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 rộng rãi nhất trong xây dựng, chế tạo và thiết bị hạng nặng. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc chi phí, cường độ yêu cầu, khả năng hàn và cách chế tạo khi lựa chọn giữa chúng — ví dụ, nên ưu tiên chi phí vật liệu thấp hơn và khả năng cung cấp rộng rãi hay nên ưu tiên giới hạn chảy cao hơn và cải thiện tỷ lệ sức bền trên trọng lượng.

Điểm khác biệt cốt lõi là A36 là thép kết cấu carbon thấp thông thường, trong khi A572 (thường được gọi là Cấp 50 trong nhiều dự án) là dòng thép kết cấu hợp kim thấp, cường độ cao (HSLA) đạt được hiệu suất cao hơn thông qua quy trình hóa học và hợp kim vi mô được kiểm soát. Sự khác biệt này dẫn đến sự đánh đổi về độ bền, độ dẻo dai, khả năng hàn và chế tạo.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• ASTM/ASME:
• ASTM A36/A36M — Thép kết cấu cacbon.
• ASTM A572/A572M — Thép kết cấu hợp kim thấp có độ bền cao (phổ biến là cấp 42, 50, 55, 60; cấp 50 thường được so sánh với A36).
• EN: Các khái niệm tương đương tồn tại theo EN 10025 (ví dụ: S235 ≈ A36, S355 ≈ A572 Cấp 50), nhưng sự tương đương trực tiếp yêu cầu phải kiểm tra độ dày và tính chất cụ thể.
• JIS/GB: Tiêu chuẩn Nhật Bản và Trung Quốc có các loại thép kết cấu tương tự nhau, nhưng các yêu cầu về hóa học và cơ học lại khác nhau và phải được tham chiếu chéo.
• Phân loại:
• A36 — Thép kết cấu cacbon.
• A572 — Thép kết cấu HSLA (hợp kim thấp với các nguyên tố hợp kim vi mô ở cấp độ cao hơn).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây liệt kê các phạm vi thành phần điển hình cho các nguyên tố quan trọng nhất. Các giá trị được trình bày dưới dạng giới hạn điển hình hoặc phạm vi thường gặp cho hình dạng tấm và kết cấu; phải kiểm tra giấy chứng nhận nhà máy thực tế và cấp A572 cụ thể khi mua hàng.

Yếu tố	A36 (điển hình)	A572 Cấp 50 (điển hình)
C	≤ 0,26% khối lượng	≤ 0,23% khối lượng
Mn	0,60–1,20% khối lượng	~0,70–1,35% khối lượng
Si	≤ 0,40% khối lượng	≤ 0,40 wt% (được kiểm soát)
P	≤ 0,04% khối lượng	≤ 0,04% khối lượng
S	≤ 0,05% khối lượng	≤ 0,05% khối lượng
Cr	dấu vết	dấu vết / được kiểm soát (có thể có tới một lượng nhỏ)
Ni	dấu vết	dấu vết
Mo	dấu vết	dấu vết (nhỏ đối với một số lớp)
V	thường là không có	có thể bổ sung hợp kim vi mô (0–0,15 wt%)
Nb (Cb)	thường là không có	có thể bổ sung hợp kim vi mô (0–0,06 wt%)
Ti	thường là không có	có thể bổ sung hợp kim vi mô (có kiểm soát)
B	không thường được sử dụng	thỉnh thoảng có mặt với số lượng rất nhỏ
N	thấp, còn lại	thấp, được kiểm soát để xử lý HSLA

Hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào - Cacbon và mangan: tăng độ bền nhưng tăng khả năng tôi cứng và ở mức cao hơn có thể làm giảm khả năng hàn và độ dẻo dai. A572 thường kiểm soát cacbon và tăng Mn, đồng thời hợp kim hóa vi mô có lợi để tăng năng suất mà không làm tăng đáng kể lượng cacbon. - Hợp kim vi mô (V, Nb, Ti): bổ sung một lượng nhỏ thúc đẩy quá trình gia cường kết tủa, kích thước hạt mịn hơn và độ dẻo dai được cải thiện mà không cần dùng đến hàm lượng cacbon cao hơn — cho phép giới hạn chảy cao hơn với độ dẻo và khả năng hàn tốt. - Các nguyên tố như Cr, Mo và Ni thường bị hạn chế; A572 đạt được độ bền chủ yếu thông qua cơ chế HSLA thay vì hợp kim nặng.

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

Cấu trúc vi mô điển hình - A36: Thép A36 cán nóng hoặc chuẩn hóa thường có cấu trúc vi mô ferit-pearlit với hạt tương đối thô so với thép HSLA. Độ bền chủ yếu đến từ hàm lượng cacbon và quá trình tôi luyện. - A572 (ví dụ: Cấp 50): Được xử lý để tối ưu hóa độ bền và độ dẻo dai, A572 thường cho thấy ferit-pearlit hoặc ferit mịn hơn với các kết tủa mịn phân tán từ các nguyên tố hợp kim vi mô. Kiểm soát nhiệt cơ học trong quá trình cán và làm nguội có kiểm soát giúp tinh chỉnh kích thước hạt và phân tán các cacbua/nitrit/cacbonitrit để tôi kết tủa.

Xử lý nhiệt và phản ứng nhiệt - A36: Không thường xuyên được xử lý nhiệt trong kết cấu; có thể sử dụng phương pháp chuẩn hóa hoặc giảm ứng suất để cải thiện độ dẻo dai hoặc giảm ứng suất dư. A36 có phản ứng hạn chế với quá trình tôi và ram do hàm lượng cacbon danh nghĩa và mục đích sử dụng. - A572: Cũng thường được cung cấp dưới dạng tấm cán ở trạng thái cán hoặc gia công cơ nhiệt. Có thể sản xuất thép cấp cao hơn bằng cách cán có kiểm soát và làm nguội nhanh để đạt được giới hạn chảy cần thiết với độ dẻo dai chấp nhận được. Tôi và ram không phải là phương pháp thương mại thông thường cho các sản phẩm kết cấu A572, nhưng có thể được sử dụng cho các ứng dụng đặc biệt.

Hiệu ứng của việc chuẩn hóa / TMCP / Q&T - Chuẩn hóa có thể tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai cho cả hai loại thép, nhưng A572 được hưởng lợi nhiều hơn từ quá trình xử lý kiểm soát nhiệt cơ học (TMCP) và kết tủa hợp kim vi mô để có độ bền cao hơn mà không có hình phạt cacbon lớn. - Về nguyên tắc, tôi và ram sẽ làm tăng độ bền nhưng không phải là tiêu chuẩn cho các cấp độ này và thay đổi khả năng hàn và kỳ vọng về ứng suất dư.

4. Tính chất cơ học

Bảng dưới đây tóm tắt các yêu cầu về đặc tính cơ học điển hình được sử dụng cho thiết kế và mua sắm. Giá trị thực tế phụ thuộc vào cấp, độ dày và thông số kỹ thuật mua hàng.

Tài sản	A36 (điển hình)	A572 Cấp 50 (điển hình)
Cường độ chịu lực tối thiểu	36 ksi (≈ 250 MPa)	50 ksi (≈ 345 MPa)
Độ bền kéo	58–80 ksi (≈ 400–550 MPa)	65–85 ksi (≈ 450–585 MPa)
Độ giãn dài (ở cỡ 50–200 mm, tùy thuộc vào độ dày)	~20% (tối thiểu thay đổi tùy theo độ dày)	~18% (tối thiểu thay đổi tùy theo độ dày)
Độ bền va đập	Không được chỉ định chung; ở mức trung bình ở nhiệt độ phòng; thấp hơn ở nhiệt độ đông lạnh trừ khi được chỉ định	Thường có sẵn với các yêu cầu Charpy được chỉ định; độ bền khía thường tốt hơn khi được chỉ định và xử lý
Độ cứng điển hình (khi cán, gần đúng)	Thấp hơn HSLA, thay đổi theo quá trình xử lý	Cao hơn A36 do năng suất và TMCP cao hơn

Diễn giải - Thép A572 Cấp 50 có độ bền kéo cao hơn đáng kể so với thép A36; độ bền kéo có phần chồng chéo nhưng thép A572 có độ bền kéo trung bình cao hơn. - Độ dẻo và độ giãn dài nhìn chung tương tự nhau khi độ dày và quá trình chế tạo được kiểm soát, nhưng A572 có thể có độ dẻo dai vượt trội do kích thước hạt mịn hơn và cơ chế gia cường kết tủa. - Hiệu ứng tổng thể là A572 cung cấp tỷ lệ độ bền trên trọng lượng tốt hơn, cho phép tạo ra các phần nhẹ hơn cho cùng một tải trọng.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, độ tôi (Mn, hợp kim) và cấu trúc vi mô. Hai chỉ số phổ biến được sử dụng để đánh giá khả năng hàn là tương đương cacbon IIW và Pcm quốc tế.

Hiển thị chỉ số khả năng hàn tiêu chuẩn: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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

Diễn giải định tính (không thay thế số) - A36: Hàm lượng carbon và mangan vừa phải nhìn chung cho khả năng hàn tốt với các quy trình hàn và vật liệu tiêu hao thông thường. Việc gia nhiệt trước và kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn thường đủ cho các tiết diện lớn hoặc nhiệt độ thấp. - A572 (HSLA): Do hàm lượng hợp kim và Mn được kiểm soát có thể cao hơn và có sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim vi mô, độ cứng tăng nhẹ. Tuy nhiên, các mác thép A572 hiện đại được thiết kế để có khả năng hàn tốt: hàm lượng cacbon được kiểm soát và hàm lượng hợp kim vi mô đủ thấp để hầu hết các quy trình hàn kết cấu đều phù hợp. Đối với các tiết diện dày hơn, khí hậu lạnh hơn hoặc các mác thép A572 có độ bền cao hơn (ví dụ: 55, 60), cần chỉ định quy trình gia nhiệt trước, cấp nhiệt được kiểm soát và kim loại điền đầy phù hợp. - Hướng dẫn thực hành: đánh giá $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ cho chứng chỉ nhà máy cụ thể để quyết định nhu cầu xử lý nhiệt trước và sau hàn. Đối với các mối hàn quan trọng hoặc tiết diện dày, hãy thực hiện đánh giá quy trình (PQR) và xem xét thử nghiệm va đập.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả A36 và A572 đều không phải thép không gỉ: cả hai đều là thép carbon/HSLA thông thường và cần được bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường tiếp xúc trực tiếp.
• Các phương pháp bảo vệ thông thường: mạ kẽm nhúng nóng, sơn tại xưởng hoặc ngoài hiện trường, phủ epoxy, mạ kim loại (kẽm/Al) hoặc các phương án thay thế bằng thép chịu thời tiết khi cần thiết.
• Sử dụng chỉ số thép không gỉ: PREN (chỉ số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho thép A36 hoặc A572 vì chúng không phải là thép không gỉ. Để tham khảo, việc đánh giá thép không gỉ sử dụng: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Ghi chú thực tế: Hợp kim A572 không mang lại khả năng chống ăn mòn đáng kể; việc lựa chọn cho môi trường ăn mòn nên dựa trên chiến lược phủ và bảo trì hơn là hàm lượng hợp kim nhỏ.

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

• Khả năng định hình và uốn: A36 thường được sử dụng để uốn, định hình và tạo hình; cấu trúc vi mô dễ uốn hơn khi cán của nó mang lại khả năng dự đoán trước. A572 (Cấp 50) có thể được định hình và uốn cong nhưng đòi hỏi kiểm soát bán kính uốn chặt chẽ hơn và có thể cần dung sai đàn hồi cao hơn do giới hạn chảy cao hơn.
• Cắt và gia công: Cả hai đều dễ dàng cắt bằng các phương pháp tiêu chuẩn (cắt, oxy-nhiên liệu, plasma, laser) nhưng A572 có thể khó gia công hơn một chút; tốc độ cắt phụ thuộc vào độ dày và nhiệt lượng đầu vào.
• Hàn và gia công sau: A572 thường yêu cầu kiểm soát cẩn thận lượng nhiệt đầu vào trong quá trình uốn nguội hoặc gia nhiệt cục bộ để tránh hiện tượng cứng cục bộ; tuy nhiên, với quy trình chính xác, nó có thể chế tạo giống như A36 cho hầu hết các ứng dụng kết cấu.
• Đục lỗ, khoan: Độ bền tăng lên ở A572 có thể đòi hỏi nhiều lực hơn hoặc dụng cụ chuyên dụng để chế tạo lỗ; độ mài mòn của dụng cụ có thể cao hơn so với A36.

8. Ứng dụng điển hình

A36 — Công dụng điển hình	A572 (ví dụ: Cấp 50) — Công dụng điển hình
Hình dạng kết cấu chung (góc, kênh, dầm chữ I) cho các tòa nhà và thiết bị có tải trọng thấp đến trung bình	Cầu, cần cẩu, khung nặng và các ứng dụng có năng suất cao hơn cho phép các phần nhẹ hơn
Tấm đế, tấm nhỏ đến trung bình và các thành phần có độ nhạy về chi phí là chính	Tấm thép chế tạo khi cần tiết kiệm trọng lượng, ứng suất cho phép cao hơn hoặc nhịp dài hơn
Các thành phần cấu trúc trang trí, các cụm hàn không quan trọng	Kết nối bu lông và hàn cường độ cao, kết cấu xây dựng khi quy định hoặc thiết kế yêu cầu năng suất cao hơn
Sửa chữa và cải tạo khi cần phù hợp với thép cường độ thấp hiện có	Khung máy móc hạng nặng, thân xe tải và các thành phần kết cấu chịu tải trọng tuần hoàn khi cần độ bền cao hơn

Cơ sở lựa chọn - Chọn A36 khi chi phí, tính dễ chế tạo và tính khả dụng rộng rãi vượt trội hơn nhu cầu về cường độ chịu kéo cao. - Chọn A572 Cấp 50 (hoặc cao hơn) khi cần tối ưu hóa kết cấu, giảm kích thước thành phần hoặc yêu cầu độ dẻo dai và độ bền cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: A36 thường rẻ hơn tính theo tấn so với A572 Cấp 50 nhờ thành phần hóa học đơn giản hơn và sản lượng lớn hơn. A572 đắt hơn tính theo trọng lượng đơn vị nhưng có thể mang lại tổng chi phí kết cấu thấp hơn do trọng lượng vật liệu giảm.
• Tính khả dụng: Thép A36 có sẵn trên toàn cầu với nhiều hình dạng, tấm và độ dày khác nhau. Thép A572 Cấp 50 có sẵn rộng rãi, nhưng tính khả dụng của độ dày, kích thước tấm và chứng nhận nhà máy cụ thể có thể khác nhau tùy theo khu vực và dạng sản phẩm.
• Hình dạng sản phẩm: cả hai loại thép này đều phổ biến ở dạng tấm, dạng kết cấu cán nóng và dạng chế tạo theo đơn đặt hàng. Thời gian giao hàng cho thép A572 có thể lâu hơn đối với độ dày đặc biệt hoặc dung sai chặt chẽ.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính)

Thuộc tính	A36	A572 Cấp 50
Khả năng hàn	Tốt (có thể hàn dễ dàng bằng các quy trình tiêu chuẩn)	Tốt đến Rất tốt (cần chú ý đối với các phần dày hơn; đánh giá CE/Pcm)
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Năng suất thấp hơn, độ dẻo dai chấp nhận được; chế biến đơn giản	Năng suất cao hơn và thường có độ dẻo dai tốt hơn khi chế biến; độ bền trên trọng lượng tốt hơn
Trị giá	Giá đơn vị thấp hơn, rất sẵn có	Giá thành đơn vị cao hơn, khả năng tiết kiệm vòng đời nhờ giảm trọng lượng

Kết luận và hướng dẫn lựa chọn thực tế - Chọn A36 nếu: - Dự án ưu tiên chi phí vật liệu thấp nhất và chế tạo đơn giản. - Yêu cầu về kết cấu khiêm tốn (thiết kế dựa trên năng suất 36 ksi là đủ). - Tính khả dụng rộng rãi, dễ hàn mà không cần quy trình đặc biệt và phù hợp với các bộ phận có độ bền thấp hiện có là điều quan trọng.

• Chọn A572 (thường là Cấp 50) nếu:
• Cần có độ bền kéo cao hơn để giảm kích thước tiết diện, giảm trọng lượng hoặc đáp ứng các yêu cầu của quy định.
• Cần cải thiện độ bền và hiệu suất chịu mỏi/va đập trong bối cảnh kết cấu.
• Bạn chấp nhận mức phí bảo hiểm khiêm tốn cho mỗi tấn vật liệu có thể giúp giảm chi phí chế tạo hoặc vận chuyển và cải thiện hiệu quả kết cấu.

Lưu ý thực tế cuối cùng: luôn tham khảo chứng chỉ nhà máy và thông số kỹ thuật ASTM đầy đủ cho lô hàng được cung cấp (bao gồm các yêu cầu phụ thuộc vào độ dày và bất kỳ yêu cầu va đập Charpy hoặc yêu cầu bổ sung nào). Đối với các kết cấu hàn quan trọng hoặc ứng dụng nhiệt độ thấp, hãy thực hiện thẩm định quy trình hàn và yêu cầu cấp thép A572 cụ thể cùng lịch sử xử lý nhiệt/gia công trên đơn đặt hàng để các đặc tính cơ học và độ bền đáp ứng nhu cầu thiết kế.