A36 so với A572 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

ASTM A36 và ASTM A572 là hai trong số những loại thép kết cấu được chỉ định phổ biến nhất trong xây dựng, chế tạo và công nghiệp nặng. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc chi phí, khả năng hàn, khả năng định hình và hiệu suất cơ học cần thiết khi lựa chọn giữa chúng. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm: (1) liệu cường độ chảy cao hơn có hợp lý với chi phí vật liệu cao cấp và những thay đổi tiềm ẩn trong quy trình hàn hoặc định hình hay không, và (2) liệu độ bền được cải thiện hay trọng lượng giảm (thông qua các tiết diện mỏng hơn) có cần thiết cho một thiết kế nhất định hay không.

Sự khác biệt thực tế giữa các loại thép này nằm ở hiệu suất cơ học đạt được nhờ các chiến lược hợp kim hóa và xử lý khác nhau: A36 là thép kết cấu carbon truyền thống với thành phần hóa học tương đối đơn giản và tính chất có thể dự đoán được, trong khi A572 là dòng thép hợp kim thấp, cường độ cao (HSLA) được sản xuất để mang lại năng suất cao hơn và thường có độ dẻo dai tốt hơn thông qua quá trình hợp kim hóa được kiểm soát và xử lý nhiệt cơ. Các kỹ sư so sánh chúng vì cả hai đều có cùng vai trò kết cấu nhưng có những đánh đổi khác nhau về độ bền, độ dẻo, khả năng hàn và chi phí.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• ASTM/ASME:
• ASTM A36/A36M — Thép kết cấu cacbon (thường gọi là A36).
• ASTM A572/A572M — Thép kết cấu hợp kim thấp có độ bền cao (có nhiều loại như 42, 50, 55, 60, 65; loại 50 là phổ biến nhất).
• EN: Có những thông số kỹ thuật tương tự nhau trong các tiêu chuẩn Châu Âu (ví dụ: S275 dành cho thép kết cấu thông thường có độ bền thấp; S355 và HSLA dành cho thép có độ bền cao hơn), nhưng sự tương đương trực tiếp một-một là không chính xác.
• JIS/GB: Tiêu chuẩn Nhật Bản và Trung Quốc có các loại thép kết cấu tương đương, nhưng người dùng phải so sánh các yêu cầu về cơ học và hóa học thay vì chỉ dựa vào sự tương đương về tên gọi trực tiếp.
• Phân loại: A36 — thép kết cấu cacbon; A572 — thép kết cấu HSLA (cường độ cao, hợp kim thấp).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Thành phần điển hình (% khối lượng) — hướng dẫn chung. Giới hạn hóa chất chính xác phụ thuộc vào các điều khoản ASTM cụ thể và cấp A572 được chọn; tham khảo giấy chứng nhận nhà máy để biết dung sai quan trọng khi mua sắm.

Yếu tố	A36 (điển hình)	A572 (điển hình, ví dụ, Cấp 50 và các cấp liên quan)
C (cacbon)	lên đến ~0,25–0,26 (thấp–trung bình)	thường thấp hơn hoặc mức tối đa tương tự (ví dụ, lên đến ~0,23)
Mn (mangan)	~0,60–1,20 (dùng để kiểm soát sức mạnh)	thường cao hơn hoặc được kiểm soát chặt chẽ hơn; thường vào khoảng 0,8–1,6
Si (silicon)	≤ ~0,40 (chất khử oxy)	tương tự hoặc cao hơn một chút tùy thuộc vào thực hành của nhà máy
P (phốt pho)	≤ ~0,04 (giới hạn tạp chất)	≤ ~0,04 (kiểm soát tạp chất tương tự)
S (lưu huỳnh)	≤ ~0,05 (giới hạn tạp chất)	≤ ~0,05 (tương tự)
Cr (crom)	thường không được thêm vào một cách có chủ ý (dấu vết)	có thể có mặt với số lượng nhỏ trong một số hóa chất HSLA
Ni (niken)	không điển hình (dấu vết)	không điển hình ngoại trừ các biến thể đặc biệt
Mo (molypden)	không điển hình	đôi khi được sử dụng với lượng vết để làm cứng trong một số biến thể HSLA
V (vanadi)	không điển hình	thường có mặt ở dạng hợp kim vi mô với lượng nhỏ (hàng trăm ppm)
Nb (niobi, columbi)	không điển hình	có thể được sử dụng như một nguyên tố hợp kim vi mô (tới vài trăm ppm)
Ti (titan)	không điển hình	có thể được thêm vào một số loại thép để kiểm soát hạt (vết)
B (bo)	không điển hình	không điển hình; chỉ có dấu vết trong thép chuyên dụng
N (nitơ)	dư	được kiểm soát; có thể tương tác với Ti/Nb để tăng cường kết tủa

Ghi chú: - A36 về cơ bản là thép kết cấu cacbon thông thường với hàm lượng hợp kim hạn chế. A572 là một họ thép HSLA, trong đó việc bổ sung có kiểm soát các nguyên tố hợp kim vi lượng (V, Nb, Ti) và kiểm soát chặt chẽ hơn Mn và Si cho phép tăng cường độ bền kéo và cải thiện độ dẻo dai mà không làm tăng đáng kể hàm lượng cacbon tương đương. - Thành phần chính xác của A572 thay đổi tùy theo cấp (42, 50, v.v.) và nhà máy; bộ phận mua sắm phải chỉ định cấp và yêu cầu báo cáo thử nghiệm vật liệu (MTR).

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Carbon làm tăng độ bền và khả năng làm cứng nhưng có thể làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai khi ở mức cao. - Mangan làm tăng độ cứng và độ bền kéo và thúc đẩy quá trình khử oxy. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) làm mịn kích thước hạt và tạo ra sự gia cường kết tủa giúp tăng cường độ bền kéo mà không làm tăng đáng kể hàm lượng cacbon. - Việc bổ sung một lượng nhỏ Cr, Mo, Ni (nếu có) sẽ làm tăng khả năng tôi cứng và hiệu suất ở nhiệt độ cao nhưng không phổ biến trong tiêu chuẩn A36/A572.

3. Cấu trúc vi mô và phản ứng xử lý nhiệt

• A36: Cấu trúc vi mô điển hình khi cán là ferit với perlit—hạt thô so với thép HSLA. A36 thường được cung cấp ở dạng cán nóng. Thép này không cần xử lý nhiệt đáng kể; các đặc tính đạt được ngay khi cán. Việc thường hóa có thể tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện đôi chút độ bền và độ dẻo dai.
• A572: Được sản xuất bằng phương pháp hóa học được kiểm soát chặt chẽ và thường được cán nhiệt cơ học hoặc làm nguội nhanh để tạo ra vi cấu trúc ferit-pearlit hoặc ferit hình kim mịn hơn và các kết tủa có lợi (carbonitride của V, Nb, Ti). Vi cấu trúc tinh chế này mang lại giới hạn chảy cao hơn và độ dẻo dai tốt hơn so với thép cacbon thông thường có độ dày tương tự.
• Phản ứng xử lý nhiệt:
• Chuẩn hóa: cả hai loại đều có thể được chuẩn hóa để tinh chỉnh kích thước hạt; A572 thường phản ứng tốt hơn vì các chất kết tủa hợp kim siêu nhỏ kiểm soát sự phát triển của hạt.
• Làm nguội và ram: thường không áp dụng cho thép A36 hoặc tiêu chuẩn A572 trong thực hành kết cấu; nếu cần thép tôi và ram có độ bền cao, sẽ sử dụng các thông số kỹ thuật khác nhau.
• Xử lý nhiệt cơ học (TMCP): A572 có thể được sản xuất bằng TMCP để tận dụng quá trình cán và làm mát có kiểm soát nhằm tối đa hóa độ bền và độ dẻo dai mà không cần hợp kim nặng.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Các tính chất cơ học điển hình (điều kiện nhà máy; các giá trị thể hiện mức tối thiểu hoặc phạm vi chung — kiểm tra thông số kỹ thuật ASTM và báo cáo thử nghiệm nhà máy).

Tài sản	A36 (điển hình)	A572 (điển hình, Cấp 50 là tiêu biểu)
Giới hạn chảy (tối thiểu)	36 ksi (≈250 MPa)	50 ksi (≈345 MPa)
Độ bền kéo (phạm vi điển hình)	~58–80 ksi (≈400–550 MPa)	~65–90 ksi (≈450–620 MPa)
Độ giãn dài (2 in / 50 mm)	thường là ≥20% (tùy thuộc vào độ dày)	thường là ≥18% (thay đổi tùy theo cấp độ và độ dày)
Độ bền va đập (Charpy V-notch)	thường không bắt buộc trừ khi được chỉ định; vừa phải	thường được chỉ định ở nhiệt độ cho dịch vụ quan trọng; có thể vượt trội hơn khi sử dụng TMCP
Độ cứng	vừa phải (giá trị Rockwell B điển hình cho thép cacbon thấp-trung bình)	thường cao hơn nhưng vẫn có thể gia công/tạo hình được; độ cứng thay đổi tùy theo cấp và quá trình chế biến

Giải thích: - A572 (đặc biệt là Cấp 50) có cường độ chịu kéo tối thiểu cao hơn rõ rệt so với A36, cho phép giảm trọng lượng thiết kế hoặc tạo ra các mặt cắt nhỏ hơn cho cùng một tải trọng. - Độ dẻo (độ giãn dài) thường tương đương nhau, mặc dù vật liệu có độ bền cao hơn đôi khi có độ giãn dài thấp hơn một chút; quy trình xử lý A572 hiện đại thường duy trì được độ dẻo dai tốt và độ dẻo dai chấp nhận được. - Độ dẻo dai (khả năng chống va đập ở nhiệt độ thấp) thường được kiểm soát tốt hơn và được chỉ định cho các ứng dụng A572, đặc biệt khi sử dụng trong các cấu trúc quan trọng.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, đương lượng cacbon (độ tôi) và sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim vi mô. Hai thông số thực nghiệm thường được sử dụng được trình bày ở đây để giải thích.

• Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Pcm quốc tế (để dự đoán chi tiết hơn về khả năng hàn và khả năng nứt nguội): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - A36 thường có hàm lượng carbon tương đương thấp và được coi là dễ hàn bằng các quy trình tiêu chuẩn (SMAW, GMAW, FCAW). Nhiệt độ nung nóng trước và nhiệt độ giữa các lớp hàn thường ở mức khiêm tốn, ngoại trừ các tiết diện rất dày hoặc ứng dụng nhạy cảm với hydro. - Các mác thép A572, mặc dù có độ bền cao hơn, được thiết kế để duy trì khả năng hàn. Việc hợp kim hóa vi mô với hàm lượng được kiểm soát làm tăng độ bền mà không làm tăng đáng kể $CE_{IIW}$. Tuy nhiên, các mác thép có độ bền cao hơn, tiết diện dày hơn hoặc hàm lượng mangan và hợp kim vi mô tăng có thể làm tăng khả năng tôi và đòi hỏi các quy trình hàn cẩn thận hơn (làm nóng trước, kiểm soát đầu vào nhiệt, vật tư tiêu hao có hàm lượng hydro thấp) để tránh nguy cơ nứt. - Lời khuyên thực tế: Đối với các kết cấu quan trọng, hãy chỉ định xử lý nhiệt sau hàn (nếu cần), kiểm soát nhiệt độ nung nóng trước và nhiệt độ giữa các đường hàn, và xác nhận quy trình hàn bằng hồ sơ chứng nhận quy trình (PQR).

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả thép A36 và thép A572 tiêu chuẩn đều không phải là thép không gỉ. Cả hai đều cần được bảo vệ bề mặt trong môi trường ăn mòn.
• Các chiến lược bảo vệ phổ biến:
• Mạ kẽm nhúng nóng (lớp phủ kẽm) để chống ăn mòn trong khí quyển lâu dài.
• Sơn lót, sơn ngoài trời hoặc sơn phủ công nghiệp chuyên dụng cho môi trường khắc nghiệt.
• Hệ thống ốp hoặc song công nếu cần thiết trong điều kiện khắc nghiệt.
• Công thức PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) cho thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số này không áp dụng cho A36 và A572 vì thành phần hóa học của chúng thiếu hàm lượng crom/molypden/nitơ, vốn là đặc tính của thép không gỉ. Đối với các ứng dụng quan trọng về ăn mòn, hãy chọn hợp kim thép không gỉ hoặc chống ăn mòn thay vì chỉ dựa vào mạ kẽm/lớp phủ.

7. Chế tạo, Khả năng gia công và Khả năng định hình

• Cắt: Cả hai loại thép đều có thể dễ dàng cắt bằng oxy-gas, cắt plasma hoặc cắt laser. Thép A572 có độ bền cao hơn có thể yêu cầu các thông số cắt hơi khác nhau do độ bền kéo cao hơn.
• Tạo hình và uốn: A36, với độ dẻo thấp hơn và cấu trúc vi mô đơn giản, nhìn chung dễ tạo hình và uốn cong hơn, ít bị đàn hồi hơn. A572, do độ dẻo cao hơn, sẽ có độ đàn hồi cao hơn và có thể cần điều chỉnh (ví dụ: lực uốn cao hơn hoặc bán kính dụng cụ hẹp hơn). Việc tạo hình nguội A572 cấp cao hơn cần được kiểm tra.
• Khả năng gia công: Cả hai đều có thể gia công bằng dụng cụ tiêu chuẩn; A572 có thể mài mòn dụng cụ cắt nhiều hơn một chút tùy thuộc vào kết tủa hợp kim vi mô.
• Cố định: Thiết kế bu lông và mối hàn phải tính đến độ bền cao hơn khi sử dụng A572 — ví dụ, tính toán lực căng trước và ổ trục của bu lông.

8. Ứng dụng điển hình

A36 — Công dụng điển hình	A572 — Công dụng điển hình
Hình dạng kết cấu chung (tấm, kênh, dầm chữ I) cho các tòa nhà, cầu và khung công nghiệp nhẹ khi chỉ cần độ bền tiêu chuẩn và chi phí là ưu tiên hàng đầu.	Các thành phần kết cấu có cường độ chịu kéo cao hơn làm giảm kích thước hoặc trọng lượng tiết diện — cầu, khung thép nặng, đường ray cần cẩu, khung xe tải, ứng dụng tấm cường độ cao.
Kết cấu thép phụ, giá đỡ, các bộ phận không quan trọng, chế tạo chung.	Các ứng dụng đòi hỏi độ bền cao hơn hoặc khi giảm độ dày giúp tiết kiệm vật liệu; một số thành phần kết cấu chịu động đất và tải trọng nặng.
Các cụm hàn không quan trọng, điều kiện tải nhẹ.	Các cấu trúc mà mã hoặc thiết kế yêu cầu hiệu suất Cấp 50 (hoặc cao hơn); các thành phần được hưởng lợi từ độ bền do TMCP tạo ra.

Cơ sở lựa chọn: - Chọn A36 khi chi phí, tính dễ chế tạo/hàn và khả năng cung cấp độ dày thông thường là những yếu tố quyết định. - Chọn A572 khi cần ưu tiên độ bền kéo cao hơn, độ dẻo dai được kiểm soát và khả năng tiết kiệm trọng lượng.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: A36 thường có giá thành đơn vị thấp hơn A572 do thành phần hóa học đơn giản hơn và sản xuất rộng rãi hơn. A572 được ưa chuộng hơn vì có hàm lượng thép cao hơn và quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn.
• Tính khả dụng: A36 có sẵn ở khắp mọi nơi với nhiều hình dạng và độ dày tấm khác nhau. A572 (đặc biệt là Cấp 50) được cung cấp rộng rãi nhưng ít phổ biến hơn A36 ở một số dạng sản phẩm có khối lượng và độ dày thấp hơn. Thời gian giao hàng có thể thay đổi tùy theo khu vực và dạng sản phẩm (tấm, cuộn, bích rộng).
• Mẹo mua sắm: Chỉ định chính xác loại, hình thức sản phẩm và bất kỳ yêu cầu bổ sung nào (nhiệt độ thử nghiệm va đập, tình trạng bề mặt, lớp phủ) để tránh bất ngờ về giá cả và thời gian giao hàng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: So sánh nhanh

Thuộc tính	A36	A572 (ví dụ, Cấp 50)
Khả năng hàn	Tuyệt vời, thẳng thắn	Rất tốt khi tuân theo các quy trình hàn có kiểm soát
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Độ bền vừa phải; độ dẻo dai phù hợp cho nhiều mục đích sử dụng	Năng suất cao hơn và thường có độ dai tốt hơn trên mỗi trọng lượng nhờ quá trình xử lý HSLA
Trị giá	Chi phí thấp hơn cho mỗi tấn	Chi phí cao hơn cho mỗi tấn; có thể tiết kiệm chi phí bằng cách giảm kích thước tiết diện

Kết luận: - Chọn A36 nếu: - Ứng dụng kết cấu là thường xuyên và không yêu cầu cường độ chịu kéo cao. - Dễ chế tạo, có sẵn rộng rãi và chi phí vật liệu thấp nhất là những ưu tiên hàng đầu. - Tính đơn giản của hàn và tạo hình rất quan trọng và không cần độ dẻo dai đặc biệt.

• Chọn A572 nếu:
• Cần có giới hạn chảy cao hơn (ví dụ: Cấp 50 mang lại lợi thế thiết kế rõ rệt).
• Bạn muốn giảm trọng lượng hoặc kích thước tiết diện trong khi vẫn duy trì độ bền tốt.
• Dự án có thể điều chỉnh các biện pháp kiểm soát hàn và chế tạo chặt chẽ hơn một chút và chấp nhận chi phí vật liệu cao hơn cho mỗi đơn vị sản phẩm để mang lại lợi ích về vòng đời hoặc hiệu suất.

Lưu ý cuối cùng: Luôn ghi rõ cấp ASTM chính xác, hình dạng sản phẩm, độ dày và bất kỳ yêu cầu bổ sung nào (nhiệt độ thử nghiệm va đập, lớp phủ hoặc quy trình hàn) và yêu cầu báo cáo thử nghiệm nhà máy (MTR) kèm theo vật liệu giao hàng. Đối với các thiết kế quan trọng, hãy thực hiện thẩm định quy trình hàn và tham khảo bảng dữ liệu của nhà cung cấp thép/nhà máy để điều chỉnh các đặc tính hóa học và cơ học cho phù hợp với mục đích sử dụng.