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 Đức truyền thống được tham khảo rộng rãi trong thực tiễn châu Âu và trong nhiều chuỗi cung ứng công nghiệp. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa hai loại thép này khi cân nhắc chi phí, khả năng định hình, khả năng hàn và hiệu suất cơ học cần thiết cho các cấu kiện kết cấu và chế tạo. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc ưu tiên chi phí thấp hơn và độ dẻo cao cho xây dựng nói chung (ưu tiên thép cường độ thấp) hay giảm kích thước tiết diện và trọng lượng bằng cách chỉ định thép cường độ cao hơn (ưu tiên thép cường độ cao hơn).

Sự khác biệt thực tế chính giữa ST37 và ST52 là mức cường độ mục tiêu và các chiến lược hợp kim hóa/vi hợp kim tương ứng được sử dụng để đạt được cường độ đó: ST52 được sản xuất và xử lý để đạt được giới hạn chảy và độ bền kéo cao hơn ST37, từ đó ảnh hưởng đến độ dai, độ dẻo, khả năng hàn và tính chất tạo hình. Vì cả hai đều là thép kết cấu không gỉ, chúng thường được so sánh cho các ứng dụng như dầm, tấm, đường ống và kết cấu hàn.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• DIN (lịch sử): ST37 (thường được viết là St37-2) và ST52 (St52-3) có nguồn gốc từ loạt thép kết cấu DIN 17100 cũ hơn.
• Tương đương EN: ST37 về cơ bản có thể so sánh được với cấp EN 10025 S235 (ví dụ: S235JR/S235J0), trong khi ST52 có cấp độ bền cao hơn và thường được coi là tương đương với thép kết cấu có độ bền cao hơn (có một số điểm trùng lặp với EN S355 hoặc các loại thép có độ bền cao hơn khác tùy thuộc vào nền móng và quy trình xử lý).
• Các tiêu chuẩn khác: ASTM/ASME sử dụng danh pháp khác nhau (ví dụ: A36 ~ S235 trong một số bối cảnh), JIS và GB (Trung Quốc) sử dụng hệ thống phân loại riêng của họ; ánh xạ trực tiếp một-một yêu cầu kiểm tra tiêu chí tính chất và hóa học.
• Phân loại: Cả ST37 và ST52 đều là thép kết cấu cacbon/hợp kim thấp thông thường (không phải thép không gỉ). ST37 hoạt động như thép kết cấu cacbon thấp thông thường; ST52 thường bao gồm các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) hoặc quá trình xử lý nhiệt cơ học được kiểm soát để đạt được độ bền cao hơn mà không cần hợp kim tôi và ram nhiều.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Thành phần hóa học của ST37 và ST52 phản ánh mục tiêu hiệu suất: ST37 sử dụng hợp kim tối thiểu để duy trì khả năng tạo hình và khả năng hàn, trong khi ST52 sử dụng hợp kim cao hơn một chút và/hoặc hợp kim vi mô cùng với quá trình xử lý được kiểm soát để tăng cường độ bền kéo.

Bảng: Phạm vi thành phần điển hình (mang tính chất tham khảo; tham khảo tiêu chuẩn hiện hành hoặc giấy chứng nhận nhà máy để biết số lượng chính xác)

Yếu tố	ST37 (điển hình, giống DIN 17100 / S235)	ST52 (điển hình, DIN 17100 cường độ cao)
C (khối lượng%)	lên đến ~0,17–0,22 (thấp)	lên đến ~0,20–0,25 (thấp đến trung bình)
Mn (khối lượng%)	~0,50–1,40	~0,60–1,60
Si (khối lượng%)	lên đến ~0,30–0,40	lên đến ~0,30–0,50
P (khối lượng%)	≤ ~0,035–0,045	≤ ~0,035–0,045
S (khối lượng%)	≤ ~0,035–0,045	≤ ~0,035–0,045
Cr (khối lượng%)	thường theo dõi	thường là dấu vết (không phải là chất làm cứng chính)
Ni (khối lượng%)	thường theo dõi	thường theo dõi
Mo (khối lượng%)	thường theo dõi	có thể theo dõi nếu cần
V (khối lượng%)	thường vắng mặt	khả năng hợp kim hóa vi mô (~0,01–0,10)
Nb (khối lượng%)	thường vắng mặt	khả năng hợp kim hóa vi mô (~0,01–0,06)
Ti (khối lượng%)	thường vắng mặt	khả năng hợp kim hóa vi mô (~0,01–0,05)
B (khối lượng%)	không điển hình	hiếm khi được sử dụng
N (khối lượng%)	dấu vết	dấu vết

Ghi chú: - Các giá trị trên chỉ mang tính chất tham khảo; tiêu chuẩn DIN 17100 cho phép một số loại nền và tuyến sản xuất. Khi mua sắm, vui lòng luôn chỉ định chính xác tiêu chuẩn sửa đổi, nền và yêu cầu chứng chỉ kiểm định tại nhà máy. - Độ bền ST52 thường đạt được bằng cách kết hợp hàm lượng cacbon và mangan cao hơn một chút và bằng phương pháp hợp kim hóa vi mô (Nb, V, Ti) và/hoặc cán nhiệt cơ học thay vì bổ sung thêm hợp kim nặng như Cr/Mo/Ni. - Hiệu ứng hợp kim: C và Mn làm tăng độ bền và khả năng tôi cứng nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo nếu cao. Hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) thúc đẩy quá trình kết tủa và tăng kích thước hạt ferit-pearlit/hạt mịn hơn, cho phép sản lượng cao hơn ở hàm lượng cacbon thấp hơn.

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

• Cấu trúc vi mô ST37: ST37 cán thường có cấu trúc vi mô ferit-pearlit với các hạt ferit thô so với thép hợp kim vi mô. Cấu trúc vi mô này mang lại độ dẻo và khả năng hấp thụ năng lượng tốt.
• Cấu trúc vi mô ST52: Tùy thuộc vào sản lượng, ST52 thường có cấu trúc hạt ferit-pearlit mịn hơn với các kết tủa hợp kim vi mô (NbC, VC, TiN) có khả năng ức chế sự phát triển của hạt và tăng cường kết tủa. Quy trình xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP) thường được sử dụng để tinh chỉnh cấu trúc hạt và tăng năng suất.
• Phản ứng với xử lý nhiệt:
• Chuẩn hóa: Cả hai loại đều phản ứng với quá trình chuẩn hóa bằng cách tinh chỉnh kích thước hạt và tăng cường độ vừa phải; ST52 được hưởng lợi nhiều hơn từ TMCP so với quá trình chuẩn hóa đơn giản.
• Làm nguội và ram: Không phổ biến đối với các loại thép này trong các ứng dụng kết cấu tiêu chuẩn; chu trình làm nguội và ram tạo ra độ bền cao hơn nhiều nhưng chỉ được sử dụng khi có chỉ định và với hóa chất phù hợp để làm cứng.
• Xử lý nhiệt cơ: ST52 thường được sản xuất bằng TMCP để đạt năng suất cao với độ dẻo dai và khả năng hàn chấp nhận được; ST37 thường không yêu cầu TMCP.
• Ý nghĩa thực tiễn: ST52 có thể đạt được độ bền cao hơn trong khi vẫn duy trì độ dẻo dai chấp nhận được nhờ hợp kim hóa và chế biến vi mô, trong khi ST37 đạt được độ dẻo dai và độ dẻo dai nhờ thành phần hóa học ít carbon và cấu trúc vi mô thô hơn.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Phạm vi tính chất cơ học điển hình (dữ liệu cán/nhà cung cấp; tham khảo chứng chỉ nhà máy)

Tài sản	ST37 (điển hình)	ST52 (điển hình)
Giới hạn chảy (Rp0.2, MPa)	≈ 235 (giá trị tối thiểu chung cho thép giống S235)	lớp cao hơn — thường ở vùng 355–520 MPa tùy thuộc vào nền đất và quá trình xử lý
Độ bền kéo (MPa)	≈ 360–510	≈ 500–700 (thay đổi tùy theo nền đất và quá trình xử lý)
Độ giãn dài (%)	≈ 20–30 (độ dẻo tốt)	≈ 10–20 (độ dẻo giảm so với ST37)
Độ bền va đập	Thường ≥ 27 J ở nhiệt độ phòng (JR) hoặc nhiệt độ quy định	Có thể được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu về va đập; độ dẻo thấp hơn có thể làm giảm độ dẻo dai trừ khi sử dụng TMCP/hợp kim vi mô
Độ cứng (HB)	Thấp-trung bình (dễ gia công/tạo hình)	Cao hơn (khó gia công/tạo hình hơn)

Giải thích: - ST52 là loại thép có độ bền cao hơn; nó đạt được độ dẻo và độ bền kéo cao hơn. Độ bền cao hơn này thường đi kèm với độ dẻo (độ giãn dài thấp hơn) trừ khi được xử lý cẩn thận và hợp kim hóa vi mô để duy trì độ dẻo dai. - Độ bền va đập phụ thuộc rất nhiều vào nền đất và điều kiện thi công cụ thể (nhiệt độ, sự hiện diện của hậu tố J hoặc JR). Cả hai loại thép đều có thể được sản xuất để đáp ứng các yêu cầu cụ thể về năng lượng va đập, nhưng các loại thép có độ bền cao hơn thường cần chú ý đến độ bền va đập.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu bị ảnh hưởng bởi hàm lượng cacbon, lượng cacbon tương đương và sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim vi mô ảnh hưởng đến khả năng làm cứng và khả năng bị nứt hydro.

Chỉ số khả năng hàn chung: - Lượng cacbon tương đương IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Công thức Pcm (để đánh giá khả năng nứt lạnh): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải định tính (không có dữ liệu số ở đây): - ST37: Hàm lượng carbon thấp và hóa học đơn giản tạo ra giá trị tương đương carbon thấp, mang lại khả năng hàn tuyệt vời với nhu cầu gia nhiệt trước tối thiểu và lựa chọn kim loại hàn đơn giản. Nguy cơ nứt do hydro thấp ở độ dày thông thường. - ST52: Độ bền cao hơn và sự hiện diện tiềm năng của các nguyên tố hợp kim vi mô làm tăng khả năng tôi cứng hiệu quả và nâng cao chỉ số tương đương cacbon. Do đó, ST52 có thể yêu cầu quá trình gia nhiệt sơ bộ, nhiệt độ lớp đệm và lựa chọn kim loại điền đầy phù hợp để tránh các vùng chịu ảnh hưởng nhiệt cứng, giòn và nứt nguội trên các tiết diện dày hơn. - Hướng dẫn thực tế: Đối với ST52, hãy làm theo khuyến nghị của nhà cung cấp về quá trình gia nhiệt trước, sử dụng chất độn phù hợp hoặc hơi phù hợp khi được chỉ định, kiểm soát nguồn hydro và áp dụng xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) khi cần thiết cho các ứng dụng quan trọng.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả ST37 và ST52 đều là thép cacbon/hợp kim thấp; cả hai đều không phải thép không gỉ. Chúng dựa vào lớp bảo vệ bề mặt để chống ăn mòn.
• Các chiến lược bảo vệ điển hình: mạ kẽm nhúng nóng, mạ kẽm, phủ epoxy/polyurethane, phủ hy sinh hoặc cho phép ăn mòn trong thiết kế.
• PREN (chỉ số tương đương khả năng chống rỗ) chỉ áp dụng cho thép không gỉ và thép không gỉ hai lớp. Đối với ST37 và ST52, PREN không áp dụng: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Hiệu suất ăn mòn phần lớn không phụ thuộc vào sự khác biệt nhỏ về thành phần giữa ST37 và ST52; cả hai đều cần lớp phủ trong môi trường tiếp xúc trực tiếp. Chuẩn bị bề mặt, hệ thống lớp phủ và môi trường quyết định tuổi thọ nhiều hơn là sự khác biệt nhỏ về thành phần hợp kim.

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

• Cắt và gia công:
• ST37: Dễ gia công và cắt hơn do độ cứng thấp hơn; tuổi thọ dụng cụ và lực cắt thấp hơn.
• ST52: Lực cắt và độ mài mòn dụng cụ cao hơn do độ bền và độ cứng cao hơn; các thông số gia công phải được điều chỉnh và có thể cần nâng cấp dụng cụ.
• Uốn và tạo hình:
• ST37: Khả năng tạo hình tốt hơn và bán kính uốn cong lớn hơn được phép đối với độ dày nhất định; phù hợp cho các hoạt động cán và tạo hình nguội.
• ST52: Độ dẻo giảm có nghĩa là việc tạo hình chặt chẽ hơn đòi hỏi nhiều sự cẩn thận hơn; độ đàn hồi cao hơn và bán kính uốn tối thiểu lớn hơn trừ khi vật liệu được xử lý đặc biệt.
• Hoàn thiện bề mặt:
• Cả hai đều chấp nhận các phương pháp hoàn thiện tiêu chuẩn (mài, phun bi, sơn). Các bề mặt cứng hơn của ST52 có thể cần các phương pháp hoàn thiện mạnh mẽ hơn.

8. Ứng dụng điển hình

Bảng: Công dụng điển hình

ST37 (sử dụng điển hình)	ST52 (sử dụng thông thường)
Kết cấu thép nói chung (dầm, cột) ưu tiên độ dẻo dai và khả năng hàn cao	Các thành phần kết cấu cần tỷ lệ sức bền trên trọng lượng cao hơn (giảm độ dày của mặt cắt)
Khung, giá đỡ, kết cấu chịu tải trọng nhẹ đến trung bình được chế tạo	Khung máy móc hạng nặng, cần cẩu, các bộ phận chịu tải có ứng suất cao
Ống và ống cho các ứng dụng không chịu áp suất, các phần hàn	Ống có độ bền cao, các thành phần chịu áp lực khi được chỉ định về độ bền (có kiểm soát hàn)
Tấm và mặt cắt chung cho xây dựng dân dụng	Các ứng dụng đòi hỏi giảm trọng lượng và năng suất cao hơn (khung xe, các thành phần kết cấu ngoài khơi khi được xử lý thích hợp)

Cơ sở lựa chọn: - Chọn ST37 khi chi phí, dễ tạo hình và hàn, độ dẻo dai/độ bền cao là những yếu tố chính. - Chọn ST52 khi thiết kế yêu cầu cường độ chịu kéo cao hơn để giảm độ dày của tiết diện hoặc chịu được tải trọng tĩnh cao hơn, với điều kiện phải áp dụng các biện pháp kiểm soát chế tạo cho quá trình hàn và tạo hình.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: ST37 thường có giá thành trên mỗi tấn thấp hơn ST52 vì nó chứa ít tạp chất hợp kim vi mô hơn và cần ít xử lý hơn. ST52 thường có giá cao hơn do tạp chất hợp kim vi mô và TMCP.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều được cung cấp rộng rãi dưới dạng sản phẩm tiêu chuẩn (tấm, lá, cuộn cán nóng, tiết diện kết cấu). Vật liệu tương tự ST37 (S235) có lẽ phổ biến hơn đối với thép xây dựng đơn giản, trong khi các vật liệu tương đương ST52 có thể được chỉ định và dự trữ cho các ứng dụng đòi hỏi cường độ cao hơn; thời gian giao hàng cho các nền móng được chứng nhận, cường độ cao có thể lâu hơn một chút.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: So sánh nhanh

Tiêu chí	ST37 (cường độ thấp hơn)	ST52 (cường độ cao hơn)
Khả năng hàn	Xuất sắc	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 hơn	Độ bền cao hơn, độ dẻo có thể thấp hơn trừ khi TMCP/hợp kim vi mô
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Kết luận và hướng dẫn lựa chọn: - Chọn ST37 nếu: - Ứng dụng ưu tiên khả năng hàn, dễ tạo hình và độ dẻo cao (ví dụ: kết cấu thép nói chung, khung hàn đơn giản). - Độ nhạy về giá và nguồn cung dồi dào là quan trọng. - Độ bền va đập ở nhiệt độ môi trường và dễ chế tạo là cần thiết mà không cần xử lý nâng cao.

• Chọn ST52 nếu:
• Thiết kế này đòi hỏi độ bền kéo và độ bền kéo cao hơn để giảm kích thước tiết diện hoặc chịu tải trọng tĩnh cao hơn.
• Mục tiêu thiết kế là giảm trọng lượng hoặc tăng khả năng chịu tải và dự án có thể chấp nhận chi phí vật liệu và kiểm soát chế tạo cao hơn một chút.
• Người mua chỉ định các loại nền TMCP hoặc hợp kim siêu nhỏ và thực hiện các quy trình hàn/chế tạo phù hợp.

Lưu ý cuối cùng: ST37 và ST52 bao gồm nhiều trạng thái hóa học và xử lý. Luôn ghi rõ phiên bản tiêu chuẩn chính xác, điều kiện giao hàng (ví dụ: chuẩn hóa, TMCP), và các đặc tính cơ học và va đập cần thiết trong hồ sơ mua sắm. Yêu cầu chứng chỉ kiểm tra nhà máy và, nếu có, chứng nhận quy trình hàn và hướng dẫn gia nhiệt trước/PWHT để đảm bảo hiệu suất vận hành phù hợp với mục đích thiết kế.