HRB400 مقابل HRB500 – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

HRB400 و HRB500 هما درجتان من قضبان التسليح المدلفنة على الساخن المستخدمة على نطاق واسع والتي يتم تحديدها بشكل متكرر في تصميم وبناء الخرسانة الهيكلية. يجب على المهندسين ومديري المشتريات ومخططي التصنيع تحقيق التوازن بين الأولويات المتنافسة - القوة مقابل اللدونة، قابلية اللحام مقابل القابلية للتصلب، وتكلفة المواد مقابل الأداء - عند الاختيار بين هاتين الدرجتين. تشمل سياقات القرار النموذجية تصميم الزلازل (حيث تهم اللدونة وامتصاص الطاقة)، الأعضاء المحملة بشكل كبير (حيث تكون العائد الأعلى جذابة)، وتدفقات العمل في التصنيع (حيث تكون قابلية اللحام وأداء الانحناء من الأولويات).

التمييز العملي الرئيسي بين HRB400 و HRB500 هو مستوى العائد التصميمي/الاسمي: يتم تحديد HRB400 حول عائد 400 ميغاباسكال، بينما يستهدف HRB500 حوالي 500 ميغاباسكال. يدفع هذا الهدف الأعلى للعائد الخيارات التركيبية وعملية التصنيع التي تؤثر على الأداء الميكانيكي، والمتانة، وسلوك التصنيع، ولهذا السبب يتم مقارنة الاثنين بشكل شائع في التصميم والمشتريات والإنتاج.

1. المعايير والتسميات

• GB (الصين): HRB400 و HRB500 هما تسميتان شائعتان في سلسلة GB T 1499.x الصينية لقضبان الصلب المدلفنة على الساخن للتسليح في الخرسانة.
• EN (أوروبا): يتم تعيين درجات قضبان التسليح بشكل مختلف (مثل B500B، B500C) وتتناسب تقريبًا مع HRB500 في الأداء، لكن القواعد الكيميائية واختبارها تختلف.
• ASTM/ASME (الولايات المتحدة الأمريكية): تحدد ASTM A615/A706 قضبان الدرجة 60 أو 75 (حوالي 420–520 ميغاباسكال عائد) وتشتمل على متطلبات مختلفة للحدود الكيميائية، والانفعال، وقابلية اللحام.
• JIS (اليابان): تستخدم JIS G3112 ومعايير أخرى أسماء ومعايير درجات مختلفة.
• التصنيف: HRB400 و HRB500 هما فولاذ كربوني يتم إنتاجه غالبًا كقضبان تسليح منخفضة السبيكة/عالية القوة. لا تعتبر فولاذ مقاوم للصدأ، أو فولاذ أدوات، أو فولاذ هيكلي قياسي HSLA بالمعنى الضيق، على الرغم من أن إنتاج HRB500 الحديث يستخدم عادةً السبيكة الدقيقة (V، Nb، Ti) والتحكم الحراري الميكانيكي لتحقيق الخصائص.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة

فيما يلي جدول موجز لنطاقات التركيب النموذجية التي يتم مواجهتها في القضبان المدلفنة على الساخن الحديثة التي تهدف إلى تلبية أداء فئة HRB400 و HRB500. هذه النطاقات تمثل نطاقات مدفوعة بالعملية بدلاً من قيم وصفية من أي معيار واحد - يتم تحديد الحدود الكيميائية الفعلية بواسطة المواصفة المعمول بها.

عنصر	النطاق النموذجي، HRB400 (wt%)	النطاق النموذجي، HRB500 (wt%)	ملاحظات
C	0.10 – 0.25	0.08 – 0.20	غالبًا ما يحدد HRB500 C للسيطرة على قابلية اللحام ويستخدم وسائل أخرى (Mn، السبيكة الدقيقة، التشوه) لزيادة القوة
Mn	0.40 – 1.10	0.50 – 1.30	يزيد Mn من القوة والقابلية للتصلب؛ قد يحتوي HRB500 على Mn أعلى
Si	0.10 – 0.60	0.10 – 0.60	إزالة الأكسدة؛ تؤثر على القوة
P	≤ 0.045	≤ 0.045	يتم الحفاظ عليه منخفضًا من أجل المتانة
S	≤ 0.045	≤ 0.045	يتم الحفاظ عليه منخفضًا من أجل اللدونة
Cr	trace – 0.30	trace – 0.30	عامة منخفضة؛ تستخدم أحيانًا بكميات صغيرة
Ni	trace – 0.30	trace – 0.30	نادرة في قضبان التسليح القياسية
Mo	trace	trace	غير شائع في قضبان التسليح القياسية
V	trace – 0.08	0.02 – 0.12	تستخدم السبيكة الدقيقة (V) عادةً لزيادة العائد من خلال تقوية الترسيب في HRB500
Nb	trace – 0.06	0.01 – 0.06	يمكن أن ينقي Nb الحبوب ويزيد القوة
Ti	trace – 0.03	trace – 0.03	مثبت، التحكم في الحبوب
B	trace	trace	إضافات صغيرة جدًا في بعض الفولاذات
N	trace	trace	يتفاعل مع السبيكة الدقيقة (Nb، Ti) من أجل التقوية

كيف تؤثر السبيكة على الأداء: - الكربون والمنغنيز هما المحركان الرئيسيان للقوة؛ زيادة كليهما ترفع القوة ولكن يمكن أن تقلل من قابلية اللحام واللدونة. - تمكّن عناصر السبيكة الدقيقة (V، Nb، Ti) من تحقيق عائد أعلى دون زيادة الكربون بشكل متناسب من خلال تنقية الحبوب وتقوية الترسيب، مما يحسن المتانة ويسمح بقابلية لحام أفضل من مسار الكربون العالي. - تؤثر السيليكون والمنغنيز أيضًا على إزالة الأكسدة والقوة؛ يتم التحكم في الفوسفور والكبريت لحماية المتانة.

3. الميكروهيكل واستجابة المعالجة الحرارية

تتحكم الميكروهياكل النموذجية لقضبان التسليح المدلفنة على الساخن من خلال الكيمياء والمعالجة الحرارية الميكانيكية بدلاً من المعالجات الحرارية التقليدية:

• HRB400: يتم إنتاجه غالبًا من خلال الدرفلة الساخنة التقليدية مع التبريد المنضبط لتطوير ميكروهيكل مختلط من الفريت واللؤلؤ أو المارتنسيت المقسى/الفريت واللؤلؤ حسب معدلات التبريد والسبيكة. يتحكم حجم الحبوب وتوزيع اللؤلؤ/الفريت في القوة واللدونة. يمكن أن تنقي عملية التطبيع (التبريد المنضبط بعد إعادة التسخين) الحبوب وتحسن المتانة.
• HRB500: تحقق عائدًا أعلى بشكل أساسي من خلال الدرفلة الحرارية الميكانيكية، والتبريد المعجل (التبريد المنضبط)، أو السبيكة الدقيقة. تشمل الميكروهياكل النموذجية الباينيت أو الفريت واللؤلؤ الأكثر دقة مع ترسبات موزعة من V/Nb/Ti. في بعض العمليات، يتم تصميم طبقة سطحية من المارتنسيت-باينيت مع نواة فريتية لدنة لدمج العائد العالي مع قابلية الانحناء.

أثر المعالجة: - يمكن أن يحسن التطبيع المتانة لكلتا الدرجتين من خلال تنقية هيكل الحبوب. - يزيد التبريد والتلطيف أو التبريد المعجل من القوة ولكن يتطلب تحكمًا دقيقًا للحفاظ على اللدونة وتجنب الهشاشة. - تُستخدم المعالجة الحرارية الميكانيكية المنضبطة (TMCP) على نطاق واسع لـ HRB500 للحصول على عائد مرتفع مع قابلية لدنة وقابلية لحام مقبولة دون اللجوء إلى كربون مفرط.

4. الخصائص الميكانيكية

يوفر الجدول التالي أهداف الخصائص الميكانيكية النموذجية المرتبطة عادةً بالدرجتين. القيم تشير إلى نطاق الأداء؛ القيم المضمونة الفعلية تأتي من المعيار أو المواصفة التعاقدية المعمول بها.

الخاصية	HRB400 (نموذجي)	HRB500 (نموذجي)	تعليق
قوة العائد الاسمي (ميغاباسكال)	400	500	فرق تصميم أساسي - يوفر HRB500 عائد تصميم أعلى
قوة الشد (ميغاباسكال)	~480 – 650	~540 – 750	تزداد الشد مع العائد؛ تعتمد النطاقات على حجم القضيب والمعالجة
التمدد (%)	~14 – 22	~9 – 18	تظهر HRB400 عمومًا تمددًا/لدونة أعلى
صلابة التأثير	عادة جيدة؛ تعتمد على العملية	يمكن أن تكون أقل إذا تم تحقيق القوة العالية من خلال التصلب؛ يمكن أن تحافظ TMCP على المتانة	المتانة تعتمد على العملية
الصلابة (HRB/ HRC حسب الاقتضاء)	متوسطة	أعلى	ترتبط بقوة الشد

أيها أقوى، أكثر متانة، أو أكثر لدونة: - HRB500 هو المادة الأقوى من حيث العائد وغالبًا ما تكون قوة الشد النهائية. - تميل HRB400 إلى أن تكون أكثر لدونة وقد تظهر تمددًا أعلى وامتصاصًا للطاقة في التفاصيل الحرجة للانحناء واللحام. - المتانة ليست مرتبطة بشكل صارم بالعائد؛ يمكن أن تحقق HRB500 الحديثة المنتجة عبر TMCP والسبيكة الدقيقة متانة مقبولة مقارنة بـ HRB400، ولكن يجب تحديد والتحقق من مسار الإنتاج.

5. قابلية اللحام

تعتمد قابلية اللحام لقضبان التسليح على المعادل الكربوني ووجود عناصر تزيد من القابلية للتصلب. المؤشرات الشائعة:

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

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 ارتفاع $CE_{IIW}$ أو $P_{cm}$ إلى خطر أكبر من المناطق المتأثرة بالحرارة المتصلبة والشقوق الباردة؛ قد يتطلب الأمر تسخينًا مسبقًا ودرجات حرارة بينية منضبطة. - غالبًا ما تحتوي فولاذ HRB500 على Mn أعلى وقد تشمل السبيكة الدقيقة التي تزيد من القابلية للتصلب؛ لذلك، يمكن أن تكون أقل تسامحًا في اللحام من HRB400 ما لم يتم التحكم في الكربون وتعديل إجراءات التصنيع. - يساعد استخدام مسارات إنتاج منخفضة الكربون مع السبيكة الدقيقة وTMCP في الحفاظ على قابلية اللحام في قضبان فئة HRB500. يجب أخذ تأهيل إجراءات اللحام، والتحكم في إدخال الحرارة، والتبريد بعد اللحام في الاعتبار.

6. التآكل وحماية السطح

• HRB400 و HRB500 هما فولاذ كربوني ولا يوفران مقاومة تآكل جوهرية. يجب أن تأخذ التصميم والمواصفة في الاعتبار التعرض البيئي والحماية المناسبة.
• استراتيجيات الحماية الشائعة: الغلفنة بالغمر الساخن، الطلاء بالإيبوكسي، الطلاء بالبوليمر، الحواجز الميكانيكية (غطاء الخرسانة)، أو الحماية الكاثودية حسب شدة التعرض.
• PREN (رقم مقاومة التآكل) يستخدم للسبائك المقاومة للصدأ وليس له تطبيق على فولاذ التسليح الكربوني. للرجوع:

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

لكن هذا المؤشر غير ذي صلة لدرجات HRB ما لم يتم النظر في بدائل قضبان التسليح المقاومة للصدأ أو المغلفة بالمقاومة للصدأ.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• القطع: كلا الدرجتين متشابهتان في القطع الكاشط أو الميكانيكي. قد تؤدي HRB500 عالية القوة إلى إضعاف أدوات القطع بشكل أسرع وتتطلب طاقة أعلى لعمليات القطع الباردة.
• الانحناء/التشكيل: تقدم HRB400 عمومًا هوامش أفضل للانحناء واللدونة؛ تتطلب HRB500 تحكمًا أكثر دقة في العملية وأقطار انحناء محددة لتجنب الشقوق، خاصة للأقطار الصغيرة أو حيث تم استخدام الانحناء البارد بعد معالجة مشابهة للتبريد.
• قابلية التشغيل: نادرًا ما يتم تشغيل قضبان التسليح؛ تزيد الصلابة الأعلى في HRB500 من تآكل الأدوات لأي تشغيل ثانوي.
• تشطيب السطح: تتحكم التشوهات (الأضلاع) وجودة السطح من خلال الدرفلة وجودة الفلاذ؛ يجب أن يضمن إنتاج HRB500 عبر الدرفلة المنضبطة سلامة الأضلاع والسطح لتلبية متطلبات التثبيت.

8. التطبيقات النموذجية

HRB400 – الاستخدامات النموذجية	HRB500 – الاستخدامات النموذجية
الخرسانة المسلحة العامة: الألواح، العوارض، الأساسات حيث يتم إعطاء الأولوية للاقتصاد واللدونة	الأعضاء الهيكلية المحملة بشكل كبير حيث يقلل العائد الأعلى من مقطع القضيب: الأعمدة، الهياكل ذات الامتداد الطويل، الجسور
المناطق غير الزلزالية أو الزلزالية الخفيفة، العناصر مسبقة الصب	تصاميم زلزالية عند تحديدها مع قضبان تسليح عالية القوة مؤهلة تلبي متطلبات اللدونة
البيئات التي يكون فيها الانحناء والعمل البارد شائعين أثناء التعامل في الموقع	المشاريع التي تركز على تقليل وزن الفولاذ، وزيادة الضغوط التصميمية، أو الأبعاد المقيدة
الخرسانة الكتلية والبناء الروتيني حيث تكون قابلية اللحام والانحناء روتينية	البنية التحتية المتخصصة: أكوام عالية السعة، الأعضاء المساعدة للتوتر اللاحق (بحذر)

مبررات الاختيار: - اختر HRB400 للتطبيقات التي تعطي الأولوية لللدونة، وسهولة التصنيع، والتوافر الواسع. - اختر HRB500 عندما يمكن أن يقلل العائد الأعلى بشكل ذي مغزى من حجم أو وزن العضو، شريطة أن تأخذ إجراءات التصنيع واللحام في الاعتبار احتياجات المادة عالية القوة.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة النسبية: عادةً ما تكون تكلفة HRB500 أعلى لكل طن من HRB400 بسبب المعالجة الأكثر صرامة، والإضافات المحتملة للسبيكة الدقيقة، والتحكم الأكثر دقة في الجودة. ومع ذلك، يمكن أن تكون تكلفة الهيكل أقل إذا قلل العائد الأعلى من إجمالي كتلة الفولاذ.
• التوافر: HRB400 متاحة على نطاق واسع في معظم الأسواق. يعتمد توافر HRB500 على ممارسات الإنتاج الإقليمية والطلب؛ تنتج العديد من مصانع قضبان التسليح الحديثة HRB500، لكن شكل المنتج (لفائف، قضبان مستقيمة)، الأحجام، والدرجات المعتمدة يمكن أن تختلف.
• ملاحظة الشراء: حدد مسار الإنتاج المطلوب، واختبارات التأثير، ومؤهلات اللحام في أوامر الشراء لتجنب توريد مادة HRB500 التي لا تلبي توقعات القابلية للبناء.

10. الملخص والتوصية

المقياس	HRB400	HRB500
قابلية اللحام	هامش أفضل بسبب انخفاض CE؛ تصنيع أسهل	أكثر تطلبًا؛ يتطلب إجراءات منضبطة وإمكانية تسخين مسبق
توازن القوة–المتانة	عائد اسمي أقل ولكن عمومًا لدونة أعلى	عائد أعلى؛ تعتمد المتانة على المعالجة (يفضل TMCP)
التكلفة	تكلفة أقل لكل طن؛ متاحة على نطاق واسع	تكلفة أعلى لكل طن ولكن توفير محتمل من خلال تقليل الوزن

اختر HRB400 إذا: - كان مشروعك يركز على اللدونة، والانحناء المتكرر/التشوه البارد في الموقع، وإجراءات اللحام الأبسط، أو التوافر المضمون بتكلفة أقل. - كنت بحاجة إلى قدرة تشوه أكبر في التفاصيل الزلزالية دون الاستثمار في التأهيل/الاختبار لقضبان التسليح عالية القوة.

اختر HRB500 إذا: - كنت بحاجة إلى عائد تصميم أعلى لتقليل حجم المقطع، الوزن، أو لتلبية قيود السعة الهيكلية المحددة، ويمكنك فرض ضوابط على اللحام والانحناء والمشتريات. - يستخدم مصنعك أو موردك تقنيات TMCP والسبيكة الدقيقة لتقديم HRB500 مع متانة مثبتة وإرشادات تصنيع موثقة.

ملاحظة نهائية: تعتمد الأداء العملي لـ HRB400 مقابل HRB500 أكثر على مسار الإنتاج والتحكم في الجودة بدلاً من الدرجة الاسمية وحدها. حدد معايير قبول ميكانيكية، اختبارات إلزامية (انحناء، شد، تأثير إذا لزم الأمر)، وإجراءات التصنيع/اللحام في العقود لضمان أن الدرجة المختارة تلبي الاحتياجات الهيكلية واحتياجات البناء.