TP316 so với TP316L – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

TP316 và TP316L là hai loại thép không gỉ austenit có mối quan hệ mật thiết, được sử dụng rộng rãi trong đường ống, bình chịu áp lực, bộ trao đổi nhiệt và chế tạo nói chung. Các kỹ sư và quản lý mua sắm thường phải đối mặt với một tình huống khó xử trong việc lựa chọn: cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn, khả năng hàn và nhu cầu xử lý nhiệt sau hàn với độ bền, chi phí và tính khả dụng. Trong nhiều cụm sản xuất, quyết định cuối cùng phụ thuộc vào việc liệu việc giảm hàm lượng carbon (và hậu quả về mặt luyện kim) trong TP316L có biện minh cho bất kỳ sự khác biệt nào về hiệu suất cơ học hoặc giá cả hay không.

Sự khác biệt cơ bản giữa hai loại này là hàm lượng carbon tối đa: TP316L có giới hạn carbon thấp hơn đáng kể so với TP316. Việc kiểm soát carbon này chủ yếu ảnh hưởng đến khả năng kết tủa crom cacbua (nhạy cảm) trong quá trình làm nguội chậm từ nhiệt độ hàn hoặc nhiệt độ ủ dung dịch, và do đó ảnh hưởng mạnh đến quy trình hàn và các yêu cầu sau hàn. Do hàm lượng crom, niken và molypden của chúng tương đương nhau, TP316 và TP316L về khả năng chống ăn mòn và các tính chất cơ học chung trong điều kiện ủ là tương đương nhau.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các tiêu chuẩn và tên gọi chung cho các loại thép không gỉ này bao gồm: - ASTM/ASME: TP316, TP316L theo tiêu chuẩn ASTM A240 / ASME SA-240 (tấm, lá) và các thông số kỹ thuật liên quan cho thanh, ống và sản phẩm rèn. - EN: X5CrNiMo17-12-2 (≈ 316), X2CrNiMo17-12-2 (≈ 316L) thuộc dòng EN 10088. - JIS: SUS316 / SUS316L. - GB (Trung Quốc): 00Cr17Ni14Mo2 / 0Cr17Ni14Mo2 (tương đương gần đúng).

Phân loại: cả TP316 và TP316L đều là thép không gỉ austenit (loại thép không gỉ). Chúng không phải là thép cacbon hay thép HSLA/thép dụng cụ.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Chiến lược hợp kim chính cho họ 316 là cung cấp ma trận austenit (thông qua Ni), khả năng chống ăn mòn (Cr và Mo) và carbon được kiểm soát để cân bằng độ bền và rủi ro nhạy cảm.

Bảng: Phạm vi thành phần điển hình (wt%) — tham khảo tiêu chuẩn cụ thể hoặc giấy chứng nhận của nhà máy để biết giới hạn chính xác cho từng dạng sản phẩm.

Yếu tố	TP316 (dòng sản phẩm điển hình)	TP316L (dòng sản phẩm điển hình)
C (cacbon)	≤ 0,08	≤ 0,03 (hoặc ≤ 0,035 tùy thuộc vào thông số kỹ thuật)
Mn (mangan)	≤ 2.0	≤ 2,0
Si (silicon)	≤ 1,0	≤ 1,0
P (phốt pho)	≤ 0,045	≤ 0,045
S (lưu huỳnh)	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr (crom)	16,0–18,0	16,0–18,0
Ni (niken)	10,0–14,0	10,0–14,0
Mo (molypden)	2.0–3.0	2.0–3.0
V (vanadi)	thường là ≤ 0,1	thường là ≤ 0,1
Nb (niobi)	nói chung ≤ 0,1	nói chung ≤ 0,1
Ti (titan)	thường là ≤ 0,1	thường là ≤ 0,1
B (bo)	dấu vết	dấu vết
N (nitơ)	≤ 0,10 (thay đổi)	≤ 0,11 (thay đổi)

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Crom (Cr): có khả năng chống ăn mòn và thụ động nói chung. - Niken (Ni): ổn định austenit, cải thiện độ dẻo dai và độ bền. - Molypden (Mo): tăng khả năng chống rỗ và ăn mòn khe hở. - Cacbon (C): làm tăng độ bền ở mức vừa phải nhưng thúc đẩy quá trình kết tủa crom cacbua tại ranh giới hạt nếu giữ ở phạm vi nhạy cảm (khoảng 450–850 °C), làm giảm khả năng chống ăn mòn giữa các hạt. - Các nguyên tố phụ (Mn, Si, N) ảnh hưởng đến quá trình khử oxy, độ bền và độ ổn định của austenit.

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

Cấu trúc vi mô: - Cả TP316 và TP316L về cơ bản đều là austenit hoàn toàn ở trạng thái ủ. Cấu trúc hạt là austenit đẳng trục; một lượng nhỏ ferit (δ‑ferit) có thể được giữ lại tùy thuộc vào thành phần và chế độ đông đặc—đặc biệt là trong vật đúc và kim loại hàn. - Kết tủa cacbua: cacbon thúc đẩy sự hình thành crom cacbua (Cr23C6) tại ranh giới hạt trong quá trình tiếp xúc với nhiệt độ nhạy cảm, làm suy giảm crom cục bộ và cho phép tấn công giữa các hạt.

Xử lý nhiệt và chế biến: - Ủ dung dịch (điển hình): nung nóng đến $1010\text{–}1120\ ^\circ\text{C}$ (tùy theo thông số kỹ thuật) sau đó làm nguội nhanh, thường là làm nguội bằng nước, để hòa tan lại cacbua và khôi phục khả năng chống ăn mòn. - Không loại nào được gia cường bằng phương pháp xử lý nhiệt thông thường (chúng không phải là loại thép martensitic hoặc thép có thể làm cứng bằng phương pháp kết tủa); độ bền có thể tăng lên bằng cách gia công nguội. - Xử lý nhiệt cơ học (cán, gia công nguội + ủ) kiểm soát kích thước hạt và có thể ảnh hưởng đến độ dẻo dai; gia công nguội nặng làm tăng độ bền và giảm độ dẻo. - Đối với các bộ phận hàn: Hàm lượng carbon thấp hơn của TP316L làm giảm lực dẫn động tạo kết tủa cacbua trong quá trình làm nguội chậm; TP316 có thể cần ủ dung dịch sau khi hàn nhiều hoặc hàn nhiều nếu yêu cầu khả năng chống ăn mòn liên hạt tối đa.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học phụ thuộc vào hình dạng sản phẩm (tấm, lá, ống, thanh), mức độ gia công nguội và xử lý nhiệt. Bảng dưới đây cung cấp các dải nhiệt độ ủ điển hình, đại diện cho lựa chọn kỹ thuật. Luôn kiểm tra bằng chứng nhận thử nghiệm tại nhà máy.

Tính chất (ủ)	TP316 (điển hình)	TP316L (điển hình)
Độ bền kéo (MPa)	~480–620	~480–620
Giới hạn chảy, độ lệch 0,2% (MPa)	~170–310	~140–290
Độ giãn dài (A, %)	≥ 40% (thay đổi)	≥ 40% (thay đổi)
Độ bền va đập	Tốt—duy trì độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp (không được chỉ định theo tiêu chuẩn)	Tốt—tương tự như TP316
Độ cứng (HB/HRB)	Ủ: thường là ≤ 200 HV (≈ ≤ 95 HRB)	Ủ: thường là ≤ 200 HV (≈ ≤ 95 HRB)

Giải thích: - Độ bền: độ bền kéo danh nghĩa tương tự nhau vì hợp kim cơ bản tương tự nhau; TP316 có thể cho thấy độ bền cao hơn một chút do hàm lượng cacbon cao hơn, nhưng sự khác biệt là không đáng kể trong điều kiện ủ. - Độ dẻo dai và độ dai: cả hai đều có độ dẻo dai và độ bền cao; TP316L có thể có độ dẻo dai và khả năng định hình tốt hơn một chút trong một số hoạt động do năng suất thấp hơn. - Độ cứng: cả hai đều mềm khi ủ; gia công nguội sẽ làm tăng đáng kể độ cứng và độ bền.

5. Khả năng hàn

Thép không gỉ họ Austenitic 316 là một trong những loại thép không gỉ dễ hàn nhất, nhưng hàm lượng cacbon ảnh hưởng đến lựa chọn vật liệu hàn, quy trình gia nhiệt trước/sau và nhu cầu xử lý nhiệt sau khi hàn.

Những lưu ý quan trọng khi hàn: - Rủi ro nhạy cảm: hàm lượng carbon cao hơn làm tăng nguy cơ kết tủa crom cacbua trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) trong quá trình làm nguội chậm. Hàm lượng carbon thấp hơn của TP316L giúp giảm đáng kể rủi ro này và do đó được ưu tiên sử dụng khi cần khả năng chống ăn mòn sau hàn hoặc hàn mở rộng. - Nứt nóng: thép không gỉ austenit được hưởng lợi từ một lượng δ-ferrite còn lại trong kim loại hàn để chống nứt nóng. Thành phần và chế độ đông đặc quyết định hàm lượng ferrite thu được. - Kim loại độn: thường sử dụng kim loại phù hợp hoặc kim loại ít cacbon (ví dụ: ER316/ER316L); đối với các mối nối không giống nhau, hãy sử dụng kim loại độn chuyển tiếp thích hợp (ví dụ: 309 đối với mối nối ferritic sang austenitic).

Các chỉ số thực nghiệm hữu ích (diễn giải theo hướng định tính): - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}$$ Chỉ số $CE_{IIW}$ cao hơn cho thấy khả năng tôi luyện tăng lên và khả năng nứt nguội khi hàn cao hơn ở thép cacbon; đối với thép không gỉ austenit, chỉ số này có thể được sử dụng để so sánh định tính khả năng hình thành các cấu trúc vi mô không mong muốn trong quá trình hàn. - Hệ số rỗ và nứt hàn: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn + Cu}{20} + \frac{Cr + Mo + V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ $P_{cm}$ cao hơn ngụ ý những thách thức lớn hơn về khả năng hàn đối với các loại thép không gỉ; lượng carbon thấp hơn làm giảm $P_{cm}$.

Giải thích: - TP316L đảm bảo chống nhạy cảm tốt hơn mà không cần ủ dung dịch sau hàn. Trong các kết cấu không thể ủ sau hàn (bể chứa lớn, hàn tại hiện trường), TP316L là lựa chọn an toàn hơn. - TP316 có thể được sử dụng ở những nơi có hạn chế về hàn, có thể ủ sau khi hàn hoặc nơi cần độ bền/khả năng chống rão cao hơn một chút ở nhiệt độ cao.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

Thép không gỉ họ 316 dựa vào màng oxit crom thụ động để chống ăn mòn. Molypden cải thiện khả năng chống ăn mòn cục bộ (rỗ, ăn mòn khe).

Số tương đương khả năng chống rỗ (PREN) đôi khi được sử dụng để so sánh khả năng chống ăn mòn cục bộ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Đối với thép 316/316L thông thường (Cr vừa phải, ~2–3% Mo, N thấp), PREN cho thấy khả năng chống rỗ vừa phải so với thép duplex hoặc siêu austenit.

Ghi chú: - Cả TP316 và TP316L đều có khả năng chống ăn mòn khối tương tự nhau vì hàm lượng Cr, Ni và Mo tương tự nhau; carbon không trực tiếp làm thay đổi khả năng chống rỗ nhưng gián tiếp ảnh hưởng đến hiệu suất ăn mòn bằng cách thúc đẩy quá trình nhạy cảm hóa và ăn mòn giữa các hạt nếu cacbua hình thành. - Các phương pháp bảo vệ bề mặt (mạ kẽm, sơn) áp dụng cho thép không gỉ; đối với các chất nền thép không gỉ, các phương pháp xử lý thụ động hóa (ngâm axit, thụ động hóa nitric) được sử dụng để phục hồi hoặc tăng cường lớp màng thụ động.

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

• Tạo hình: Cả hai loại thép đều có khả năng tạo hình tuyệt vời trong điều kiện ủ. Giới hạn chảy thấp hơn một chút của TP316L có thể giúp việc kéo và dập sâu dễ dàng hơn một chút và giảm hiện tượng đàn hồi.
• Khả năng gia công: Thép không gỉ austenit hóa cứng nhanh và có khả năng gia công kém hơn so với thép cacbon. Cần có dụng cụ chuyên dụng, thiết lập cứng vững và tốc độ/bước tiến dao phù hợp. TP316 và TP316L có khả năng gia công tương tự nhau; một số khác biệt nhỏ phát sinh từ xu hướng gia công nguội.
• Hoàn thiện: Đánh bóng điện hóa và đánh bóng cơ học là phổ biến. TP316L được hưởng lợi từ việc giảm nguy cơ nhạy cảm trong quá trình tiếp xúc nhiệt trong quá trình chế tạo.
• Ép nguội làm tăng đáng kể độ bền và giảm độ dẻo; ủ dung dịch sau khi tạo hình khôi phục hoàn toàn khả năng chống ăn mòn nếu lo ngại về độ nhạy cảm.

8. Ứng dụng điển hình

TP316 (sử dụng)	TP316L (sử dụng)
Ống trao đổi nhiệt khi cần có độ bền/khả năng chống rão cao hơn ở nhiệt độ cao vừa phải; các thành phần bình chịu áp suất khi có kế hoạch ủ sau khi hàn	Các bồn và bình hàn lớn dùng cho quá trình xử lý hóa chất/dược phẩm, trong đó việc giảm thiểu xử lý nhiệt sau hàn là rất quan trọng
Thiết bị ngoài khơi và hàng hải có khả năng chống ăn mòn ở mức độ vừa phải (trong đó Mo có khả năng chống rỗ)	Hệ thống đường ống, phụ kiện và thiết bị vệ sinh nơi diễn ra hoạt động hàn tại hiện trường rộng rãi
Các ốc vít, bu lông và các bộ phận sẽ được gia công nguội để tăng độ bền	Các ứng dụng đông lạnh, dược phẩm và thiết bị y tế trong đó carbon thấp được ưu tiên để tránh ô nhiễm và nhạy cảm
Một số thiết bị xử lý hóa chất có chế tạo bao gồm hàn hạn chế	Bồn chứa thực phẩm, bia và lưu trữ có yêu cầu hàn cao

Cơ sở lựa chọn: - Chọn TP316 khi cần độ bền cao hơn một chút hoặc tính chất chịu nhiệt độ cao và khi mối hàn có thể được ủ trong dung dịch hoặc điều kiện sử dụng không có nguy cơ gây nhạy cảm. - Chọn TP316L khi hàn nhiều, không thực hiện được xử lý nhiệt sau hàn và cần đảm bảo tối đa khả năng chống ăn mòn giữa các hạt.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Ở hầu hết các thị trường, TP316 và TP316L có giá tương đương nhau do việc bổ sung hợp kim cơ bản (Ni, Mo) chiếm phần lớn chi phí; TP316L có thể có giá cao hơn một chút ở một số dạng sản phẩm do các biện pháp kiểm soát xử lý bổ sung. Giá cả chịu ảnh hưởng lớn từ thị trường niken và molypden toàn cầu.
• Tính khả dụng: Cả hai loại đều được cung cấp rộng rãi dưới dạng tấm, tấm, ống, thanh, vật liệu rèn và vật tư hàn. TP316L thường được dự trữ cho các ứng dụng đường ống và vệ sinh; TP316 phổ biến trong ống trao đổi nhiệt và một số thành phần chịu áp suất.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Hệ mét	TP316	TP316L
Khả năng hàn (khả năng chống nhạy cảm)	Tốt; cần thận trọng khi hàn nặng	Tốt hơn cho hàn nặng/hàn ngoài trời; nguy cơ gây dị ứng thấp
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Năng suất cao hơn một chút trong một số điều kiện; độ bền kéo và độ dẻo dai tương tự	Năng suất thấp hơn một chút; độ dẻo dai và độ dai tuyệt vời
Chi phí và tính khả dụng	Có thể so sánh được; có thể ít hơn một chút ở một số thị trường	Có thể so sánh được; có sẵn rộng rãi cho các sản phẩm hàn

Kết luận — hướng dẫn thực tế - Chọn TP316L nếu: thiết kế của bạn liên quan đến hàn mở rộng hoặc hàn tại hiện trường, bạn không thể thực hiện ủ dung dịch sau hàn hoặc cần bảo vệ tối đa chống ăn mòn giữa các hạt (ví dụ: bồn chứa dược phẩm, thực phẩm, hóa chất, đường ống hàn dài). - Chọn TP316 nếu: bạn cần độ bền kéo hoặc độ bền chảy cao hơn một chút có sẵn trong một số quá trình nung, bạn có thể áp dụng xử lý nhiệt sau hàn có kiểm soát (ủ dung dịch) khi cần thiết hoặc nếu thông số kỹ thuật yêu cầu sử dụng TP316 để tương thích với các thành phần và quy trình chế tạo hiện có.

Lưu ý cuối cùng: Cả hai loại thép không gỉ đều là loại thép không gỉ đa dụng tuyệt vời. Vui lòng ghi rõ tiêu chuẩn chính xác, yêu cầu về hiệu suất chống ăn mòn, hàm lượng carbon tối đa cho phép (và liệu các biến thể ổn định như 316Ti hoặc 316Cb có được chấp nhận hay không), và các quy trình xử lý sau chế tạo cần thiết trên hồ sơ mua sắm. Luôn xác nhận dữ liệu cơ học và hóa học với chứng chỉ kiểm tra nhà máy cho từng dạng sản phẩm và lô nhiệt cụ thể trong đơn hàng.