HRB400 против HRB500 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

HRB400 и HRB500 — это два широко используемых класса горячекатаных арматурных стержней, которые часто указываются в проектировании и строительстве железобетонных конструкций. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства должны балансировать между конкурирующими приоритетами — прочностью и пластичностью, свариваемостью и закаливаемостью, а также стоимостью материала и его производительностью — при выборе между этими классами. Типичные контексты принятия решений включают сейсмическое проектирование (где важны пластичность и поглощение энергии), сильно нагруженные элементы (где привлекательна высокая текучесть) и процессы изготовления (где приоритетами являются свариваемость и производительность при изгибе).

Основное практическое различие между HRB400 и HRB500 заключается в их проектном/номинальном уровне текучести: HRB400 указывается с текучестью около 400 МПа, в то время как HRB500 нацелен на примерно 500 МПа. Эта более высокая цель по текучести определяет выбор состава и обработки, которые влияют на механическую производительность, прочность и поведение при изготовлении, именно поэтому эти два класса часто сравниваются в проектировании, закупках и производстве.

1. Стандарты и обозначения

• GB (Китай): HRB400, HRB500 — это общие обозначения в китайской серии GB T 1499.x для горячекатаных деформированных стальных стержней для армирования бетона.
• EN (Европа): Классы арматуры обозначаются иначе (например, B500B, B500C) и примерно соответствуют HRB500 по производительности, но химические и испытательные правила различаются.
• ASTM/ASME (США): ASTM A615/A706 указывают стержни класса 60 или 75 (приблизительно 420–520 МПа текучести) и включают различные требования к химическим пределам, удлинению и свариваемости.
• JIS (Япония): JIS G3112 и другие стандарты используют разные названия классов и критерии.
• Классификация: HRB400 и HRB500 — это углеродные стали, которые часто производятся как низколегированные/высокопрочные арматурные стержни. Они не являются нержавеющими, инструментальными или стандартными конструкционными HSLA сталями в узком смысле, хотя современное производство HRB500 обычно использует микроаллоирование (V, Nb, Ti) и термомеханический контроль для достижения свойств.

2. Химический состав и стратегия легирования

Ниже представлена краткая таблица типичных диапазонов состава, встречающихся в современных горячекатаных деформированных стержнях, предназначенных для достижения производительности класса HRB400 и HRB500. Это представительные диапазоны, определяемые процессом, а не предписанные значения из какого-либо единого стандарта — фактические химические пределы устанавливаются соответствующей спецификацией.

Элемент	Типичный диапазон, HRB400 (в%)	Типичный диапазон, HRB500 (в%)	Примечания
C	0.10 – 0.25	0.08 – 0.20	HRB500 часто ограничивает C для контроля свариваемости и использует другие средства (Mn, микроаллоирование, деформация) для повышения прочности
Mn	0.40 – 1.10	0.50 – 1.30	Mn увеличивает прочность и закаливаемость; HRB500 может содержать больше Mn
Si	0.10 – 0.60	0.10 – 0.60	Деоксидирование; влияет на прочность
P	≤ 0.045	≤ 0.045	Содержится на низком уровне для прочности
S	≤ 0.045	≤ 0.045	Содержится на низком уровне для пластичности
Cr	следы – 0.30	следы – 0.30	Как правило, низкий; иногда используется в небольших количествах
Ni	следы – 0.30	следы – 0.30	Редко в стандартной арматуре
Mo	следы	следы	Не распространен в стандартной арматуре
V	следы – 0.08	0.02 – 0.12	Микроаллоирование (V) обычно используется для повышения текучести за счет упрочнения осаждением в HRB500
Nb	следы – 0.06	0.01 – 0.06	Nb может улучшить зернистость и увеличить прочность
Ti	следы – 0.03	следы – 0.03	Стабилизатор, контроль зерна
B	следы	следы	Очень небольшие добавки в некоторых сталях
N	следы	следы	Взаимодействует с микроаллоированием (Nb, Ti) для упрочнения

Как легирование влияет на производительность: - Углерод и марганец являются основными факторами прочности; их увеличение повышает прочность, но может снизить свариваемость и пластичность. - Элементы микроаллоирования (V, Nb, Ti) позволяют достичь более высокой текучести без пропорционального увеличения углерода за счет улучшения зернистости и упрочнения осаждением, улучшая прочность и позволяя лучшую свариваемость, чем при высокоуглеродном подходе. - Кремний и марганец также влияют на деоксидирование и прочность; фосфор и сера контролируются для защиты прочности.

3. Микроструктура и реакция на термическую обработку

Типичные микроструктуры для горячекатаной арматуры контролируются химией и термомеханической обработкой, а не классическими термическими обработками:

• HRB400: Часто производится обычным горячим прокатом с контролируемым охлаждением для формирования смешанной микроструктуры феррит-перлита или закаленного мартенсита/феррит-перлита в зависимости от скоростей охлаждения и легирования. Размер зерна и распределение перлита/феррита контролируют прочность и пластичность. Нормализация (контролируемое охлаждение после повторного нагрева) может улучшить зернистость и повысить прочность.
• HRB500: Достигает более высокой текучести в основном за счет термомеханического проката, ускоренного охлаждения (контролируемое закаливание) или микроаллоирования. Типичные микроструктуры включают байнитную или более мелкую феррит-перлитную структуру с дисперсными осадками от V/Nb/Ti. В некоторых процессах создается поверхность из мартенсита-байнита с пластичным ферритным ядром, чтобы сочетать высокую текучесть с возможностью изгиба.

Эффект обработки: - Нормализация может улучшить прочность для обоих классов за счет улучшения структуры зерна. - Закалка и отпуск или ускоренное охлаждение увеличивают прочность, но требуют тщательного контроля для поддержания пластичности и избежания хрупкости. - Термомеханическая контролируемая обработка (TMCP) широко используется для HRB500 для достижения высокой текучести с приемлемой пластичностью и свариваемостью без необходимости в чрезмерном углероде.

4. Механические свойства

Следующая таблица дает характерные целевые значения механических свойств, обычно ассоциируемых с двумя классами. Значения являются индикативными для диапазона производительности; фактические гарантированные значения берутся из соответствующего стандарта или спецификации контракта.

Свойство	HRB400 (типично)	HRB500 (типично)	Комментарий
Номинальная прочность на текучесть (МПа)	400	500	Фундаментальное различие в проектировании — HRB500 обеспечивает более высокую проектную текучесть
Прочность на растяжение (МПа)	~480 – 650	~540 – 750	Прочность на растяжение увеличивается с текучестью; диапазоны зависят от размера стержня и обработки
Удлинение (%)	~14 – 22	~9 – 18	HRB400, как правило, показывает более высокое удлинение/пластичность
Ударная прочность	Обычно хорошая; зависит от процесса	Может быть ниже, если высокая прочность достигается за счет закалки; TMCP может сохранить прочность	Прочность зависит от процесса
Твердость (HRB/ HRC по мере необходимости)	Умеренная	Выше	Коррелирует с прочностью на растяжение

Что сильнее, прочнее или более пластично: - HRB500 является более прочным материалом с точки зрения текучести и часто предельной прочности на растяжение. - HRB400, как правило, более пластичен и может показывать более высокое удлинение и поглощение энергии при изгибе и критических деталях сварки. - Прочность не строго связана с текучестью; современное производство HRB500 с использованием TMCP и микроаллоирования может достичь приемлемой прочности, сопоставимой с HRB400, но маршрут производства должен быть указан и проверен.

5. Свариваемость

Свариваемость арматуры зависит от углеродного эквивалента и наличия элементов, увеличивающих закаливаемость. Общие индексы:

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

и

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

Интерпретация (качественная): - Более высокий $CE_{IIW}$ или $P_{cm}$ указывает на больший риск закаленных термически пораженных зон и холодных трещин; может потребоваться предварительный подогрев и контролируемые температуры между проходами. - Стали HRB500 часто содержат больше Mn и могут включать микроаллоирование, которое увеличивает закаливаемость; поэтому они могут быть менее прощительными при сварке, чем HRB400, если углерод не контролируется и процедуры изготовления не корректируются. - Использование низкоуглеродных производственных маршрутов в сочетании с микроаллоированием и TMCP помогает поддерживать свариваемость в стержнях класса HRB500. Квалификация сварочных процедур, контроль теплового ввода и охлаждение после сварки должны быть учтены.

6. Коррозия и защита поверхности

• HRB400 и HRB500 — это углеродные стали и не обеспечивают внутренней коррозионной стойкости. Поэтому проектирование и спецификация должны учитывать воздействие окружающей среды и соответствующую защиту.
• Общие стратегии защиты: горячее цинкование, эпоксидное покрытие, полимерное покрытие, механические барьеры (бетонное покрытие) или катодная защита в зависимости от степени воздействия.
• PREN (эквивалентный номер сопротивления коррозии) используется для нержавеющих сплавов и не применим к углеродным арматурным сталям. Для справки:

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

Но этот индекс не имеет значения для классов HRB, если не рассматриваются нержавеющие или нержавеющие альтернативы арматуры.

7. Изготовление, обрабатываемость и формуемость

• Резка: Оба класса схожи для абразивной или механической резки. Более прочная HRB500 может быстрее затуплять режущие инструменты и требовать больше энергии для операций холодной резки.
• Изгиб/формование: HRB400, как правило, предлагает лучшие возможности для изгиба и пластичности; HRB500 требует более строгого контроля процесса и указанных диаметров изгиба, чтобы избежать трещин, особенно для меньших диаметров или когда использовалась холодная обработка после закалки.
• Обрабатываемость: Арматура редко обрабатывается; более высокая твердость в HRB500 увеличивает износ инструмента для любой вторичной обработки.
• Финишная обработка поверхности: Деформации (ребра) и качество поверхности определяются качеством проката и заготовки; производство HRB500 с контролируемым прокатом должно обеспечивать целостность ребер и поверхности для соответствия требованиям анкеровки.

8. Типичные применения

HRB400 – Типичные применения	HRB500 – Типичные применения
Общий железобетон: плиты, балки, фундаменты, где приоритетом являются экономия и пластичность	Сильно нагруженные конструктивные элементы, где более высокая текучесть уменьшает поперечное сечение стержня: колонны, конструкции с большим пролетом, мосты
Несейсмические или слабо сейсмические регионы, предварительно изготовленные элементы	Сейсмические проекты, когда указаны квалифицированные высокопрочные арматурные стержни, соответствующие требованиям по пластичности
Среды, где изгиб и холодная работа распространены во время обработки на месте	Проекты, акцентирующие внимание на снижении тоннажа стали, более высоких проектных напряжениях или ограниченных размерах
Массовый бетон и рутинное строительство, где свариваемость и изгиб являются обычными	Специализированная инфраструктура: высоконагруженные сваи, вспомогательные элементы постнапряжения (с осторожностью)

Обоснование выбора: - Выберите HRB400 для приложений, придающих приоритет пластичности, легкости изготовления и широкому доступу. - Выберите HRB500, когда более высокая текучесть может существенно уменьшить размер или вес элемента, при условии, что процедуры изготовления и сварки учитывают потребности более прочного материала.

9. Стоимость и доступность

• Относительная стоимость: HRB500, как правило, стоит дороже за тонну, чем HRB400 из-за более строгой обработки, возможных добавок микроаллоирования и более жесткого контроля качества. Однако стоимость на структуру может быть ниже, если более высокая прочность снижает общую массу стали.
• Доступность: HRB400 широко доступен на большинстве рынков. Доступность HRB500 зависит от региональных производственных практик и спроса; многие современные заводы по производству арматуры производят HRB500, но форма продукта (катушка, прямые стержни), размеры и сертифицированные классы могут различаться.
• Примечание по закупкам: Укажите требуемый производственный маршрут, испытания на удар и квалификации сварки в заказах на покупку, чтобы избежать поставки материала HRB500, который не соответствует ожиданиям по конструктивности.

10. Резюме и рекомендации

Метрика	HRB400	HRB500
Свариваемость	Лучший запас за счет более низкого CE; проще в изготовлении	Более требовательный; требует контролируемых процедур и возможного предварительного подогрева
Баланс прочности и прочности	Ниже номинальная текучесть, но, как правило, выше пластичность	Выше текучесть; прочность зависит от обработки (предпочтительно TMCP)
Стоимость	Ниже стоимость за тонну; более широко доступен	Выше стоимость за тонну, но потенциальная экономия за счет снижения веса

Выберите HRB400, если: - Ваш проект акцентирует внимание на пластичности, частом изгибе/холодной деформации на месте, более простых процедурах сварки или гарантированной доступности по более низкой цене. - Вам требуется большая деформационная способность в сейсмическом проектировании без инвестиций в квалификацию/испытания для высокопрочной арматуры.

Выберите HRB500, если: - Вам нужна более высокая проектная текучесть для уменьшения размера сечения, веса или для соответствия конкретным ограничениям по несущей способности, и вы можете обеспечить контроль сварки, изгиба и закупок. - Ваш завод или поставщик использует методы TMCP и микроаллоирования для поставки HRB500 с доказанной прочностью и документированными рекомендациями по изготовлению.

Заключительная заметка: Практическая производительность HRB400 по сравнению с HRB500 зависит больше от производственного маршрута и контроля качества, чем от номинального класса. Укажите критерии механического принятия, обязательные испытания (изгиб, растяжение, удар, если требуется) и процедуры изготовления/сварки в контрактах, чтобы гарантировать, что выбранный класс соответствует структурным и строительным потребностям.