Độ cứng, độ dẻo và chịu nhiệt của thép không gỉ: hướng dẫn chọn mác

Các đặc tính vật lý cốt lõi như độ cứng, độ dẻo và khả năng chịu nhiệt quyết định trực tiếp cách thép không gỉ được gia công, lắp đặt và vận hành. Đây là nền tảng khi bạn lựa chọn mác thép cho bồn bể, ống khói, băng tải nhiệt, khuôn dập hay chi tiết chịu mài mòn. Bài viết này đi thẳng vào ba thuộc tính quan trọng nhất, cách đo lường, dải giá trị điển hình theo từng nhóm mác, và hướng dẫn chọn vật liệu phù hợp điều kiện làm việc tại xưởng và công trường ở Việt Nam.

Tổng quan nhanh về các nhóm thép không gỉ và tác động đến tính chất

– Austenitic (300-series: 304, 316, 310; 200-series: 201, 202): không nhiễm từ, rất dẻo, biến cứng nguội mạnh, không tôi cứng bằng nhiệt luyện. Chịu nhiệt và chống rão tốt nhất trong các họ thông dụng. Hệ số giãn nở nhiệt cao.
– Ferritic (400-series: 409, 430, 439): nhiễm từ, độ dẻo trung bình, không tôi cứng; dẫn nhiệt tốt hơn austenitic, giãn nở thấp hơn; giới hạn nhiệt độ làm việc thấp hơn, có nguy cơ giòn 475°C khi phơi lâu.
– Martensitic (410, 420, 440C): có thể tôi và ram để đạt độ cứng rất cao; độ dẻo thấp; khả năng chịu nhiệt hạn chế.
– Duplex (2101, 2205, 2507): cân bằng giữa austenite/ferrite; bền chảy cao, độ dẻo vừa; không dùng cho nhiệt độ cao kéo dài do nguy cơ pha sigma/giòn 475°C.
– Kết tủa bền (PH, ví dụ 17-4PH): có thể hóa bền kết tủa đạt độ cứng/độ bền rất cao; giới hạn nhiệt độ làm việc khoảng dưới 315°C–370°C tùy điều kiện.

Độ cứng: đo thế nào, bị ảnh hưởng bởi yếu tố gì, và giá trị điển hình

Độ cứng phản ánh khả năng chống lõm và mài mòn bề mặt, liên quan chặt với cường độ kéo/yield. Thử nghiệm phổ biến:
– Rockwell: HRB cho vật liệu mềm/trung bình, HRC cho vật liệu cứng; cho tấm mỏng có thể dùng HR30T.
– Brinell (HBW) và Vickers (HV): phù hợp dải rộng, HV dùng cho cả vi cứng.
– Chuẩn liên quan: ASTM E18 (Rockwell), ASTM E10 (Brinell), ASTM E92 (Vickers).

Ảnh hưởng chính:
– Thành phần/vi cấu trúc: martensitic và PH cho độ cứng cao nhất; austenitic ủ mềm có độ cứng thấp vừa phải.
– Biến cứng nguội (cold work): austenitic tăng độ cứng nhanh theo mức độ cán/kéo/dập; ví dụ 301 có tốc độ biến cứng rất cao.
– Nhiệt luyện: martensitic tôi + ram điều chỉnh HRC; PH hóa bền ở 480–620°C; austenitic/ferritic không tôi cứng bằng nhiệt luyện.

Giá trị tham khảo (ở trạng thái ủ mềm tiêu chuẩn, trừ khi ghi khác):
– 304/304L: HRB ~70–90; HV ~150–200; Rm ≥ 515 MPa, Rp0.2 ≥ 205 MPa.
– 316/316L: HRB ~80–95; HV ~160–210; Rm ≥ 515 MPa, Rp0.2 ≥ 205 MPa.
– 201: HRB ~85–98; HV ~180–230; độ bền cao hơn 304 nhưng dẻo kém hơn.
– 430 (ferritic): HRB ~70–90; HBW ~150–200; Rm ≥ 450 MPa.
– 410 (annealed): HBW ~160–200; khi tôi + ram có thể đạt HRC ~35–50 tùy chế độ.
– 17-4PH: điều kiện H900 khoảng HRC ~38–44; Rm ~ 1,200–1,300 MPa.
– 301 (cold-worked): độ cứng tăng mạnh theo phần trăm biến dạng; có thể đạt trên HRC ~30 ở mức cán cao.

Ước tính quy đổi nhanh (tham khảo): HRB 88 ~ Rm 520 MPa; HRC 20 ~ Rm 700–750 MPa; HV 200 ~ Rm ~ 640 MPa. Luôn kiểm tra theo chuẩn quy đổi chính thức cho từng dải.

Ứng dụng gợi ý theo “độ cứng”:
– Chi tiết chịu mài mòn cần bề mặt cứng: 410/420/440C tôi ram, hoặc 17-4PH; nếu cần chống gỉ cao và không nhiệt luyện được, dùng 301/304 cán cứng.
– Đồ gá, vỏ máy cần ổn định kích thước, không quá cứng để gia công: 304/316 ủ mềm (2B/BA).

Độ dẻo: đo thế nào, mác nào dễ tạo hình, mẹo gia công

Chỉ tiêu chính:
– Độ giãn dài sau đứt A% (ASTM E8/E8M): phản ánh khả năng kéo dãn trước khi gãy.
– Chỉ số biến cứng n (n-value) và khả năng chảy phẳng r (r-value) quan trọng với dập sâu/tạo hình tấm.
– Thử uốn, thử dập cốc (Erichsen) cho tấm mỏng.

Xếp hạng điển hình về độ dẻo (ở trạng thái ủ mềm):
– Austenitic 304/304L: A% thường 40–60%; rất phù hợp dập sâu, kéo vuốt, loe.
– 316/316L: tương đương 304, đôi khi dẻo thấp hơn chút do Mo tăng bền.
– 201/202: độ bền cao hơn, A% 35–50%; có xu hướng lò xo (springback) lớn hơn 304.
– Ferritic 430/439: A% 20–30%; cần bán kính uốn lớn hơn và kiểm soát hướng cán.
– Duplex 2205: A% ~25–35%; bền chảy rất cao nên lực dập lớn, bán kính uốn ≥ 2–3t.
– Martensitic (410, 420): A% 12–20% khi ủ; sau tôi ram dẻo giảm mạnh, khó tạo hình nguội.

Mẹo gia công để giữ độ dẻo và bề mặt tốt:
– Chọn hướng dập vuông góc với hướng cán để giảm nứt mép trên ferritic.
– Bán kính uốn khuyến nghị: 304 ≥ 1.0t; 430 ≥ 1.5–2.0t; duplex ≥ 2.0–3.0t. Với dập sâu, ưu tiên 304DDQ/305.
– Gia công từng bước + ủ giải ứng suất/ủ dung dịch (solution anneal) khi cần dập sâu nhiều công đoạn.
– Dùng dụng cụ sắc, bề mặt khuôn bóng, bôi trơn đủ; tránh ô nhiễm Fe tự do gây rỉ nâu sau này.

Khả năng chịu nhiệt: nhiệt độ dịch vụ, chống ôxy hóa, rão và hiện tượng giòn

Các yếu tố chính:
– Khả năng chống ôxy hóa/đóng cáu ở môi trường khí nóng.
– Creep (rão) dưới tải kéo dài ở nhiệt độ cao.
– Nhạy cảm kết tủa cacbua (sensitization) 450–850°C ở austenitic không ổn định hóa, gây suy giảm chống ăn mòn vùng ảnh hưởng nhiệt.
– Giòn 475°C ở ferritic/duplex khi phơi dài hạn; pha sigma 600–900°C gây giòn trong duplex/ferritic giàu Cr, Mo.

Giới hạn nhiệt độ làm việc trong không khí khô (tham khảo, liên hệ tiêu chuẩn/nhà sản xuất trước khi áp dụng):
– 304/304L: liên tục ~870°C, gián đoạn ~925°C; tránh phơi dài 450–850°C nếu môi trường ăn mòn có mặt.
– 316/316L: tương tự 304 về ôxy hóa; Mo cải thiện tính chịu sunfat/biển ở trung nhiệt.
– 321/347 (ổn định hóa Ti/Nb): phù hợp dịch vụ 540–870°C hạn chế nhạy cảm.
– 309S/310S: chống ôxy hóa rất tốt; 309S ~1,000–1,050°C, 310S ~1,050–1,100°C liên tục.
– 430: dùng đến ~815°C; lưu ý giòn 475°C khi sử dụng dài hạn vùng 400–550°C.
– 410/420: tốt nhất dưới ~650°C; tính rão kém.
– Duplex 2205: không khuyến nghị trên ~300°C dài hạn do giòn 475°C/pha sigma.
– 17-4PH: hạn chế ~315–370°C (tùy điều kiện hóa bền) để tránh quá già hóa làm giảm bền.

Tính chất nhiệt quan trọng khác:
– Hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính (20–100°C): austenitic 16–18×10^-6/K (304 ~17.2), ferritic 10.5–11.5×10^-6/K (430 ~10.8), duplex ~13×10^-6/K. Nghĩa là austenitic biến dạng nhiệt lớn hơn, dễ cong vênh khi hàn/nung.
– Độ dẫn nhiệt (ở 100°C): austenitic ~14–16 W/m·K; ferritic ~23–27 W/m·K; carbon steel ~50 W/m·K. Ferritic tản nhiệt tốt hơn, thuận lợi cho kết cấu chịu nhiệt vừa phải.

Ví dụ ứng dụng chịu nhiệt tại Việt Nam:
– Ống khói, buồng đốt, giàn gia nhiệt: 309S/310S cho nhiệt >900°C; 304/316 cho <800–850°C. - Hệ thống xả ô tô/xe máy: 409/439/441/430 tùy phân đoạn nhiệt và chi phí. - Băng tải lò sấy 300–500°C: ưu tiên 304/321; tránh duplex dài hạn.

Thành phần hóa học và xử lý ảnh hưởng thế nào?

– Cr (≥10.5%): nền tảng tạo lớp thụ động Cr2O3, tăng chống ôxy hóa và độ cứng nền nhẹ.
– Ni: ổn định austenite, tăng dẻo, giảm độ dẫn nhiệt, tăng giãn nở.
– Mo: tăng chống rỗ/ăn mòn kẽ (316, 2205), hơi làm dẻo giảm nhẹ.
– N: tăng bền chảy mạnh (đặc biệt 201, duplex), giảm dẻo nếu quá cao.
– C: cao → có thể tăng cứng nhưng tăng nguy cơ nhạy cảm; bản “L” (C thấp) giữ độ dẻo tốt vùng hàn.
– Ủ dung dịch austenitic (≈1,040–1,120°C, làm nguội nhanh) khôi phục dẻo, loại cacbua; martensitic cần quy trình tôi + ram; PH cần chu trình hóa bền kết tủa đặc thù.

Hướng dẫn chọn mác theo yêu cầu thực tế

Bước 1 – Xác định ưu tiên chính:
– Cần cứng/mài mòn: 410/420/440C tôi ram, hoặc 17-4PH; nếu vẫn cần chống gỉ tốt và không nhiệt luyện được → 301/304 cán cứng.
– Cần dẻo/tạo hình sâu: 304/304L/305; với chi tiết mỏng, chọn vật liệu DDQ.
– Cần chịu nhiệt: 321/347 (540–870°C), 309S/310S (>900°C), 304/316 (<850°C). - Cần bền chảy cao nhưng vẫn chống gỉ: duplex 2205 (dưới 300°C dài hạn). Bước 2 – Kiểm tra môi trường ăn mòn đi kèm: - Có Cl- nóng (>60°C): ưu tiên 316L/2205; tránh 304 nếu có ứng suất kéo và nhiệt.
– Khí SOx/Nox nóng: 309S/310S hoặc 316 tùy nhiệt độ.

Bước 3 – Xem xét quy trình gia công:
– Dập sâu nhiều bước: chọn austenitic L-grade, cân nhắc ủ giữa các bước.
– Hàn dày/đa lớp: kiểm soát nhiệt đầu vào, chọn que/kim loại điền thích hợp (ví dụ 308L cho 304, 316L dùng 316L/317L; duplex dùng 2209), làm sạch vết cháy nhiệt để phục hồi chống gỉ.

Bước 4 – Xác nhận bằng tiêu chuẩn và chứng chỉ:
– Yêu cầu cơ tính theo ASTM A240 (tấm), A276 (thanh), A554 (ống trang trí), A312 (ống áp lực); thử cơ tính theo ASTM E8, độ cứng theo ASTM E18/E10.
– Nhận mill test certificate (MTC) để đối chiếu thành phần, cơ tính, tình trạng giao hàng (2B, BA, No.1, cán cứng).

Lưu ý khi kiểm soát chất lượng tại xưởng

– Đo độ cứng sau dập/cán cứng để tránh quá giới hạn bản vẽ; với austenitic, biến cứng nguội cục bộ quanh lỗ/bavia có thể gây nứt chậm.
– Với chi tiết chịu nhiệt, đánh giá cả rão: dùng dữ liệu ứng suất cho phép theo ASME II-D nếu làm việc dài hạn.
– Kiểm soát nhiệt hàn: austenitic ít nhạy nhiệt đầu vào nhưng nên tránh quá nhiệt; duplex giữ nhiệt đầu vào và interpass theo khuyến cáo (thường <150°C) để cân bằng pha. - Xử lý bề mặt sau hàn (tẩy gỉ/passivation) để phục hồi lớp thụ động, đặc biệt trong môi trường ẩm/nhiễm muối ở miền Bắc.

Ví dụ chọn nhanh theo tình huống

– Bồn chứa, ống công nghệ thực phẩm có nhiều uốn lượn: 304L (dẻo, dễ hàn); nếu có chloride/lau rửa nóng → 316L.
– Ống khói lò đốt rác 900–1,000°C: 309S/310S cho đoạn nóng nhất; các đoạn nguội hơn dùng 304/316 để tối ưu chi phí.
– Dao cắt, trục chịu mài: 420/440C tôi ram đạt HRC 50±; nếu cần chống gỉ cao ở môi trường biển nhưng vẫn cứng → 17-4PH (H900/H1025).
– Lưới/băng tải lò sấy 300–500°C: 304/321; tránh duplex dài hạn nhiệt cao.

Các sai lầm phổ biến cần tránh

– Dùng 304 cho kết cấu chịu kéo dài hạn ở >550°C: nguy cơ rão và nhạy cảm ăn mòn.
– Dùng duplex/430 cho nhiệt độ cao kéo dài: giòn 475°C/sigma gây nứt giòn.
– Uốn gắt tấm ferritic theo hướng cán: dễ nứt mép; tăng bán kính uốn hoặc đổi hướng.
– Quên làm sạch vùng hàn: vết cháy nhiệt làm giảm mạnh chống ăn mòn và tuổi thọ.

Kết luận

– Độ cứng quyết định chống mài mòn và liên quan đến độ bền; tăng bằng biến cứng nguội (austenitic) hoặc tôi/ram, hóa bền (martensitic, PH).
– Độ dẻo chi phối khả năng dập/uốn; austenitic (304/316) là lựa chọn hàng đầu cho tạo hình, ferritic/martensitic đòi hỏi bán kính uốn lớn hơn và kiểm soát quy trình.
– Khả năng chịu nhiệt không chỉ là “nhiệt độ tối đa” mà còn là chống ôxy hóa, rão và nguy cơ giòn; 309S/310S cho nhiệt rất cao, 321/347 cho trung nhiệt ổn định, duplex hạn chế dùng dài hạn trên ~300°C.
– Lựa chọn đúng mác bắt đầu từ ưu tiên công năng (cứng, dẻo, nhiệt), tích hợp điều kiện môi trường, quy trình gia công và tiêu chuẩn kiểm soát. Luôn xác nhận bằng MTC và thử nghiệm theo ASTM/EN trước khi đưa vào sản xuất.

Nếu bạn cần bảng dữ liệu cơ tính theo chiều dày cụ thể, khuyến nghị bán kính uốn theo từng mác hoặc tư vấn thay thế tại chỗ cho dự án ở miền Bắc, hãy chuẩn hóa yêu cầu theo mác, trạng thái giao hàng và điều kiện làm việc; các thông số trên sẽ giúp bạn đóng gói kỹ thuật đầy đủ ngay từ đầu.