không cần phải sử dụng hợp kim nặng hoặc xử lý tôi & ram.

Lưu ý cuối cùng: Việc lựa chọn vật liệu cần xem xét các chỉ định mác thép cụ thể, đặc tính làm nguội phụ thuộc vào độ dày, thông số kỹ thuật quy trình hàn và các yêu cầu của quy chuẩn hiện hành. Tham khảo dữ liệu nhà máy và dữ liệu thử nghiệm (thử nghiệm charpy, kéo và hàn) khi đánh giá chất lượng thép thường hóa hoặc thép TMCP cụ thể cho các ứng dụng quan trọng.