Các cấp độ thép SAE (SAE steel grades) - Thép hợp kim thấp độ bền cao (HSLA)

3. Thép hợp kim thấp độ bền cao (HSLA - High-strength low-alloy steel)

Thép hợp kim thấp độ bền cao (HSLA) là loại thép hợp kim cung cấp các tính chất cơ học tốt hơn hoặc chống ăn mòn lớn hơn so với thép carbon. Các thép HSLA khác so với các thép khác ở chỗ chúng không được chế tạo để đáp ứng một thành phần hóa học cụ thể mà là để đáp ứng tính chất cơ học cụ thể. Chúng có hàm lượng carbon giữa 0.05–0.25% để duy trì khả năng tạo hình và khả năng hàn. Các nguyên tố hợp kim khác bao gồm đến 2.0% mangan và số lượng nhỏ của đồng, nickel, Niob, nitơ, vanadi, chrom, molybden, titan, calci, các nguyên tố đất hiếm, hoặc zircon. Đồng, titan, vanadi, và Niob được bổ sung vào cho mục đích tăng bền. Những nguyên tố này được dự định để làm thay đổi cấu trúc micro của các thép carbon, mà thường là kết tụ ferrit-pearlit, để tao ra một sự phân tán rất mịn của các carbide hợp kim trong mạng ferrit gần như tinh khiết. Điều này giúp loại bỏ sự ảnh hưởng giảm độ dẻo dai của phần thể tích pearlit còn duy trì và làm tăng độ bền của vật liệu bằng làm mịn hạt, trong trường hợp của ferrit làm tăng giới hạn chảy bằng 50% cho mỗi lần giảm một nửa đường kính hạt trung bình. Kết tủa tăng bền đóng một vai trò nhỏ. Giới hạn chảy của chúng có thể bất kỳ giữa 250–590 Mpa (36,000–86,000 psi). Vì lý do độ bền và độ dẻo dai cao hơn của chúng, các thép HSLA thường yêu cầu công suất cao hơn 25-30% để tạo hình khi so với các thép carbon.

Đồng, Silic, nickel, chrom, và Phosphor được bổ sung để tăng khả năng chống ăn mòn. Zircon, calci, và các nguyên tố đất hiểm được bổ sung để kiểm soát bọc tạp chất sulfide làm tăng khả năng tạo hình. Điều này là cần thiết vì hầu hết các thép HSLA có tính chất nhạy cảm theo hướng thớ (hướng cán). Khả năng tạo hình và độ bền va đập có thể thay đổi đáng kể khi thử nghiệm theo hướng dọc và hướng ngang với hướng thớ. Uốn song song theo hướng dọc với hướng thớ có nhiều khả năng nứt xung quanh cạnh mép ngoài vì nó chịu tải kéo. Đặc tính theo hướng này được giảm đáng kể trong các thép HSLA đó là vì đã xử lý để kiểm soát hình dạng sulfide.

Chúng thường được sử dụng trong xe hơi, xe tải, cần trục, cầu, các lớp phủ ngoài trục cán và các kết cấu khác được thiết kế để giải quyết độ lớn ứng suất lớn hoặc cần tỷ lệ độ bền/khối lượng tốt. Các mặt cắt ngang và các kết cấu bằng thép HSLA thường nhẹ hơn khoảng 20 tới 30% so với thép carbon với độ bền như nhau.

Các thép HSLA cũng có khả năng chống gỉ nhiều hơn so với hầu hết các loại thép carbon bởi vì sự nghèo pearlit - các lớp mịn của ferrit (gần như sắt sạch) và cementit trong pearlit. Các thép HSLA thường có mật độ (khối lượng riêng) khoảng 7800 kg/m³.

Phân loại

 

·    Các thép phong hóa: các thép có khả năng chống ăn mòn tốt hơn. Ví dụ thông thường là COR-TEN.

·   Control-rolled steels: các thép cán nóng có cấu trúc austenite bị biến dạng cao sẽ chuyển biến thành cấu trúc ferrit đẳng trục rất mịn trong lúc nguội.

·   Các thép nghèo Pearlit: các thép hàm lượng carbon thấp dẫn đến rất ít hoặc không có pearlit, nhưng là một mạng ferrit hạt rất mịn. Nó được tăng bền bằng tôi cứng kết tủa.

·    Các thép ferrit hình kim: các thép này được đặc trưng bởi cấu trúc ferrit hình kim rất mịn có độ bền cao, hàm lượng carbon rất thấp, và khả năng tôi cứng tốt.

·    Các thép hai phase: các thép này có cấu trúc micro là ferrit mà có chứa lượng nhỏ martensit phân bố đồng đều. Cấu trúc micro này cung cấp cho thép giới hạn chảy thấp, mức độ biến cứng nguội (tăng bền cơ học) cao và khả năng tạo hình tốt.

·    Các thép hợp kim Micro: các thép có chứa bổ sung rất nhỏ của niob, vanadi, và/hoặc titan để thu được kích thước hạt mịn và/hoặc tôi cứng kết tủa.

Ví dụ loại thép hợp kim Micro thông thường là HSLA cải thiện khả năng tạo hình. Nó có giới hạn chảy lên đến 80,000 psi (550 MPa) nhưng giá thành chỉ nhiều hơn khoảng 24% so với thép A36 (36,000 psi (250 MPa)). Một trong những nhược điểm của thép này đó là tính dẻo của nó ít hơn 30-40%. Ở nước Mỹ các thép này được quyết định bởi ASTM các tiêu chuẩn A1008 / A1008M và A1011/A1011M cho tấm mỏng và A656/A656M cho tấm. Những thép này được phát triển cho ngành công nghiệp ô tô để giảm khối lượng mà không mất đi độ bền.

Các cấp độ SAE

 

Hội Kỹ sư ô tô (SAE) duy trì tiêu chuẩn cho các cấp độ thép HSLA bởi vì chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng ô tô.

Thành phần hóa học thép HSLA cấp độ SAE

Grade	% Carbon (max)	% Mangan (max)	% Phosphor (max)	% Sulfur (max)	% Silic (max)	Ghi chú
942X	0.21	1.35	0.04	0.05	0.90	Xử lý niob hoặc vanadi
945A	0.15	1.00	0.04	0.05	0.90
945C	0.23	1.40	0.04	0.05	0.90
945X	0.22	1.35	0.04	0.05	0.90	Xử lý niob hoặc vanadi
950A	0.15	1.30	0.04	0.05	0.90
950B	0.22	1.30	0.04	0.05	0.90
950C	0.25	1.60	0.04	0.05	0.90
950D	0.15	1.00	0.15	0.05	0.90
950X	0.23	1.35	0.04	0.05	0.90	Xử lý niob hoặc vanadi
955X	0.25	1.35	0.04	0.05	0.90	Xử lý niob, vanadi, hoặc nitơ
960X	0.26	1.45	0.04	0.05	0.90	Xử lý niob, vanadi, hoặc nitơ
965X	0.26	1.45	0.04	0.05	0.90	Xử lý niob, vanadi, hoặc nitơ
970X	0.26	1.65	0.04	0.05	0.90	Xử lý niob, vanadi, hoặc nitơ
980X	0.26	1.65	0.04	0.05	0.90	Xử lý niob, vanadi, hoặc nitơ

Tính chất cơ học thép HSLA cấp độ SAE

Grade	Hình dạng	Giới hạn chảy (min) [psi (MPa)]	Độ bền kéo cuối cùng (min) [psi (MPa)]
942X	Thép tấm, thép hình & thép thanh tới 4 in.	42,000 (290)	60,000 (414)
945A, C	Thép tấm mỏng & thép dải	45,000 (310)	60,000 (414)
	Thép tấm, thép hình & thép thanh:
	0–0.5 in.	45,000 (310)	65,000 (448)
	0.5–1.5 in.	42,000 (290)	62,000 (427)
	1.5–3 in.	40,000 (276)	62,000 (427)
945X	Thép tấm mỏng, thép dải, thép tấm, thép hình & thép thanh tới 1.5 in.	45,000 (310)	60,000 (414)
950A, B, C, D	Thép tấm mỏng & thép dải	50,000 (345)	70,000 (483)
	Thép tấm, thép hình & thép thanh:
	0–0.5 in.	50,000 (345)	70,000 (483)
	0.5–1.5 in.	45,000 (310)	67,000 (462)
	1.5–3 in.	42,000 (290)	63,000 (434)
950X	Thép tấm mỏng, thép dải, thép tấm, thép hình & thép thanh tới 1.5 in.	50,000 (345)	65,000 (448)
955X	Thép tấm mỏng, thép dải, thép tấm, thép hình & thép thanh tới 1.5 in.	55,000 (379)	70,000 (483)
960X	Thép tấm mỏng, thép dải, thép tấm, thép hình & thép thanh tới 1.5 in.	60,000 (414)	75,000 (517)
965X	Sheet, strip, plates, shapes & bars up to 0.75 in.	65,000 (448)	80,000 (552)
970X	Thép tấm mỏng, thép dải, thép tấm, thép hình & thép thanh tới 0.75 in.	70,000 (483)	85,000 (586)
980X	Thép tấm mỏng, thép dải & thép tấm tới 0.375 in.	80,000 (552)	95,000 (655)

Xếp hạng các tính chất khác nhau cho các cấp độ thép HSLA SAE.

Xếp hạng	Khả năng hàn	Khả năng tạo hình	Độ dai
Xấu nhất	980X	980X	980X
	970X	970X	970X
	965X	965X	965X
	960X	960X	960X
	955X, 950C, 942X	955X	955X
	945C	950C	945C, 950C, 942X
	950B, 950X	950D	945X, 950X
	945X	950B, 950X, 942X	950D
	950D	945C, 945X	950B
	950A	950A	950A
Tốt nhất	945A	945A	945A

(Dipl.Eng.IWE/EWE-Nguyễn Duy Ninh)