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 cho các công trình xây dựng, cầu đường và chế tạo nói chung. Các kỹ sư và đội ngũ mua sắm thường cân nhắc giữa chi phí nguyên liệu thô, trọng lượng tiết diện, khả năng hàn và hiệu suất cơ học cần thiết khi lựa chọn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn thép tấm/phôi phẳng, trong đó tiết kiệm chi phí và là yếu tố chính (A36) so với việc lựa chọn thép tấm nhẹ hơn, cường độ thiết kế cao hơn và hiệu suất cánh rộng đồng đều (A992).

Sự khác biệt kỹ thuật chính giữa các cấp thép này là A992 là thép kết cấu hợp kim thấp cường độ cao (HSLA) hiện đại, được tối ưu hóa để mang lại giới hạn chảy cao hơn và cân bằng độ bền-độ dẻo dai thuận lợi thông qua quy trình hóa học được kiểm soát và hợp kim hóa vi mô, trong khi A36 là thép kết cấu cacbon truyền thống với giới hạn chảy tối thiểu thấp hơn và thành phần hóa học đơn giản hơn. Những khác biệt này dẫn đến sự khác biệt trong quá trình chế tạo, hàn và thiết kế kết cấu.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• ASTM/ASME:
• A36: ASTM A36 / ASME SA36 — “Thép kết cấu cacbon”
• A992: ASTM A992 / A992M — “Các hình dạng thép kết cấu” (HSLA cho các hình dạng có mặt bích rộng)
• EN: các loại EN tương đương gần đúng là họ S275/S355 có độ bền tương tự nhưng không có sự phù hợp trực tiếp một-một
• JIS/GB: Tiêu chuẩn Nhật Bản và Trung Quốc có các cấp kết cấu tương tự (ví dụ: SS400, Q345) nhưng thành phần và bảo hành khác nhau
• Phân loại:
• A36: thép kết cấu cacbon
• A992: thép kết cấu hợp kim thấp cường độ cao (HSLA) (dành cho các hình dạng kết cấu cán)

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây tóm tắt các giới hạn hoặc phạm vi thành phần điển hình theo quy định của tiêu chuẩn ASTM và thông lệ nhà máy. Các giá trị được đưa ra dưới dạng phần trăm trọng lượng và là giá trị tối đa hoặc phạm vi điển hình chứ không phải là thành phần chính xác cho bất kỳ lô nhà máy nào.

Yếu tố	A36 (giới hạn điển hình)	A992 (giới hạn điển hình / ghi chú)
C	≤ 0,26%	≤ 0,23% (hàm lượng carbon thấp hơn để có khả năng hàn và độ bền tốt hơn)
Mn	0,60–1,20% (tối đa ≈1,20%)	~0,30–1,50% (kiểm soát độ bền và độ dẻo dai)
Si	≤ 0,40%	≤ 0,40% (khử oxy; được kiểm soát)
P	≤ 0,04%	≤ 0,035% (P thấp hơn cải thiện độ dẻo dai)
S	≤ 0,05%	≤ 0,045%
Cr	dấu vết	≤ 0,20% (nếu có)
Ni	dấu vết	≤ 0,50% (nếu có)
Mo	dấu vết	≤ 0,08% (nếu có)
V	không xác định (dấu vết)	có thể chứa V nhỏ (≤ 0,10%) dưới dạng hợp kim vi mô
Nb (Nb/Ta)	không có chỉ định	có thể chứa hợp kim vi mô (≤ 0,05%)
Ti	không có chỉ định	lượng vết có thể có để kiểm soát ngũ cốc
B	không xác định	dấu vết nếu được sử dụng để kiểm soát độ cứng
N	không xác định	kiểm soát N thấp thường được áp dụng để kiểm soát độ bao gồm/độ dẻo dai

Hợp kim ảnh hưởng đến hành vi như thế nào: - Hàm lượng carbon thấp hơn và phốt pho/lưu huỳnh được kiểm soát giúp cải thiện độ bền và khả năng hàn. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) trong A992 làm mịn kích thước hạt và tăng cường độ kết tủa, mang lại cường độ giới hạn chảy cao hơn với độ dẻo được giữ nguyên. - Hợp kim vết (Cr, Ni, Mo) nếu có có thể làm tăng nhẹ độ cứng và độ bền nhưng được giữ ở mức thấp trong thông số kỹ thuật cấu trúc để duy trì khả năng hàn.

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

• A36: Cấu trúc vi mô cán điển hình là ferit với các đảo perlit. Vì được chỉ định là thép kết cấu cacbon thông thường, nó thường được sử dụng ở trạng thái cán mà không cần xử lý nhiệt thêm. Kích thước hạt và hình thái ferit-perlit kiểm soát các tính chất cơ học; có thể chuẩn hóa nhưng hiếm khi được áp dụng trong chế tạo kết cấu thông thường.
• A992: Cấu trúc vi mô cán là ferit với thành phần peclit hoặc bainit mịn hơn tùy thuộc vào quá trình cán và làm nguội. Vi hợp kim và gia công cơ nhiệt thúc đẩy kích thước hạt austenit mịn hơn và phân tán các chất kết tủa (ví dụ: NbC, VC) được gia cường bằng cách kết tủa và tinh chế hạt.
• Các phương pháp xử lý nhiệt:
• Chuẩn hóa: có thể tinh chỉnh kích thước hạt và tăng nhẹ độ dẻo dai cho cả hai loại, nhưng trên thực tế không thường được chỉ định cho các hình dạng bích rộng.
• Làm nguội và ram: không điển hình cho cả hai loại thép này trong các dạng sản phẩm kết cấu; các loại thép này không dùng để xử lý làm cứng mạnh trong các hình dạng thương mại.
• Xử lý nhiệt cơ học (A992): cán có kiểm soát và làm nguội nhanh trong quá trình cán tạo ra các đặc tính HSLA—năng suất cao hơn cho độ dẻo dai tương đương mà không cần xử lý nhiệt sau cán.

4. Tính chất cơ học

Bảng này thể hiện các đặc tính cơ học tiêu chuẩn hoặc điển hình thường được sử dụng trong thiết kế. Giá trị thực tế phụ thuộc vào độ dày, quy trình sản xuất và thông số kỹ thuật được áp dụng.

Tài sản	A36 (điển hình)	A992 (điển hình)
Cường độ chịu lực tối thiểu	36 ksi (250 MPa)	50 ksi (345 MPa)
Độ bền kéo (phạm vi)	58–80 ksi (400–550 MPa) tùy thuộc vào độ dày	~65–85 ksi (450–585 MPa) điển hình
Độ giãn dài (200 mm hoặc 2 in)	≥ 20% (tùy thuộc vào độ dày)	≥ 18% (tùy theo từng hạng mục và thông số kỹ thuật)
Độ bền va đập	Không được chỉ định theo mặc định; có thể thay đổi — độ dẻo dai vừa phải	Độ bền khía thường tốt hơn do hàm lượng C thấp hơn và hợp kim vi mô; có thể được chỉ định khi cần thiết
Độ cứng	Trung bình (HRB điển hình ở mức trung bình thấp)	Cao hơn (phản ánh năng suất cao hơn); vẫn nằm trong phạm vi khả năng tạo hình tốt

Giải thích: - A992 cung cấp độ bền kéo tối thiểu cao hơn đáng kể và khả năng chịu kéo cao hơn, cho phép chế tạo các bộ phận nhẹ hơn hoặc các phần nhỏ hơn cho cùng một tải trọng. - A36 dẻo hơn theo thông số kỹ thuật ở nhiều độ dày và phù hợp với nhiều ứng dụng kết cấu không quan trọng. - Độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp có xu hướng tốt hơn ở A992 khi nhà máy kiểm soát hóa chất và quá trình chế biến; tuy nhiên, độ dẻo dai khi va đập không được đảm bảo trên toàn cầu trừ khi có chỉ định cụ thể.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, lượng cacbon tương đương và hợp kim vi mô. Hai chỉ số thực nghiệm thường được sử dụng là:

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

Và

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

Giải thích định tính: - A36: Carbon ở mức trung bình nhưng cao hơn A992; CE và Pcm ở mức trung bình, do đó A36 thường dễ hàn với vật tư tiêu hao và quy trình hàn tiêu chuẩn. Có thể cần gia nhiệt trước và kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn đối với các đoạn hàn dày hơn hoặc mối hàn quan trọng để tránh nứt hydro. - A992: Hàm lượng carbon thấp hơn và nồng độ hạn chế các nguyên tố làm tăng độ cứng thường tạo ra hàm lượng carbon hiệu dụng thấp hơn và độ cứng thấp hơn, giúp cải thiện khả năng hàn. Các nguyên tố hợp kim vi mô thường không làm giảm khả năng hàn nếu được xử lý đúng cách. Đối với các kết cấu quan trọng, kỹ sư vẫn chỉ định quy trình hàn phù hợp, gia nhiệt sơ bộ và điện cực đạt tiêu chuẩn theo yêu cầu của AWS và dự án.

Ghi chú thực tế: - Cả hai loại này thường được nối bằng phương pháp hàn SMAW, GMAW và FCAW với các điện cực cấu trúc tiêu chuẩn. - Các hình dạng bích rộng A992 có hướng dẫn hàn được chứng nhận trước rõ ràng trong các tiêu chuẩn kết cấu thép; các nhà thiết kế kết cấu nên tuân theo các quy tắc hiện hành về nung nóng trước, lựa chọn kim loại phụ và chứng nhận.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả A36 và A992 đều không phải thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn nội tại tương tự nhau và chỉ giới hạn ở thép cacbon trần.
• Các chiến lược bảo vệ phổ biến:
• Mạ kẽm nhúng nóng để sử dụng ngoài trời lâu dài và chống ăn mòn trong khí quyển.
• Hệ thống sơn phủ bảo vệ (sơn lót + sơn phủ) cho cầu và thép xây dựng.
• Thép chịu thời tiết (kiểu corten) là một họ hợp kim khác; A992 không phải là thép chịu thời tiết trừ khi được sản xuất và chứng nhận cụ thể như vậy.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) chỉ liên quan đến hợp kim thép không gỉ và không áp dụng cho A36 hoặc A992:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$

Không áp dụng PREN ở đây; thay vào đó hãy chọn lớp phủ và độ dày mạ kẽm theo môi trường và kỳ vọng về vòng đời.

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

• Cắt: Cả hai loại đều dễ dàng cắt bằng oxy-nhiên liệu, plasma, laser và tia nước. Độ bền cao hơn của A992 có thể ảnh hưởng đôi chút đến các thông số cắt nhưng không ảnh hưởng đến phương pháp cắt đã chọn.
• Khả năng gia công: Thép cacbon như A36 và thép HSLA như A992 có tính chất tương tự nhau khi gia công nói chung, nhưng độ bền cao hơn và các tạp chất hợp kim nhỏ của A992 có thể khiến dụng cụ bị mài mòn nhiều hơn một chút trong một số thao tác.
• Uốn và tạo hình: A36, với cường độ chịu kéo thường thấp hơn, dễ dàng tạo hình thành các biến dạng lớn mà không bị đàn hồi. Cường độ chịu kéo cao hơn của A992 đòi hỏi lực ép mạnh hơn và khả năng kiểm soát đàn hồi chặt chẽ hơn; tuy nhiên, việc tạo hình kỹ thuật trong giới hạn vật liệu là điều bình thường.
• Hoàn thiện: Cả hai đều được phủ lớp sơn, mạ kẽm và sơn theo cách tương tự nhau. Quy trình xử lý sơ bộ và làm sạch bằng phun cát là giống hệt nhau.

8. Ứng dụng điển hình

A36 — Công dụng điển hình	A992 — Công dụng điển hình
Tấm kết cấu chung, góc, mặt phẳng và chế tạo chi phí thấp	Dầm, cột và hình dạng kết cấu có mặt bích rộng trong các tòa nhà và cầu
Các thành phần không quan trọng trong đó hàn và bu lông là tiêu chuẩn và tải trọng ở mức vừa phải	Khung kết cấu chính trong đó việc giảm thiểu kích thước và trọng lượng của phần là quan trọng
Cơ sở thiết bị, giá đỡ và các thành phần sản xuất chung	Khung nhà cao tầng và trung tầng, dầm dài, cầu đường cao tốc
Sửa chữa chi phí thấp, các thành phần thứ cấp và kết cấu thép khác	Các tình huống đòi hỏi tính chất tiết diện đồng nhất và tỷ lệ sức bền trên trọng lượng cao hơn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn A36 vì chi phí, tính khả dụng và chế tạo đơn giản hơn là ưu tiên hàng đầu và không yêu cầu độ bền cao hơn. - Chọn A992 khi thiết kế kết cấu đòi hỏi độ bền cao hơn để giảm kích thước thành phần hoặc khi quy định hoặc người mua yêu cầu A992 cho hình dạng bích rộng với các đặc tính có thể dự đoán được của nhà máy.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: A36 thường rẻ hơn trên một đơn vị khối lượng vì ít được xử lý hơn và có thành phần hóa học đơn giản hơn. A992 có giá cao hơn nhờ độ bền cao hơn và quy trình xử lý được kiểm soát chặt chẽ.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm:
• A36: có sẵn rộng rãi ở dạng tấm, thanh, góc, kênh và hình dạng; gần như phổ biến trong chuỗi cung ứng kết cấu nói chung.
• A992: thường được sản xuất và lưu trữ cho các mặt cắt và dầm có mặt bích rộng (W) được cán; ít phổ biến hơn ở dạng tấm trừ khi có chỉ định khác.
• Quan điểm về vòng đời: A992 có thể giảm tổng trọng lượng vật liệu và chi phí lắp dựng; so sánh chi phí vật liệu giao hàng cộng với tác động của việc chế tạo và lắp dựng thay vì chỉ so sánh giá thép thô.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	A36	A992
Khả năng hàn	Tốt (thực hành tiêu chuẩn)	Rất tốt (C thấp hơn, khả năng làm cứng thấp hơn)
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Năng suất thấp, độ dẻo tốt	Năng suất cao hơn và độ dẻo dai cân bằng (HSLA)
Trị giá	Thấp hơn trên mỗi đơn vị khối lượng	Cao hơn trên mỗi đơn vị khối lượng, nhưng độ bền trên trọng lượng tốt hơn
Khả dụng	Rất cao trên nhiều dạng sản phẩm	Cao đối với các hình dạng cán; tập trung vào các phần có mặt bích rộng

Chọn A36 nếu: - Dự án của bạn sử dụng các tấm, mặt phẳng hoặc khung phụ không quan trọng và chi phí cho mỗi tấn là yếu tố chính. - Thiết kế không yêu cầu độ bền kéo cao và bạn thích loại thép dẻo hơn, dễ tạo hình hơn để chế tạo phức tạp. - Các nhà cung cấp địa phương có sẵn A36 theo các hình thức và mục yêu cầu.

Chọn A992 nếu: - Bạn cần cường độ chịu kéo tối thiểu cao hơn (50 ksi / 345 MPa) để giảm kích thước tiết diện hoặc tổng trọng lượng và đáp ứng tiêu chuẩn thiết kế hoặc quy định về kết cấu. - Bạn đang chỉ định các dầm/cột cán có mặt bích rộng khi cần các đặc tính cán có thể dự đoán được, độ bền cao hơn và độ dẻo dai tốt. - Hiệu suất hàn, kích thước thành phần mỏng hơn và tính chất cơ học đồng nhất cho các thành phần kết cấu là những ưu tiên hàng đầu.

Phần kết luận A36 và A992 phục vụ các triết lý thiết kế khác nhau: A36 dành cho công trình kết cấu đa năng, tiết kiệm chi phí; A992 dành cho các hình dạng kết cấu tối ưu, cường độ cao, trong đó hiệu quả vật liệu và hiệu suất tiết diện đồng đều là yếu tố quan trọng. Hãy chỉ định loại thép phù hợp với cả yêu cầu kết cấu và các ràng buộc về chi phí chế tạo, hàn và vòng đời của dự án.