ASTM A615 Gr40 مقابل Gr60 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

ASTM A615 الدرجة 40 والدرجة 60 هما من أكثر قضبان الصلب المشوهة والعادية المحددة بشكل شائع لتعزيز الخرسانة. يقوم المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو الإنتاج بتوازن الأولويات المتنافسة - القوة مقابل اللدونة، التكلفة مقابل هوامش الأمان، وسهولة التصنيع مقابل الأداء على المدى الطويل - عند الاختيار بين هاتين الدرجتين. تشمل سياقات القرار النموذجية التصميم الهيكلي للمناطق الزلزالية، وتصنيع عناصر الخرسانة مسبقة الصب، ومشاريع البنية التحتية الحساسة للتكلفة حيث يجب تقييم تبادل المواد والعمالة.

التمييز العملي الرئيسي بين الدرجتين هو قوة العائد المحددة: الدرجة 40 مخصصة لعائد أدنى أقل، بينما توفر الدرجة 60 عائدًا أدنى أعلى بشكل ملحوظ. هذا الاختلاف في المواصفات الواحدة يؤدي إلى العديد من الاختلافات اللاحقة في المعالجة، والميكروهيكل، وقابلية اللحام، وملاءمة التطبيق، ولهذا السبب غالبًا ما تتم مقارنة هاتين الدرجتين مباشرة في مناقشات التصميم والمشتريات.

1. المعايير والتسميات

• المعيار الأساسي: ASTM A615 / A615M - "مواصفة معيارية لقضبان الصلب الكربوني المشوهة والعادية لتعزيز الخرسانة."
• المعايير ذات الصلة / المتداخلة والمعادلات:
• ASME: تشير إلى ASTM A615 لمواد البناء.
• EN: تغطي معادلات قضبان التسليح في أوروبا بموجب EN 10080 وEN 1992 (Eurocode 2) مع تسميات درجات مختلفة (مثل B500B/C)، وليس تطابقًا مباشرًا واحدًا لواحد.
• JIS/GB: لدى المعايير اليابانية والصينية درجات تعزيز خاصة بها (مثل GB 1499 للصين) مع فئات قوة مماثلة ولكن بقواعد اختبار/كيمياء مختلفة.
• التصنيف: كل من ASTM A615 الدرجة 40 والدرجة 60 هما فولاذ كربوني عادي/منخفض السبيكة يستخدم كتعزيز (ليس فولاذ مقاوم للصدأ، وليس فولاذ أدوات). يتم إنتاجها عادة كفولاذ كربوني، وعندما تكون مضافات الميكرو، يمكن اعتبارها منخفضة السبيكة أو HSLA في ممارسة المطحنة - ولكن مواصفة A615 هي في الأساس معيار قضبان كربونية تركز على الخصائص الميكانيكية بدلاً من كيمياء السبيكة التفصيلية.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة

تؤكد ASTM A615 على الخصائص الميكانيكية (قوة العائد، الاستطالة) والاختبار بدلاً من التركيب الكيميائي المحدد. تختلف ممارسات المطاحن حسب المنطقة والمنتج. يوضح الجدول التالي وجود العناصر التمثيلية ونطاقات الممارسات الصناعية النموذجية؛ هذه ليست مفروضة من قبل A615 ولكنها شائعة في تصنيع قضبان التسليح.

العنصر	الوجود النموذجي / الدور
C (الكربون)	عادة ما يكون موجودًا بمستويات منخفضة إلى معتدلة لتمكين القوة من خلال بنية الحبيبات وتقوية الشد. النطاقات الصناعية النموذجية منخفضة بما يكفي للحفاظ على قابلية اللحام؛ الحدود الدقيقة محددة من قبل المورد.
Mn (المنغنيز)	مزيل الأكسدة الرئيسي ومعدل القوة؛ موجود بمستويات معتدلة لتحسين الخصائص الشد والصلابة.
Si (السيليكون)	مزيل أكسدة ومساهم في القوة؛ كميات منخفضة إلى معتدلة شائعة.
P (الفوسفور)	يتم الاحتفاظ به عند مستويات منخفضة من أجل المتانة وقابلية اللحام (شوائب ضئيلة، محدودة بممارسة المطحنة).
S (الكبريت)	يتم الاحتفاظ به منخفضًا لتجنب القصر الساخن وضعف اللدونة (شوائب ضئيلة).
Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B	عادة ما تكون غائبة أو موجودة بكميات ضئيلة/ميكروسبائكية في قضبان الكربون القياسية. بالنسبة لقضبان التسليح عالية الأداء (مثل التي يتم إنتاجها بواسطة TMCP أو الميكروسبائك)، يتم استخدام إضافات صغيرة من V أو Nb أو Ti لتقليل حجم الحبيبات وزيادة القوة دون زيادة كبيرة في الكربون.
N (النيتروجين)	يتم التحكم فيه عمومًا؛ يمكن أن يكون موجودًا بكميات ضئيلة - ذات صلة إذا تم استخدام الميكروسبائك التي تشكل النيتريد.

كيف تؤثر السبيكة على الأداء: - زيادة الكربون والمنغنيز ترفع القوة الممكن تحقيقها ولكن يمكن أن تقلل من اللدونة وقابلية اللحام. - الميكروسبائك (Nb، V، Ti) والدرفلة المتحكم بها/التبريد المتحكم به (TMCP) تنتج هياكل ميكروية من الفريت-البرليت أو الباينيت التي تزيد من قوة العائد والمتانة دون زيادات كبيرة في الكربون. - غالبًا ما تحقق منتجو قضبان التسليح الدرجة 60 إما من خلال العمل البارد (تقوية الشد) والدرفلة المتحكم بها أو عبر الميكروسبائك + المعالجة الحرارية الميكانيكية للحفاظ على اللدونة مع زيادة العائد.

3. الميكروهيكل واستجابة المعالجة الحرارية

الميكروهياكل النموذجية لدرجات قضبان A615، التي يتم إنتاجها بواسطة الدرفلة الساخنة التقليدية والتبريد، هي: - الدرجة 40: تتكون أساسًا من الفريت والبرليت مع حبيبات فريت خشنة نسبيًا. غالبًا ما يتم تحقيق الحد الأدنى الأدنى من العائد من خلال الدرفلة الساخنة القياسية ومعدلات التبريد المعتدلة. - الدرجة 60: مزيج من الفريت-البرليت أكثر دقة، أحيانًا مع شرائط باينيت عند استخدام التبريد العدواني أو الميكروسبائك. غالبًا ما يتم تحقيق قوة أعلى من خلال زيادة العمل البارد (التجعيد وسحب القضبان)، أو جداول درفلة أكثر إحكامًا، أو التحكم الحراري الميكانيكي.

آثار المعالجة الحرارية والمعالجة: - التطبيع: يمكن أن ينقي حجم الحبيبات ويحسن تجانس الخصائص الميكانيكية؛ لا يتم تطبيقه عادة كخطوة إنتاج منفصلة لقضبان التسليح التجارية بسبب التكلفة. - التبريد والتلطيف: نادر بالنسبة لقضبان A615 القياسية ولكن يستخدم في القضبان الخاصة عالية القوة؛ ينتج هياكل مارتنسيتية/باينيتية معززة بقوة أعلى وبلدونة أقل. - المعالجة الحرارية الميكانيكية المتحكم بها (TMCP): طريق شائع لرفع قوة العائد مع الحفاظ على المتانة واللدونة من خلال الدرفلة المتحكم بها والتبريد المعجل. تعتبر عناصر الميكروسبائك (Nb، V) فعالة في TMCP للحصول على أداء الدرجة 60 مع كربون أقل وقابلية لحام أفضل من تقوية الكربون فقط.

4. الخصائص الميكانيكية

تحدد ASTM A615 بوضوح الحد الأدنى من قوة العائد لدرجات مختلفة؛ تعتمد الخصائص الميكانيكية الأخرى على التصنيع، وحجم القضبان، وممارسة المنتج. يقارن الجدول أدناه أكثر المعلمات الميكانيكية بروزًا نوعيًا وأينما كان مسموحًا يعطي الحد الأدنى المفروض بموجب المواصفة.

الخاصية	الدرجة 40 (A615)	الدرجة 60 (A615)
قوة العائد (الحد الأدنى المحدد)	40 ksi (≈280 MPa)	60 ksi (≈420 MPa)
قوة الشد (نموذجية)	معتدلة - تعتمد على ممارسة المطحنة وحجم القضبان؛ عمومًا أقل من الدرجة 60	أعلى من الدرجة 40 تحت طرق الإنتاج المماثلة
الاستطالة (اللدونة)	عمومًا أعلى (أكثر لدونة) لحجم قضيب معين	عمومًا أقل من الدرجة 40؛ تقل اللدونة مع زيادة العائد
صلابة التأثير	عادة ما تكون أفضل في المتوسط للدرجة 40 عندما تكون الكيمياء والمعالجة متشابهة	عادة ما تكون أقل من الدرجة 40 إذا تم تحقيق القوة من خلال كربون أعلى أو مزيد من العمل البارد؛ يمكن أن تحافظ TMCP/الميكروسبائك على المتانة
الصلابة	أقل في المتوسط مقارنة بالدرجة 60	أعلى في المتوسط بسبب زيادة القوة (تقوية العمل أو تقوية الميكروسبائك)

تفسير: - الدرجة 60 أقوى بموجب المواصفة؛ يتم تحقيق تلك العائد الأعلى إما من خلال زيادة تقوية العمل، أو هيكل ميكروي أدق، أو سبيكة معتدلة. غالبًا ما تقلل تلك الآليات من الاستطالة ويمكن أن تقلل من المتانة إذا زادت نسبة الكربون بشكل كبير. تُستخدم TMCP والميكروسبائك عادةً لرفع العائد دون خسائر كبيرة في المتانة، مما يحافظ على الأداء الزلزالي وقابلية اللحام.

5. قابلية اللحام

تعتمد قابلية اللحام على المعادل الكربوني، وقابلية التصلب، وممارسات الميكروسبائك. هناك صيغتان تجريبيتان شائعتان لتوقع قابلية اللحام:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

و

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير (نوعي): - يشير المعادل الكربوني الأعلى (CE أو $P_{cm}$) إلى زيادة خطر التصلب في منطقة التأثير الحراري ومتطلبات تسخين مسبق/تسخين لاحق أكبر. - يمكن أن تكون الدرجة 60 المنتجة بواسطة الميكروسبائك وTMCP مع كربون متحكم فيه لها قابلية لحام مقارنة بالدرجة 40 لأن القوة يتم الحصول عليها من خلال التحكم في الهيكل الميكروي بدلاً من محتوى الكربون العالي. - ستقل قابلية اللحام للدرجة 60 التي تم تحقيقها من خلال العمل البارد أو من خلال مستويات أعلى من الكربون/المنغنيز مقارنة بالدرجة 40 وقد تتطلب تسخين مسبق، ودرجات حرارة بينية متحكم فيها، ومعادن تعبئة مناسبة. - بالنسبة لمعظم قضبان التسليح الحديثة، يتحكم المصنعون في الكيمياء ويقدمون إرشادات اللحام؛ استشر دائمًا شهادات المطحنة واتبع مواصفات إجراءات اللحام (WPS) لتوصيل قضبان التسليح أو الوصلات الملحومة.

6. التآكل وحماية السطح

• قضبان ASTM A615 هي فولاذ كربوني وليست مقاومة للصدأ؛ مقاومة التآكل محدودة. استراتيجيات الحماية الشائعة:
• طلاء الإيبوكسي: يستخدم على نطاق واسع لقضبان التسليح في البيئات التآكلية (مثل الجسور، البحرية).
• التغليف: التغليف بالغمس الساخن فعال ولكنه يضيف تكلفة وقد يؤثر على هندسة الأضلاع؛ يجب التحقق من التوافق مع القلويات الخرسانية والارتباط.
• الحواجز الميكانيكية: تغطية الخرسانة وتفاصيل التصميم للحد من دخول الكلوريد.
• PREN (عدد مقاومة التآكل) ينطبق على السبائك المقاومة للصدأ ولا ينطبق على درجات قضبان الكربون. بالنسبة للتعزيز المقاوم للصدأ، فإن المؤشر

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

مفيد، لكنه لا ينطبق على قضبان الدرجة 40/60 القياسية A615.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• القطع: كلا الدرجتين تقطع بسهولة باستخدام قطع الأكسجين والوقود، أو المناشير الكاشطة، أو الأدوات عالية السرعة؛ قد تتطلب الدرجة 60 عالية القوة بعض الجهد الإضافي مع الطرق اليدوية بسبب تقوية العمل.
• الانحناء/التشكيل: الدرجة 40 عمومًا أكثر تسامحًا في الانحناءات الميدانية وعمليات التشكيل البارد؛ تتطلب الدرجة 60 أقطار انحناء دنيا أكبر وعناية لتجنب التشقق في المناطق المنحنية باردًا - اتبع المعايير لأشعة الانحناء وحدود إعادة الانحناء.
• قابلية التشغيل: لا يتم عادةً تشغيل قضبان التسليح؛ ومع ذلك، فإن القضبان ذات القوة الأعلى أو الميكروسبائك ستكون أكثر صعوبة على أدوات القطع وتلبس المكونات بشكل أسرع.
• التشطيب: يمكن أن تؤثر المعالجات السطحية (الإيبوكسي، التغليف) على الارتباط والتعامل؛ تأكد من التوافق مع عمليات التشكيل واللحام.

8. التطبيقات النموذجية

الاستخدامات النموذجية - الدرجة 40	الاستخدامات النموذجية - الدرجة 60
الألواح المحملة بشكل خفيف، الأساسات، والخرسانة المسلحة غير الزلزالية حيث تكون الاقتصاد واللدونة من الأولويات	الأكثر شيوعًا في الخرسانة المسلحة الهيكلية (العوارض، الأعمدة، الألواح) في أكواد التصميم الحديثة؛ مفضلة للتفاصيل الزلزالية وسعة الحمل الأعلى
الأعمال المؤقتة، التعزيز الثانوي غير الحرج	بناء الطرق والجسور، المباني الشاهقة، العناصر مسبقة الصب التي تتطلب عائدًا أعلى وأحجام قضبان أصغر لنفس الحمل
المناطق/المواصفات التي تقبل القوة الأقل مع تصنيع أبسط	المشاريع التي تقلل من ازدحام قضبان التسليح (باستخدام قضبان الدرجة 60 ذات القطر الأصغر) مما يقلل من عمالة التثبيت وازدحام الخرسانة

مبررات الاختيار: - اختر الدرجة 40 عندما تكون اللدونة وسهولة التعديل الميداني هي الأهم، إذا كانت القضبان/المعايير تحدد الدرجة 40، أو إذا كانت الأحمال معتدلة وازدحام قضبان التسليح ليس مصدر قلق. - اختر الدرجة 60 عندما يسمح العائد الأعلى بأحجام قضبان أصغر، وتقليل الازدحام، أو عندما تتطلب متطلبات الأكواد/التشريعات قوة أعلى (مثل التفاصيل الزلزالية، الضغوط التصميمية العالية).

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة النسبية: عادة ما تحمل الدرجة 60 علاوة سعرية معتدلة على الدرجة 40 على أساس الوزن بسبب ممارسات الإنتاج والطلب في السوق. ومع ذلك، قد تفضل التكلفة لكل سعة هيكلية (مثل التكلفة لكل وحدة من قوة العائد أو المساحة المقطعية المطلوبة) الدرجة 60 لأن عددًا أقل أو أحجامًا أصغر من القضبان يمكن أن تحقق نفس قوة التصميم.
• التوافر: في العديد من الأسواق (خصوصًا أمريكا الشمالية)، أصبحت الدرجة 60 الآن الدرجة التجارية السائدة لقضبان التسليح ومتاحة على نطاق واسع في الانحناءات، القضبان المستقيمة، واللفائف. قد تكون الدرجة 40 أقل شيوعًا في بعض المناطق ولكنها لا تزال متاحة حيث تم تحديدها. تتوفر قضبان التسليح عالية القوة الخاصة (فوق الدرجة 60) بشكل محدود أكثر.
• أشكال المنتجات: كلا الدرجتين متاحة كقضبان مشوهة، وقضبان عادية، ولفائف؛ يختلف التوافر حسب الحجم والطول حسب المطحنة والمنطقة.

10. الملخص والتوصية

المعيار	الدرجة 40	الدرجة 60
قابلية اللحام	جيدة عمومًا (خطر CE أقل)	يمكن أن تكون جيدة إذا تم تحقيقها بواسطة TMCP/الميكروسبائك؛ قد تتطلب ضوابط إذا كانت C/Mn عالية أو عمل بارد ثقيل
توازن القوة–المتانة	عائد أقل، عمومًا لدونة ومتانة أعلى	عائد أعلى؛ يمكن أن يقلل اكتساب القوة من اللدونة ما لم يتم استخدام TMCP/الميكروسبائك
التكلفة (نموذجية)	تكلفة المواد الخام أقل لكل كجم	أعلى قليلاً لكل كجم ولكن غالبًا ما تكون فعالة من حيث التكلفة لكل وحدة سعة تصميم

التوصية: - اختر الدرجة 40 إذا: كانت تصميمك تعطي الأولوية لللدونة وسهولة التعامل الميداني، إذا كانت القضبان/المعايير تحدد الدرجة 40، أو إذا كانت الأحمال معتدلة وازدحام قضبان التسليح ليس مصدر قلق. كما أنها مناسبة حيث يجب تقليل مخاوف قابلية اللحام وحيث يكون التشكيل بعد التصنيع متكررًا. - اختر الدرجة 60 إذا: كنت بحاجة إلى قوة عائد أعلى لأحجام قضبان أصغر وتقليل الازدحام، أو الامتثال لأكواد الهيكل الحديثة (التي تفترض العديد منها قضبان تسليح عالية القوة)، أو عندما تتطلب التصميمات سعة حمل أعلى أو أداءً أفضل في التفاصيل الزلزالية. يفضل الدرجة 60 المنتجة بواسطة TMCP/الميكروسبائك إذا كانت قابلية اللحام والمتانة مهمة.

ملاحظة نهائية: تحدد ASTM A615 المتطلبات الميكانيكية، وليس الكيمياء الشاملة؛ دائمًا اطلب تقارير اختبار المطحنة (MTRs) وإرشادات التصنيع من الموردين. بالنسبة للحام، والانحناء، أو التطبيقات الهيكلية الحرجة، قم بتنسيق اختيار المواد مع تفاصيل الهيكل، وإجراءات اللحام، وشهادات المواد لضمان أن الدرجة المختارة تلبي متطلبات الأكواد وقابلية البناء.