HRB400 против HRB500E – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

HRB400 и HRB500E широко используются в строительстве и инженерных конструкциях как горячекатаные рифленые арматурные стали (арматура). Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто взвешивают компромиссы между стоимостью, возможностью строительства, механической прочностью и сейсмической устойчивостью при выборе между этими марками. Типичные контексты принятия решений включают проектирование железобетона, где более высокая прочность может уменьшить размер сечения, по сравнению с проектами, где критически важны пластичность и диссипация энергии при землетрясениях.

Основное техническое отличие заключается в том, что HRB500E имеет заданную прочность на текучесть примерно на 25% выше, чем у HRB400, при этом также соответствуя улучшенным критериям пластичности и сейсмической устойчивости. Поскольку обе марки являются углеродными сталями, производимыми в виде рифленой арматуры, их часто сравнивают с точки зрения структурного проектирования, изготовления и сварки.

1. Стандарты и обозначения

Основные стандарты и обозначения, относящиеся к HRB400 и HRB500E: - GB/T 1499 (Китай) — обозначение HRB происходит отсюда (горячекатаные рифленые прутки). - EN 1992 / EN 10080 (Европа) — существуют сопоставимые классы (B500, B400 серии). - ASTM/ASME — различная нумерация (например, ASTM A615/A706 для арматуры), но возможны сравнения на основе характеристик. - JIS (Япония) — JIS G3112 и связанные стандарты охватывают эквиваленты арматуры.

Классификация по типу стали: - Как HRB400, так и HRB500E являются углеродными сталями с микроаллоированием по мере необходимости — они не являются нержавеющими или инструментальными сталями. - Они относятся к категории строительных/HSLA стилей арматурных сталей: в основном структурные углеродные стали с контролируемым химическим составом и обработкой для достижения требуемой прочности и пластичности.

2. Химический состав и стратегия легирования

Следующая таблица обобщает типичное присутствие элементов и металлургическую роль для каждой марки. Точные пределы варьируются в зависимости от стандарта и поставщика; проконсультируйтесь с сертификатами завода для конкретных партий.

Элемент	HRB400 — Типичная роль	HRB500E — Типичная роль
C (Углерод)	Низкий до умеренного углерода для балансировки прочности и свариваемости; основной вкладчик прочности.	Немного более высокий или контролируемый углеродный состав; сбалансирован для достижения более высокой прочности без чрезмерного ухудшения свариваемости.
Mn (Марганец)	Основной деоксидант и укрепитель твердого раствора; поддерживает прочность на растяжение/текучесть.	Часто аналогичен или немного увеличен для повышения прочности и закаляемости.
Si (Кремний)	Деоксидант; небольшие количества для прочности.	Аналогичная роль; ограничен для поддержания пластичности и сварочных свойств.
P (Фосфор)	Содержится в низких количествах; хрупкость и снижение прочности при избытке.	Контролируемые низкие уровни, особенно для сейсмических марок.
S (Сера)	Содержится в низких количествах; влияет на обрабатываемость, но ухудшает прочность/свариваемость при высоком содержании.	Указаны низкие уровни; избыток S избегается.
Cr, Ni, Mo	Как правило, минимальны в обычной арматуре; ограничены, если не специальная легированная арматура.	HRB500E может содержать следовые количества для закаляемости или микроаллоирования, но не является нержавеющей/низколегированной арматурой по составу.
V, Nb, Ti (микроаллоирование)	Иногда добавляются в небольших количествах для улучшения размера зерна и повышения прочности/прочности.	HRB500E обычно использует микроаллоирование и термомеханическую обработку для достижения более высокой прочности и улучшенной пластичности.
B (Бор)	Редок в арматуре; используется в минимальных количествах, когда требуется контроль закаляемости.	Аналогично — обычно не присутствует в значительных количествах.
N (Азот)	Контролируемый; влияет на текучесть и поведение осаждения микроаллоидов.	Контролируемый для поддержки требуемых механических свойств.

Обобщение стратегии легирования: - HRB400 достигается в основном за счет химии и традиционного проката, приоритетом является свариваемость и пластичность при номинальной текучести 400 МПа. - HRB500E достигает более высокой номинальной текучести и сейсмической пластичности часто за счет комбинации немного скорректированной химии (например, контролируемый Mn и микроаллоирование) и термомеханического проката/контролируемого охлаждения, а не за счет значительного увеличения углерода.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Типичные микроструктуры: - HRB400: микроструктура, доминирующая фаза феррит–перлит в традиционно обработанной арматуре; разумно крупный размер зерна в зависимости от проката и охлаждения. - HRB500E: более мелкие феррит–перлитные или байнитные/закаленные мартенситоподобные составляющие в некоторых термомеханически обработанных продуктах; упрочнение зерна и осаждение от микроаллоирования помогают достичь более высокой прочности.

Эффект обработки: - Нормализация или контролируемое охлаждение после проката уточняет размер зерна и улучшает прочность для обеих марок. - Закалка и отпуск редко применяются для стандартной арматуры из-за стоимости, но термомеханическая контролируемая обработка (TMCP) часто используется для HRB500E для производства мелкозернистых микроструктур с улучшенной прочностью и пластичностью. - Использование микроаллоидных элементов (V, Nb, Ti) с контролируемым прокатом способствует осаждению упрочнения и уточнению зерна, улучшая прочность без значительного углеродного штрафа.

4. Механические свойства

Стандартизированные номинальные и типичные качественные свойства:

Свойство	HRB400	HRB500E
Номинальная прочность на текучесть	~400 МПа (обозначение)	~500 МПа (обозначение)
Прочность на растяжение	Умеренная; достаточная для традиционных проектов железобетона	Более высокая предельная прочность для соответствия повышенной текучести; большая маржа, но зависит от обработки
Удлинение (пластичность)	Хорошее; обычно выше, чем у не сейсмических высокопрочных стержней	Спроектировано для сохранения хорошего удлинения/пластичности, несмотря на более высокую прочность (буква "E" обозначает улучшенную сейсмическую пластичность)
Ударная прочность	Достаточная для типичных условий; зависит от температуры и производства	Указано для соответствия требованиям сейсмической прочности; обычно превосходное поглощение энергии на единицу массы
Твердость	Ниже, чем у HRB500E в сопоставимых условиях	Выше из-за укрепленной микроструктуры и более высокой текучести

Объяснение: - HRB500E сильнее по текучести и, как правило, также по прочности на растяжение. Обычные высокопрочные стали могут терять пластичность, но HRB500E разработан для поддержания или улучшения прочности/пластичности через обработку и микроаллоирование, что делает его подходящим для сейсмических приложений, где требуются как прочность, так и способность к деформации.

5. Свариваемость

Свариваемость зависит от углеродного эквивалента, закаляемости и содержания микроаллоидов. Общие индексы:

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

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

Интерпретация (качественная): - HRB400: более низкий углеродный эквивалент и меньшее количество компонентов закаляемости, как правило, обеспечивают лучшую свариваемость и более низкие требования к предварительному нагреву. - HRB500E: более высокая прочность и, возможно, увеличенное содержание Mn или микроаллоирование могут повысить $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$, увеличивая восприимчивость к закаливанию в зоне термического влияния и холодным трещинам, если процедуры сварки не контролируются. Однако HRB500E обычно производится с химическим контролем и проверенными процедурами сварки для строительного использования; предварительный нагрев, температура между проходами и выбор расходных материалов должны соответствовать рекомендациям поставщика. - В обоих случаях необходимо проверять сертификаты испытаний завода и проводить квалификацию процедур для критических сварных соединений, особенно для HRB500E в сейсмических районах.

6. Коррозия и защита поверхности

• Как HRB400, так и HRB500E являются углеродными сталями, не содержащими нержавеющих компонентов; их коррозионная стойкость ограничена.
• Стандартные варианты защиты поверхности: оцинковка (горячее цинкование), эпоксидное покрытие, механически наносимые покрытия или нержавеющие/облицованные альтернативы для сильно коррозионных сред.
• PREN (эквивалентный номер стойкости к питтингу) не применим к обычной углеродной арматуре, поскольку он относится к нержавеющим сплавам:

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

• Использование покрытой или коррозионно-стойкой арматуры, катодной защиты или корректировок в проектировании бетонной смеси и покрытия является распространенным методом смягчения. Выбор между HRB400 и HRB500E по причинам коррозии обычно определяется защитной системой, а не внутренними различиями в сплаве.

7. Изготовление, обрабатываемость и формуемость

• Резка: обе марки легко резать с помощью кислородно-газового, абразивного или механического методов; HRB500E может требовать немного больше мощности/износа инструмента из-за более высокой прочности.
• Гибка/формование: HRB400 легче гнется и допускает большие радиусы изгиба для данного диаметра прутка; HRB500E требует более строгого контроля процесса и правильных радиусов изгиба, как указано в кодах, чтобы избежать трещин.
• Обрабатываемость: как правило, плохая для арматуры из-за упрочнения при деформации и геометрии ребер — HRB500E может проявлять больший износ инструмента.
• Магазины по предварительному изготовлению должны учитывать различия в упругости и корректировать детали гибки и анкерования для HRB500E, чтобы обеспечить производительность.

8. Типичные применения

HRB400 — Типичные применения	HRB500E — Типичные применения
Жилые и низкоэтажные коммерческие железобетонные конструкции, где приоритет отдается пластичности и экономии	Сейсмические районы и критические структурные элементы, где требуются более высокая текучесть и контролируемая пластичность
Массовый бетон, несейсмические балки, плиты и колонны	Высотные конструкции, мосты, сейсмостойкие реконструкции и элементы, спроектированные для уменьшенного сечения с использованием высокопрочной арматуры
Общее армирование в условиях легкой эксплуатации	Применения, требующие уменьшения размера/веса прутка при соблюдении требований к пластичности и диссипации энергии

Обоснование выбора: - Выбирайте HRB400 для рутинного железобетона, где стандартная пластичность и свариваемость достаточны, а чувствительность к стоимости выше. - Выбирайте HRB500E, когда необходимы проектные сокращения площади прутка, сейсмическое проектирование или более высокая грузоподъемность на единицу площади, при условии, что контролируются процессы изготовления и сварки.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость: HRB500E, как правило, дороже за килограмм, чем HRB400 из-за более строгого контроля химии, обработки (TMCP) и квалификации для сейсмической устойчивости, хотя стоимость на структурную мощность может быть выгодной.
• Доступность: HRB400 чаще имеется в наличии на многих рынках; доступность HRB500E зависит от регионального спроса и возможностей производителя. Долгие сроки поставки могут применяться для специализированных размеров или сертифицированных сейсмических партий.
• Формы продукции: обе марки обычно поставляются в виде прямых прутков или катушек и в стандартных длинах; предварительно изготовленные каркасы или сетки могут быть доступны в каждой марке.

10. Резюме и рекомендации

Критерий	HRB400	HRB500E
Свариваемость	Лучше (низкий CE)	Хорошо с контролем (высокий потенциал CE)
Баланс прочности и прочности	Умеренная прочность с надежной пластичностью	Более высокая прочность на текучесть с инженерной пластичностью/прочностью
Стоимость	Низкая цена за единицу	Высокая цена за единицу, потенциальная экономия за счет уменьшения количества материала

Выбирайте HRB400, если: - Проекты придают приоритет наименьшей стоимости материала и традиционным методам строительства. - Применения не сейсмические или где предпочтительны стандартная пластичность и более легкая сварка. - Местная доступность и стандартные рабочие процессы изготовления способствуют HRB400.

Выбирайте HRB500E, если: - Проекты требуют более высокой прочности на текучесть для уменьшения размеров элементов или соблюдения предельных значений. - Структуры находятся в сейсмических зонах или требуют проверенной диссипации энергии и контролируемой пластичности. - Закупки могут учесть немного более высокие единичные затраты, а процедуры изготовления/сварки адаптированы к марке.

Заключительная заметка: всегда подтверждайте сертификаты испытаний завода, рекомендации поставщика по сварке и обращению, а также требования проектного кода. Для критических конструкций проводите квалификацию совместимости и процедур (сварка, гибка, анкерование) и координируйте с конструкторами, чтобы убедиться, что выбранная марка соответствует детализации, долговечности и целям безопасности.