A36 so với A992 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

ASTM A36 và ASTM A992 là hai trong số những loại thép kết cấu được chỉ định phổ biến nhất trong xây dựng và chế tạo nặng. Các kỹ sư và đội ngũ mua sắm thường cân nhắc giữa chi phí, giới hạn chảy, độ bền kéo, khả năng hàn và độ bền khi lựa chọn. Bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc chỉ định cột và cấu kiện cánh rộng cho các tòa nhà (nơi giới hạn chảy cao hơn và hành vi có thể dự đoán được được ưu tiên) so với tấm, góc và các cấu kiện kết cấu chung, nơi chi phí và tính khả dụng rộng rãi quan trọng hơn.

Điểm khác biệt thực tế quan trọng là A992 là loại thép kết cấu hợp kim thấp hiện đại, có độ bền được kiểm soát, được tối ưu hóa cho các hình dạng cánh rộng và ứng dụng chịu lực cao; A36 là loại thép kết cấu cacbon thông dụng cũ hơn, có độ bền tối thiểu thấp hơn và thành phần hóa học đơn giản hơn. Vì vậy, A992 thường được ưa chuộng để xây dựng các hình dạng kết cấu, trong khi A36 vẫn được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng kết cấu tấm, thanh và kết cấu nói chung.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• ASTM/ASME:
• A36 — "Tiêu chuẩn kỹ thuật cho thép kết cấu cacbon" (được sử dụng rộng rãi cho các tấm, hình, thanh và mặt cắt).
• A992 — "Tiêu chuẩn kỹ thuật cho các hình dạng thép kết cấu" (đặc biệt nhắm vào các hình dạng kết cấu như dầm và cột có cánh rộng).
• EN (Châu Âu): thép tương đương rộng rãi bao gồm các họ S275/S355 (nhưng phép ánh xạ trực tiếp một-một không chính xác).
• JIS / GB: các tiêu chuẩn quốc gia khác phân loại thép tương đương vào nhóm kết cấu cacbon nhẹ hoặc hợp kim thấp; tính tương đương trực tiếp phải được kiểm tra bằng các yêu cầu về tính chất hóa học và cơ học.

Phân loại: - A36 — thép kết cấu cacbon. - A992 — Thép kết cấu kiểu HSLA (thép kết cấu hợp kim thấp, hợp kim vi mô/hóa học được kiểm soát).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Thành phần hóa học điển hình (wt%). Các giá trị hiển thị là giới hạn đại diện hoặc phạm vi điển hình được tham chiếu trong thực tế; luôn xác nhận bằng giấy chứng nhận của nhà máy hoặc tiêu chuẩn kiểm soát đối với nhiệt độ/sản phẩm cụ thể.

Yếu tố	A36 (điển hình theo thông lệ chung)	A992 (điển hình theo ASTM A992)
C (Cacbon)	≤ ~0,25–0,29 (tối đa)	≤ ~0,23 (tối đa)
Mn (Mangan)	~0,8–1,2	lên đến ~1,35 (được kiểm soát)
Si (Silic)	≤ ~0,40	≤ 0,40
P (Phốt pho)	≤ 0,04	≤ 0,035
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,05	≤ 0,040
Cr (Crom)	không cố ý thêm vào (dấu vết)	không cố ý thêm vào (dấu vết)
Ni (Niken)	chỉ theo dõi	chỉ theo dõi
Mo (Molypden)	chỉ theo dõi	chỉ theo dõi
V (Vanadi)	dấu vết / không xác định	hợp kim vi mô được phép hạn chế (lượng được kiểm soát)
Nb (Niobi)	dấu vết / không xác định	có thể có mặt ở lượng nhỏ được kiểm soát
Ti (Titan)	dấu vết / không xác định	có thể có mặt ở lượng nhỏ được kiểm soát
B (Bo)	chỉ theo dõi	chỉ theo dõi
N (Nitơ)	chỉ theo dõi	được kiểm soát (ảnh hưởng đến hiệu quả của hợp kim vi mô)

Hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào: - Cacbon và mangan chủ yếu quyết định độ bền và khả năng làm cứng: hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng độ bền nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo. - Silic là chất khử oxy và ảnh hưởng nhẹ đến độ bền; lượng Si quá nhiều có thể ảnh hưởng đến khả năng hàn và chất lượng bề mặt. - Hàm lượng phốt pho và lưu huỳnh được giữ ở mức thấp để duy trì độ dẻo dai và cải thiện khả năng hàn. - A992 sử dụng hóa học được kiểm soát và bổ sung hợp kim vi mô nhỏ (V, Nb, Ti với lượng được kiểm soát) để tăng giới hạn chảy và cải thiện độ dẻo dai mà không cần hàm lượng cacbon cao, cho phép tăng cường độ với khả năng hàn và độ dẻo dai chấp nhận được—đây là chiến lược của HSLA.

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

Quá trình xay xát điển hình: - A36: sản xuất theo phương pháp cán nóng, không chuẩn hóa theo tiêu chuẩn; cấu trúc vi mô thường là ferit + perlit với hạt ferit thô tùy thuộc vào quá trình cán và làm nguội. Không có sự gia cường hợp kim vi mô cố ý. - A992: được sản xuất bằng phương pháp cán và quản lý nhiệt có kiểm soát với khả năng hợp kim hóa vi mô; cấu trúc vi mô là ferit tinh chế với các chất kết tủa phân tán mịn từ các nguyên tố hợp kim hóa vi mô giúp tăng cường độ bền kéo và độ dẻo dai.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Cả hai loại thép này thường được cung cấp ở trạng thái cán cho các hình dạng kết cấu. Quy trình tiêu chuẩn không bao gồm việc tôi và ram cho cả hai loại thép khi được sử dụng làm hình dạng kết cấu tiêu chuẩn. - Chuẩn hóa (gia nhiệt và làm nguội có kiểm soát) có thể tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai cho cả hai loại thép, nhưng các hình dạng thương mại thường được cung cấp mà không cần chuẩn hóa sau khi cán. - Xử lý nhiệt cơ học hoặc xử lý nhiệt luyện nghiêm ngặt hơn không phải là phương pháp điển hình hoặc bắt buộc đối với thép A36 hoặc A992; các phương pháp xử lý như vậy sẽ chuyển vật liệu sang phân loại cấp khác (ví dụ: thép hợp kim thấp đã xử lý nhiệt luyện và ram). - Cán nhiệt cơ học cộng với hợp kim vi mô trong A992 tạo ra kích thước hạt mịn hơn và độ dẻo dai tốt hơn ở một độ bền nhất định so với A36 được sản xuất bằng phương pháp cán thông thường.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Các tính chất cơ học điển hình (các giá trị là mức tối thiểu đại diện hoặc phạm vi điển hình; tham khảo báo cáo thử nghiệm tiêu chuẩn hoặc nhà máy để biết các giá trị cụ thể theo hợp đồng).

Tài sản	A36 (điển hình)	A992 (điển hình)
Cường độ chịu kéo	36 ksi (≈ 250 MPa) (tối thiểu)	50 ksi (≈ 345 MPa) (tối thiểu cho các hình dạng)
Độ bền kéo	Phạm vi điển hình 58–80 ksi (≈ 400–550 MPa)	~65–90 ksi (≈ 450–620 MPa) phạm vi điển hình
Độ giãn dài (2 in / 50 mm)	~20% (thay đổi theo độ dày)	~18% (thay đổi tùy theo hình dạng và độ dày)
Độ bền va đập	Không được chỉ định thống nhất; thường thấp hơn A992 ở nhiệt độ thấp	Được kiểm soát để cung cấp độ bền khía được cải thiện ở nhiệt độ thấp hơn cho các ứng dụng xây dựng
Độ cứng	Điển hình trong phạm vi thép mềm (HB ~120–160)	Cao hơn một chút do hợp kim vi mô và xử lý có kiểm soát

Giải thích: - A992 được thiết kế chắc chắn hơn (giới hạn chảy tối thiểu cao hơn và mục tiêu chịu kéo cao hơn), cho phép các thành phần kết cấu nhẹ hơn, cứng hơn có cùng tải trọng. - A992 thường có sự kết hợp độ bền và độ dẻo dai tốt hơn A36 nhờ hợp kim vi mô và cán có kiểm soát; A36 dẻo hơn ở độ bền từ thấp đến trung bình. - Với cùng diện tích mặt cắt ngang, các mặt cắt A992 chịu tải trọng cao hơn hoặc cho phép tiết kiệm trọng lượng.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào lượng cacbon tương đương và hợp kim vi mô. Hai chỉ số hữu ích được hiển thị bên dưới.

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

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

Giải thích định tính: - A36 thường có hàm lượng carbon cao hơn một chút so với A992, điều này có xu hướng làm tăng lượng carbon tương đương và do đó có thể làm tăng nguy cơ nứt nguội ở các phần nặng hoặc với một số quy trình hàn nhất định. - Hàm lượng carbon thấp hơn và quá trình hợp kim hóa vi mô được kiểm soát của A992 nhìn chung giúp nó có khả năng hàn tương đương A36 trong các quy trình hàn kết cấu thông thường, miễn là việc gia nhiệt trước và làm mát sau hàn được thực hiện đúng cách cho các tiết diện dày. Các nguyên tố hợp kim hóa vi mô (V, Nb, Ti) có thể làm tăng độ cứng cục bộ, vì vậy đối với các tiết diện rất dày hoặc mối hàn có độ bền cao, việc chú ý đến quá trình gia nhiệt trước và làm mát có kiểm soát vẫn rất quan trọng. - Sử dụng khái niệm tương đương cacbon (như trên) để so sánh nhiệt dung riêng và độ dày và để lựa chọn thông số kỹ thuật về gia nhiệt trước/sau, kim loại hàn và quy trình hàn (WPS). - Đối với các mối hàn quan trọng hoặc có tiết diện dày, hãy tuân thủ WPS đã được chứng nhận và xem xét kiểm soát hydro, làm nóng trước và quản lý nhiệt độ giữa các đường hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả A36 và A992 đều không phải là thép không gỉ; cả hai đều dựa vào khả năng bảo vệ bề mặt để chống ăn mòn.
• Các biện pháp bảo vệ phổ biến: mạ kẽm nhúng nóng (lớp phủ kẽm), lớp phủ hữu cơ (sơn, sơn lót epoxy), mạ kim loại (phun kẽm hoặc nhôm) và hệ thống hy sinh hoặc rào cản cho môi trường khí quyển hoặc biển.
• PREN (chỉ số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ này. Để tham khảo, việc lựa chọn thép không gỉ sử dụng: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N} $$ nhưng chỉ số này không áp dụng cho A36/A992.
• Hướng dẫn lựa chọn: chọn giải pháp chống ăn mòn dựa trên phân loại môi trường, tuổi thọ dự kiến ​​và chiến lược bảo trì. Mạ kẽm là giải pháp phổ biến cho các kết cấu chịu tác động của thời tiết.

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

• Cắt: cả hai loại đều có thể gia công bằng phương pháp cắt bằng ngọn lửa, plasma, oxy-nhiên liệu và cưa mài mòn; A992 có thể có độ mài mòn dụng cụ liên quan đến độ bền cao hơn một chút.
• Uốn/tạo hình: Độ đàn hồi thấp hơn của A36 giúp uốn dễ hơn một chút mà không bị bật lại; độ đàn hồi cao hơn của A992 tạo ra độ đàn hồi lớn hơn và có thể cần lực tạo hình lớn hơn hoặc bán kính uốn lớn hơn.
• Khả năng gia công: cả hai đều có thể gia công bằng dụng cụ thông thường; độ bền cao hơn của A992 và các kết tủa hợp kim nhỏ có thể làm giảm tuổi thọ dụng cụ một chút so với A36.
• Hoàn thiện: cả hai đều chấp nhận sơn và phủ như nhau; cặn bề mặt do cán nóng cần được tính đến khi chuẩn bị phủ.

8. Ứng dụng điển hình

A36 — Công dụng điển hình	A992 — Công dụng điển hình
Tấm kết cấu chung, kênh, góc, thanh, kết cấu nhẹ nơi năng suất tối thiểu là đủ và chi phí là ưu tiên hàng đầu	Dầm và cột có mặt bích rộng trong các kết cấu xây dựng, nơi yêu cầu giới hạn chảy tối thiểu cao hơn và các đặc tính tiết diện có thể dự đoán được
Chế tạo khung máy móc, các thành phần không quan trọng và các thành phần cấu trúc thứ cấp	Kết cấu thép trong các tòa nhà nhiều tầng, thiết kế chịu động đất và gió, cột và dầm chịu tải trọng nặng
Các thành phần cấu trúc khác nhau, tấm đế, thanh giằng, cầu thang và sàn	Các thành phần chịu tải chính trong đó mã hoặc thiết kế yêu cầu giới hạn chảy tối thiểu 50 ksi và độ bền được tăng cường

Cơ sở lựa chọn: - Chọn A992 khi các quy định về kết cấu hoặc tính toán thiết kế yêu cầu thép có giới hạn chảy 50 ksi hoặc khi việc giảm trọng lượng thông qua các phần nhỏ hơn là có lợi. - Chọn A36 cho các tấm, góc và phần mục đích chung có chi phí thấp hơn, trong đó độ bền kéo 36 ksi là đủ.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: A992 thường có giá cao hơn một chút tính theo tấn so với A36 do kiểm soát hóa học chặt chẽ hơn và mục đích tạo hình; tuy nhiên, sử dụng A992 có thể giảm tổng chi phí dự án bằng cách cho phép tạo ra các đoạn nhỏ hơn và ít tấn thép hơn.
• Tính khả dụng: A36 có ở dạng tấm, thanh và nhiều hình dạng khác nhau; A992 có sẵn rộng rãi cho các hình dạng cán có vành rộng và là loại thép thường được chỉ định cho các hình dạng tòa nhà ở Bắc Mỹ.
• Hình dạng sản phẩm: A36 thường được cung cấp dưới dạng tấm, thanh, lá và các hình dạng khác; A992 được thiết kế riêng và phổ biến rộng rãi cho các hình dạng kết cấu cán (bích rộng).

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: So sánh nhanh

Hệ mét	A36	A992
Khả năng hàn	Tốt cho các chế tạo thông thường; xem CE trong các phần dày	Tốt, thường tốt hơn A36 do C thấp hơn; hợp kim vi mô đòi hỏi phải kiểm soát hàn tiêu chuẩn
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Năng suất thấp hơn (36 ksi), độ dẻo dai vừa phải	Năng suất cao hơn (50 ksi), cân bằng độ bền và độ dẻo dai tốt hơn nhờ quá trình xử lý được kiểm soát
Trị giá	Thấp hơn mỗi tấn; có sẵn rất rộng rãi	Phí bảo hiểm nhẹ cho mỗi tấn nhưng có thể giảm kích thước tiết diện và tổng trọng lượng

Khuyến nghị: - Chọn A36 nếu: - Thiết kế cho phép năng suất tối thiểu 36 ksi (250 MPa) và bạn ưu tiên chi phí vật liệu ban đầu thấp nhất hoặc cần tấm/thanh/góc trong chế tạo nói chung. - Các bộ phận là thành phần chính không quan trọng hoặc khi sử dụng dạng tấm và thanh trong đó A36 là thông lệ tiêu chuẩn.

• Chọn A992 nếu:
• Bạn đang chỉ định các hình dạng mặt bích rộng được cán hoặc các thành phần xây dựng chính được hưởng lợi từ giới hạn chảy tối thiểu 50 ksi (345 MPa) và độ dẻo dai được cải thiện.
• Bạn muốn có các đặc tính vật liệu có thể dự đoán và kiểm soát được cho các ứng dụng kết cấu chịu động đất hoặc có nhu cầu cao, và bạn coi trọng kích thước tiết diện giảm hoặc trọng lượng giảm.

Lưu ý cuối cùng: Luôn kiểm tra văn bản tiêu chuẩn kiểm soát và chứng chỉ thử nghiệm nhà máy để xác định nhiệt dung riêng, độ dày và hình dạng sản phẩm cần mua. Đối với quy trình hàn, mối hàn nặng hoặc mối hàn cố định, hoặc ứng dụng nhiệt độ thấp, hãy tính toán các giá trị cacbon tương đương có liên quan và điều chỉnh các thông số hàn cho phù hợp.