ST37 so với ST52 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

ST37 và ST52 là các mác thép kết cấu châu Âu truyền thống mà các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất vẫn gặp phải trong các thông số kỹ thuật, chứng nhận vật liệu và bản vẽ cũ. Vấn đề nan giải trong lựa chọn thường xoay quanh sự cân bằng giữa độ bền và chi phí, giữa khả năng hàn/tạo hình và hiệu suất chịu tải. Tóm lại: ST52 mang lại độ bền và khả năng chịu ứng suất thiết kế cao hơn đáng kể, trong khi ST37 dễ chế tạo hơn và chi phí vật liệu thấp hơn.

Hai loại thép này thường được so sánh vì chúng chiếm vị trí liền kề trong các họ thép kết cấu: một loại là thép cacbon có độ bền thấp, dễ gia công, phù hợp cho xây dựng thông thường; loại còn lại là thép kết cấu có độ bền cao hơn, được sử dụng trong trường hợp các đặc tính giới hạn chảy/kéo cao hơn làm giảm kích thước tiết diện hoặc trọng lượng riêng. Việc hiểu rõ thành phần, cấu trúc vi mô, phản ứng xử lý nhiệt và các tác động của quá trình chế tạo là điều cần thiết để xác định loại thép phù hợp cho một ứng dụng nhất định.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn lịch sử/khu vực:
• DIN 17100: ký hiệu ST37, ST52 ban đầu (tiêu chuẩn cũ của Đức).
• EN 10025: các tiêu chuẩn tương đương hiện đại của Châu Âu (ví dụ: chuỗi S235 ≈ ST37; chuỗi S355 ≈ ST52 trong thực hành kỹ thuật).
• ASTM/ASME: không có sự so sánh trực tiếp một-một (ASTM A36, A572 cấp 50 là các giá trị tương đương về mặt chức năng).
• JIS/GB: các hệ thống khác nhau; các tiêu chuẩn tương đương tại địa phương khác nhau và cần phải tham chiếu chéo.
• Phân loại theo loại:
• ST37: thép kết cấu cacbon thông thường/hợp kim thấp (không gỉ, không dùng cho dụng cụ).
• ST52: thép cacbon kết cấu/thép hợp kim thấp có độ bền cao hơn (thường được xử lý nhiệt cơ hoặc hợp kim vi mô để tăng năng suất).
• Cả hai đều không phải là thép không gỉ hoặc thép dụng cụ; chúng thường được coi là thép cacbon/hợp kim siêu nhỏ cấp xây dựng (tương tự như HSLA trong các loại thép tương đương hiện đại).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là các cửa sổ thành phần điển hình được sử dụng làm hướng dẫn kỹ thuật chung. Giới hạn chính xác phụ thuộc vào cấp phối cụ thể, nhà cung cấp và tiêu chuẩn áp dụng; hãy coi các con số này là phạm vi phần trăm khối lượng đại diện cho các biến thể thương mại phổ biến.

Yếu tố	ST37 điển hình (đại diện)	ST52 điển hình (đại diện)
C	≤ ~0,17–0,20 %	≤ ~0,20–0,24 %
Mn	≤ ~1,40 %	≤ ~1,40–1,60 %
Si	≤ ~0,40 %	≤ ~0,20–0,50 %
P	≤ 0,035 % (tối đa)	≤ 0,035 % (tối đa)
S	≤ 0,035 % (tối đa)	≤ 0,035 % (tối đa)
Cr	≤ 0,30 %	vết đến ≤ 0,30 %
Ni	dấu vết	dấu vết
Mo	dấu vết	dấu vết
V	thường thì không có	khả năng hợp kim hóa vi mô (≤ 0,10%)
Lưu ý	thường thì không có	khả năng hợp kim hóa vi mô (≤ 0,05%)
Ti	thường thì không có	dấu vết có thể
B	theo dõi nếu có	theo dõi nếu có
N	dấu vết	dấu vết

Chiến lược và hiệu ứng hợp kim: - ST37: thành phần nhấn mạnh hàm lượng carbon rất thấp và hợp kim tối thiểu—nhằm mục đích tạo khả năng hàn tốt, độ dẻo và quá trình cán nóng đơn giản. - ST52: hàm lượng carbon cao hơn một chút và bổ sung được kiểm soát (hoặc hợp kim vi mô với V/Nb/Ti) và kiểm soát chặt chẽ hơn đối với Mn/Si tạo ra hiệu suất và độ bền kéo cao hơn bằng cách thúc đẩy các cấu trúc vi mô ferit-pearlit mịn hơn và tăng cường kết tủa; những thay đổi này làm tăng khả năng tôi và độ bền nhưng lại làm giảm khả năng tạo hình/hàn so với ST37.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình (cán nóng):
• ST37: ferit và perlit thô đến mịn tùy thuộc vào tốc độ làm nguội; chủ yếu là nền ferit với hàm lượng perlit thấp. Cấu trúc vi mô dễ gia công và hàn theo tiêu chuẩn.
• ST52: hỗn hợp ferit-pearlit hoặc ferit-bainit hạt mịn hơn, đặc biệt khi được hợp kim hóa vi mô hoặc được sản xuất bằng quy trình kiểm soát nhiệt cơ học (TMCP). Kết tủa các hợp kim cacbua/niobi/titan cacbonitrit rất mịn trong các biến thể hợp kim hóa vi mô giúp tăng cường độ bền kéo.
• Phản ứng xử lý nhiệt:
• Chuẩn hóa/tinh chỉnh kích thước hạt: Cả hai loại đều được hưởng lợi từ việc chuẩn hóa các thành phần quan trọng để tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai; ST52 thường cho thấy độ bền tăng cao hơn nhờ làm mát có kiểm soát (TMCP) và chuẩn hóa.
• Làm nguội và ram: Không phải là phương pháp tiêu chuẩn cho các loại thép này trong ứng dụng kết cấu; có thể chuyển một trong hai phương pháp này sang điều kiện làm nguội và ram nhưng sẽ thay đổi tên gọi và tính chất—phương pháp hiện đại để có độ bền cao hơn cho thép kết cấu là TMCP và hợp kim hóa vi mô thay vì chu trình làm cứng-ram.
• Xử lý nhiệt cơ: Thép tương đương ST52 thường được TMCP sản xuất để có độ bền cao hơn với độ dẻo dai chấp nhận được; ST37 thường trải qua quá trình cán nóng đơn giản hơn với ít gia cường hơn từ biến dạng có kiểm soát.

4. Tính chất cơ học

Phạm vi tính chất cơ học tiêu biểu để hướng dẫn thiết kế (giá trị chứng nhận thực tế thay đổi tùy theo độ dày, xử lý nhiệt và cấp nền).

Tài sản	ST37 (đại diện)	ST52 (đại diện)
Giới hạn chảy tối thiểu (0,2 Rp)	~235 MPa	~355 MPa
Độ bền kéo (Rm)	~360–510 MPa	~510–680 MPa
Độ giãn dài (A, % trên 50 mm)	≥ ~22–26 %	≥ ~16–22 %
Độ bền va đập (thử nghiệm điển hình)	20–27 J ở +20 °C (thay đổi)	27 J ở −20 °C (biến thể J2) có thể
Độ cứng (HB)	~120–160 HB	~150–220 HB (cao hơn do độ bền)

Giải thích: - ST52 rõ ràng là loại thép có độ bền cao hơn (giới hạn chảy và độ bền kéo cao hơn). Độ bền này đạt được nhờ kiểm soát thành phần và quy trình xử lý (TMCP, hợp kim vi mô). - ST37 thường dẻo hơn và dễ biến dạng hơn về mặt dẻo; nó thường có độ dẻo tương đương hoặc đủ cho các ứng dụng kết cấu ở nhiệt độ môi trường xung quanh. - Độ dẻo dai phụ thuộc rất nhiều vào cấp thép phụ (ví dụ: biến thể J0, J2), độ dày và xử lý nhiệt; nhiều loại thép tương đương ST52 có khả năng chịu va đập tốt hơn ở nhiệt độ dưới 0 độ.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, các nguyên tố cacbon tương đương và sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim vi mô làm tăng khả năng tôi. Các chỉ số hữu ích:

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

• Pcm (Ito-Bessyo): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - ST37 thường có $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp hơn ST52 do hàm lượng cacbon thấp hơn và ít nguyên tố hợp kim làm tăng khả năng tôi hơn; do đó, dễ hàn hơn với nhiệt độ nung nóng trước thấp hơn và ít nguy cơ nứt nguội hơn. - Hợp kim vi mô ST52 hoặc hàm lượng C và Mn cao hơn một chút làm tăng khả năng tôi cứng; điều này làm tăng nguy cơ hình thành các cấu trúc vi mô martensitic cứng trong vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt (HAZ) khi làm nguội nhanh, đòi hỏi phải gia nhiệt trước, nhiệt độ giữa các lớp hàn và có thể phải xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) ở các phần dày hơn. - Đối với các kết cấu hàn quan trọng, hãy thực hiện đánh giá khả năng hàn dựa trên thành phần và độ dày đã đo bằng ngưỡng $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$, đồng thời bao gồm các thông số kỹ thuật quy trình hàn phù hợp (PQR/WPS).

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả ST37 và ST52 đều là thép cacbon không gỉ và dễ bị ăn mòn bởi môi trường nói chung và trong khí quyển.
• Các chiến lược bảo vệ điển hình:
• Mạ kẽm nhúng nóng cho các bộ phận ngoài trời/tiếp xúc với kho lưu trữ.
• Lớp phủ hữu cơ (lớp sơn lót epoxy, lớp phủ polyurethane) giúp tăng tính thẩm mỹ và khả năng chống ăn mòn.
• Kim loại hóa (phun nhiệt) hoặc anot hy sinh trong môi trường khắc nghiệt.
• PREN (chỉ số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho thép cacbon không gỉ. Đối với thép không gỉ hoặc thép duplex, người ta sử dụng: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ nhưng chỉ số này không áp dụng cho vật liệu ST37/ST52.

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

• Khả năng định hình:
• ST37: khả năng tạo hình nguội và uốn tốt hơn do có giới hạn chảy thấp hơn và độ giãn dài cao hơn; dễ cán, ép phanh và tạo hình kéo giãn hơn.
• ST52: khả năng tạo hình giảm; độ đàn hồi cao hơn và bán kính uốn tối thiểu lớn hơn đối với cùng độ dày.
• Khả năng gia công:
• Thép hợp kim siêu nhỏ có độ bền cao (ST52) thường khó gia công hơn một chút so với thép có độ bền thấp; độ mài mòn của dụng cụ có thể tăng do độ bền kéo cao hơn và pha cứng.
• Cả hai loại đều phản ứng tốt với chất lỏng cắt tiêu chuẩn và các phương pháp gia công; việc lựa chọn tốc độ cắt và bước tiến phải tính đến sự khác biệt về độ bền.
• Kết nối và hoàn thiện:
• ST37: các thao tác ren, đột dập nguội và tạo hình rất đơn giản.
• ST52: có thể yêu cầu dụng cụ mạnh mẽ hơn và khả năng ép; tạo lỗ và cắt ren có thể cần dụng cụ cứng hơn và tốc độ tiến dao chậm hơn.

8. Ứng dụng điển hình

ST37 (sử dụng điển hình)	ST52 (sử dụng thông thường)
Các thành phần kết cấu chung: dầm, cột, xà gồ chịu tải trọng không quan trọng	Các thành phần kết cấu có độ bền cao: đường ray cần cẩu, dầm nặng khi việc giảm tiết diện là rất quan trọng
Cấu trúc phụ, khung, các thành phần khung gầm không quan trọng	Khung chịu áp lực hàn, khung máy móc hạng nặng, các bộ phận nâng
Đường ống cho các dịch vụ áp suất thấp, các bộ phận chế tạo chung	Các ứng dụng yêu cầu khả năng chịu tải cao hơn với độ dày tiết diện giảm (ví dụ: khung gầm xe tải, các thành phần cầu)
Chế tạo trong đó chi phí và sự dễ dàng hàn/tạo hình là ưu tiên hàng đầu	Các ứng dụng yêu cầu giảm trọng lượng, hệ số an toàn cao hơn hoặc tiết diện nhỏ hơn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn ST37 khi yếu tố dễ chế tạo, chi phí thấp và độ bền ở nhiệt độ môi trường phù hợp là ưu tiên hàng đầu. Chọn ST52 khi thiết kế yêu cầu giới hạn chảy cao hơn để giảm kích thước tiết diện hoặc đáp ứng các tiêu chí tải trọng/độ cứng cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: ST37 thường rẻ hơn ST52 trên mỗi tấn do thành phần hóa học đơn giản hơn và quy trình sản xuất rộng hơn. ST52 được ưa chuộng hơn vì có độ bền cao hơn và khả năng tạo hợp kim vi mô.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này hoặc các loại thép EN hiện đại tương đương (họ S235/S355) đều có sẵn rộng rãi ở dạng tấm, cuộn, hình dạng kết cấu và tấm; tính khả dụng theo độ dày và loại nền (các biến thể đã được kiểm tra va đập) phụ thuộc vào sản phẩm của nhà máy và chuỗi cung ứng khu vực.
• Mẹo mua sắm: nêu rõ tiêu chí chấp nhận về mặt hóa học và cơ học cũng như nhiệt độ độ dẻo dai yêu cầu trên đơn đặt hàng để tránh sự mơ hồ giữa tên ST cũ và tên EN hiện tại.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Hệ mét	ST37	ST52
Khả năng hàn	Xuất sắc (CE thấp hơn)	Tốt đến trung bình (yêu cầu kiểm soát)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền thấp hơn, độ dẻo dai/độ bền cao	Độ bền cao hơn, độ dẻo dai tốt nếu được chỉ định và xử lý
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Kết luận và khuyến nghị trực tiếp: - Chọn ST37 nếu bạn ưu tiên tính dễ chế tạo, chi phí thấp hơn và khả năng hàn/tạo hình tốt cho các ứng dụng kết cấu chung và không quan trọng, trong đó giới hạn chảy thấp hơn có thể chấp nhận được. - Chọn ST52 nếu bạn cần độ bền kéo và độ bền kéo cao hơn để giảm kích thước hoặc trọng lượng tiết diện, hoặc để đáp ứng các yêu cầu về tải trọng hoặc độ mỏi cao hơn—chấp nhận chi phí vật liệu cao hơn và nhu cầu về quy trình hàn và tạo hình được kiểm soát chặt chẽ hơn.

Các bước thực tế tiếp theo để xác định thông số kỹ thuật: - Luôn luôn tham chiếu chéo các định danh ST cũ với các tiêu chuẩn hiện hành (ví dụ: S235 / S355) và yêu cầu chứng chỉ thử nghiệm tại nhà máy thể hiện tính chất hóa học và cơ học. - Đối với các thành phần hàn, dày hoặc phục vụ lạnh, hãy tính toán chỉ số tương đương cacbon và chỉ định các yêu cầu về gia nhiệt trước khi hàn/PWHT và tác động nếu có liên quan. - Khi nghi ngờ, hãy thực hiện phân tích đánh đổi đơn giản (giảm khối lượng so với chi phí chế tạo so với phí bảo hiểm vật liệu) và thực hiện đánh giá quy trình hàn khi được yêu cầu theo quy định hoặc hợp đồng.