A36 so với S275 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

A36 và S275 là hai trong số những loại thép kết cấu được chỉ định phổ biến nhất trong ngành công nghiệp toàn cầu. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường đánh giá các mác thép này khi thiết kế nhà cửa, cầu đường, khung máy móc và các công trình chế tạo nặng, nơi cần cân bằng giữa chi phí, khả năng hàn và hiệu suất cơ học. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn giữa giới hạn chảy cao hơn một chút so với tính khả dụng của vật liệu, lựa chọn mác thép cho việc tạo hình nguội dễ dàng hơn hoặc cho kết cấu hàn, và việc kết hợp các đặc tính vật liệu với kế hoạch xử lý nhiệt chế tạo.

Điểm khác biệt chính giữa các loại thép này là A36 là thép cacbon kết cấu tiêu chuẩn Mỹ được sử dụng rộng rãi, trong khi S275 là loại thép kết cấu châu Âu tương đương. Chúng có phạm vi hiệu suất tương tự nhau nhưng khác nhau về giới hạn quy định tiêu chuẩn, các biện pháp kiểm soát hóa học điển hình và một số đảm bảo về tính chất cơ học. Do được quy định theo các hệ thống quy định khác nhau, việc thay thế trực tiếp đòi hỏi phải kiểm tra giới hạn độ dày tiết diện, điều kiện giao hàng và bất kỳ yêu cầu bổ sung nào về nền móng (ví dụ: thử nghiệm va đập).

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• A36: Được quy định trong ASTM A36 / A36M — phổ biến ở Hoa Kỳ và Bắc Mỹ cho các hình dạng kết cấu, tấm và thanh. Được phân loại là thép kết cấu cacbon thông thường.
• S275: Được quy định trong EN 10025-2 (và các tiêu chuẩn EN liên quan) — phổ biến ở Châu Âu. Đây là thép kết cấu không hợp kim; các loại thép nền bao gồm S275JR, S275J0, S275J2 (nhiệt độ thử nghiệm va đập khác nhau).
• Các tiêu chuẩn liên quan khác và các cấp độ tương đương:
• JIS: Thép kết cấu Nhật Bản có nhiều tên gọi khác nhau (ví dụ: SS400) và được tiêu chuẩn hóa riêng biệt.
• GB: Các tiêu chuẩn của Trung Quốc (ví dụ: Q235) có thể có chức năng tương tự nhưng khác nhau về các đặc tính được đảm bảo và thử nghiệm.
• Tài liệu tham khảo ASME/ISO: Việc lựa chọn vật liệu cho bình chịu áp suất hoặc ứng dụng nhiệt độ cao sẽ tham khảo các tiêu chuẩn bổ sung ngoài các thông số kỹ thuật về kết cấu này.

Phân loại: Cả A36 và S275 đều là thép kết cấu cacbon/không hợp kim thông thường (không phải thép HSLA, thép dụng cụ hoặc thép không gỉ), mặc dù S275 có thể được sản xuất với các nguyên tố hợp kim vi mô trong một số loại thép nền.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	Tiêu chuẩn A36 (ASTM A36) — giới hạn tiêu chuẩn	Tiêu chuẩn S275 (EN 10025-2) — giới hạn tiêu chuẩn
C (Cacbon)	Lên đến ~0,25–0,26% (tối đa)	Lên đến ~0,20–0,25% (tối đa) tùy thuộc vào nền đất
Mn (Mangan)	~0,8–1,2% (phạm vi phổ biến)	Lên đến ~1,5–1,6% (tối đa)
Si (Silic)	≤ ~0,40% (chất khử oxy)	Thông thường là 0,05–0,55% (chất khử oxy/vết)
P (Phốt pho)	≤ 0,04% (tối đa)	≤ 0,035% (tối đa)
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,05% (tối đa)	≤ 0,035% (tối đa)
Cr (Crom)	Dấu vết / thường <0,05%	Dấu vết (thường không cố ý pha trộn)
Ni (Niken)	Dấu vết	Dấu vết
Mo (Molypden)	Dấu vết	Dấu vết
V, Nb, Ti (hợp kim vi mô)	Thỉnh thoảng, nhưng không điển hình ở đường A36 thông thường	Hiếm thấy ở S275 thông thường; có thể có trong các loại thép đặc biệt có nguồn gốc từ họ S275
B, N	Dấu vết	Dấu vết

Ghi chú: - Các giá trị trên được coi là giới hạn hoặc phạm vi điển hình được trích dẫn trong thực tiễn. Thành phần chính xác cho phép phụ thuộc vào phiên bản tiêu chuẩn và nền đất cụ thể (ví dụ: S275JR so với S275J2). - Cả hai loại thép này đều chủ yếu dựa vào carbon và mangan để tạo độ bền. Silic và mangan đóng vai trò là chất khử oxy và chất tăng cường nhẹ; phốt pho và lưu huỳnh được giữ ở mức thấp vì chúng làm giòn thép và ảnh hưởng đến khả năng hàn. - Chiến lược hợp kim hóa: Đây không phải là loại thép được hợp kim hóa có chủ đích để tăng độ cứng (ví dụ: Cr, Mo, Ni không phải là thành phần chính). Nếu có hợp kim vi mô (V, Nb, Ti), mục đích là để kiểm soát hạt và tăng cường độ bền kéo thông qua quá trình gia cường kết tủa chứ không phải tăng độ cứng tổng thể.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Carbon làm tăng độ bền và khả năng làm cứng nhưng lại làm giảm độ dẻo và khả năng hàn vì nó làm tăng nguy cơ nứt nguội. - Mangan cải thiện độ dẻo dai và chống lại hiện tượng giòn do lưu huỳnh; ở mức cao hơn, nó làm tăng nhẹ khả năng tôi luyện. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (nếu có) sẽ làm mịn kích thước hạt và tăng cường độ bền kéo mà không làm giảm đáng kể khả năng hàn.

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

Cấu trúc vi mô điển hình cho cả hai loại sau khi cán tiêu chuẩn và làm mát bằng không khí là cấu trúc ferit-perlit: - Ferrite cung cấp độ dẻo và độ bền. - Pearlite cung cấp sức mạnh.

Phản hồi xử lý: - Chuẩn hóa (nung nóng trên phạm vi chuyển đổi và làm mát bằng không khí): tinh chỉnh kích thước hạt và có thể tăng nhẹ độ bền và độ dẻo dai cho cả hai loại thép, nhưng không thường được chỉ định cho các bộ phận kết cấu thông thường. - Làm nguội và ram: không điển hình cho thép A36 hoặc S275 vì các mác thép này được thiết kế dưới dạng thép cán nóng, không tôi. Việc áp dụng phương pháp tôi nguội và ram sẽ là một phương pháp xử lý quá mức và có thể tạo ra các tính chất không thể đoán trước trừ khi thành phần hóa học của thép được kiểm soát về khả năng tôi. - Cán nhiệt cơ học: Không phải là lộ trình tiêu chuẩn cho thép A36; thép họ S275 trong các nhà máy hiện đại có thể được cán có kiểm soát để tăng cường tính đồng nhất và độ dẻo dai, mang lại sự phân bổ tính chất chặt chẽ hơn một chút. - Sự khác biệt về nền đất (ví dụ: S275JR so với S275J2) phản ánh thử nghiệm va đập và đôi khi kiểm soát chặt chẽ hơn cấu trúc vi mô để đảm bảo độ dẻo dai ở nhiệt độ quy định.

Vì không có cấp nào được coi là hợp kim tôi cứng, nên cách chính để thay đổi tính chất là thông qua cán/chuẩn hóa (tinh chỉnh hạt) hoặc chuyển sang thông số kỹ thuật khác (ví dụ: cấp HSLA để có giới hạn chảy cao hơn).

4. Tính chất cơ học

Tài sản	A36 (điển hình, ASTM A36)	S275 (điển hình, EN S275)
Cường độ chịu lực tối thiểu	250 MPa (36 ksi)	275 MPa (cho phạm vi phụ thuộc vào độ dày)
Độ bền kéo (UTS)	~400–550 MPa (phạm vi điển hình)	~410–560 MPa (phạm vi điển hình)
Độ giãn dài (A%)	~20% (tùy thuộc vào độ dày)	~20–26% (tùy thuộc vào nền đất và độ dày)
Độ bền va đập Charpy	Không được chỉ định cho A36 cơ bản — tùy thuộc vào nhà cung cấp/kiểm tra	Được chỉ định cho các nền đất (ví dụ: S275JR: 27 J ở nhiệt độ phòng; các biến thể J0/J2 ở nhiệt độ thấp hơn)
Độ cứng (HB/HRB xấp xỉ)	Thấp đến trung bình (tùy thuộc vào UTS)	Tương tự như A36; có sự thay đổi nhỏ theo nền đất

Giải thích: - S275 có cường độ chịu kéo tối thiểu được đảm bảo cao hơn một chút so với A36, cho phép giảm trọng lượng vừa phải hoặc tăng khả năng chịu tải cho cùng một mặt cắt ngang. - Phạm vi độ bền kéo chồng chéo đáng kể; cả hai loại thép đều có đặc tính chịu kéo tương tự nhau khi cán. - Độ bền: Nền đường S275 bao gồm thử nghiệm va đập (JR, J0, J2) cung cấp các bảo đảm rõ ràng, có thể rất quan trọng khi sử dụng ở nhiệt độ thấp hoặc chịu tải trọng động. - Sự khác biệt về độ dẻo là không đáng kể; lựa chọn thực tế phụ thuộc vào nền đất, độ dày và lịch sử xử lý nhiệt của nhà cung cấp.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép cacbon thường nhìn chung là tốt, nhưng phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, hợp kim kết hợp, độ dày mặt cắt và quy trình hàn.

Chỉ số khả năng hàn có liên quan: - Carbon tương đương (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Công thức Pcm (hữu ích để đánh giá 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: - Cả A36 và S275 thường có hàm lượng cacbon tương đương thấp, mang lại khả năng hàn tốt cho các quy trình hồ quang thông thường. Hàm lượng P và S thấp và Mn trung bình hỗ trợ chất lượng mối hàn. - Vì S275 đôi khi có giới hạn mangan cao hơn nên CE của nó có thể cao hơn một chút so với A36; tuy nhiên, trên thực tế, cả hai đều có thể hàn dễ dàng bằng vật tư tiêu hao tiêu chuẩn và chỉ nên gia nhiệt/thực hành trên các phần dày hơn hoặc mối hàn bị hạn chế. - Hợp kim vi mô làm tăng khả năng tôi luyện một chút; nếu có, hãy tính đến nó trong quy trình hàn (kiểm soát nung nóng trước/lọc giữa các lớp hàn) để tránh nứt nguội. - Đối với các kết cấu hàn quan trọng, hãy tính toán $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ có liên quan bằng các phân tích thực tế tại nhà máy và tuân theo các quy tắc về gia nhiệt trước, nhiệt độ giữa các đường hàn và lựa chọn vật tư tiêu hao.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả A36 và S275 đều không phải thép không gỉ; cả hai đều cần được bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường tiếp xúc trực tiếp.
• Các phương pháp bảo vệ phổ biến: mạ kẽm nhúng nóng, sơn gốc dung môi hoặc sơn epoxy, sơn tĩnh điện và mạ kim loại. Việc lựa chọn tùy thuộc vào mức độ nghiêm trọng của môi trường và tuổi thọ sử dụng.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) chỉ liên quan đến thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ — không áp dụng cho thép kết cấu không hợp kim như A36 hoặc S275.
• Đối với môi trường khí quyển, phương pháp thông thường là mạ kẽm hoặc sơn phủ phù hợp. Đối với môi trường chôn ngầm hoặc biển, nên cân nhắc sử dụng lớp phủ bền hơn, bảo vệ catốt hoặc hợp kim chống ăn mòn thay vì thép thường.

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

• Khả năng gia công: Cả hai loại thép đều có khả năng gia công tương đương nhau; A36 được đánh giá rộng rãi là có khả năng gia công khá. S275 thì tương đương — khả năng gia công thực tế phụ thuộc vào thành phần hóa học chính xác và kỹ thuật cán.
• Uốn/tạo hình nguội: Cả hai loại thép đều có thể tạo hình khi độ dày và bán kính uốn tuân theo các bảng tiêu chuẩn. Hàm lượng cacbon thấp hơn và không có cấu trúc vi mô được tôi cứng bằng phương pháp tôi giúp tăng khả năng tạo hình. Việc uốn cong lớn hoặc tạo hình nguội rất tốt các tiết diện dày hơn nên tham khảo hướng dẫn về bán kính uốn.
• Cắt và khoan: Áp dụng phương pháp cắt bằng ngọn lửa tiêu chuẩn, plasma và cắt cơ học. Đối với công việc chính xác, khuyến nghị cắt laser hoặc cắt tia nước.
• Hoàn thiện bề mặt: Bề mặt cán nóng của cả hai loại đều có thể có vảy cán; đối với các ứng dụng sơn hoặc liên kết, cần phải chuẩn bị bề mặt (phun cát, tẩy axit).
• Chế tạo hàn: Lựa chọn điện cực tiêu chuẩn cho thép mềm; xử lý trước và sau khi hàn thường không cần thiết đối với các phần mỏng nhưng có thể cần thiết đối với các mối hàn dày hoặc có độ bền cao.

8. Ứng dụng điển hình

A36 — Công dụng điển hình	S275 — Công dụng điển hình
Hình dạng kết cấu xây dựng và cầu (dầm chữ I, kênh)	Kết cấu thép trong các tòa nhà và cầu (dự án châu Âu)
Tấm và thanh kết cấu chung cho khung máy móc	Tấm và phần cho kết cấu hàn, cần cẩu và khung
Tấm đế, tấm ốp và tấm kết nối	Các thành phần cấu trúc mong muốn có năng suất cao hơn một chút
Chế tạo nhẹ đến trung bình, tay vịn và giá đỡ	Các dự án yêu cầu chứng nhận EN và nền đường được kiểm tra tác động

Cơ sở lựa chọn: - Chọn A36 khi chỉ định theo tiêu chuẩn ASTM, mua từ các nhà máy ở Bắc Mỹ hoặc khi năng suất 250 MPa là chấp nhận được và chi phí/tính khả dụng là yếu tố chính. - Chọn S275 khi làm việc trong phạm vi mua sắm EN/Châu Âu, khi mong muốn năng suất tối thiểu cao hơn một chút hoặc khi yêu cầu các đặc tính va đập được chỉ định (JR/J0/J2).

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Tại nhiều thị trường, A36 và S275 có giá tương đương nhau khi được sản xuất trong nước theo chế độ tiêu chuẩn tương ứng. Chênh lệch giá chủ yếu phụ thuộc vào nguồn cung thép cán khu vực, lớp hoàn thiện (tấm, cuộn, tiết diện kết cấu) và điều kiện thị trường.
• Tính khả dụng: A36 được cung cấp rộng rãi ở Bắc Mỹ; S275 được cung cấp rộng rãi ở Châu Âu. Các dự án toàn cầu nên kiểm tra chứng nhận của các cổ đông và nhà cung cấp địa phương. Các hình thức sản phẩm cụ thể (tấm dày, dầm cánh rộng, báo cáo thử nghiệm được chứng nhận) sẽ ảnh hưởng đến thời gian giao hàng và giá cao cấp.
• Xét về giá trị: Năng suất cao hơn một chút của S275 có thể mang lại cơ hội tiết kiệm trọng lượng; tuy nhiên, khả năng tương thích trong mua sắm và chế tạo phải được cân nhắc so với chi phí đơn vị vật liệu.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	A36	S275
Khả năng hàn	Xuất sắc (C thấp, thực hành tiêu chuẩn)	Tuyệt vời (C thấp, Mn cao hơn một chút ở một số thông số kỹ thuật)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Tốt; năng suất 250 MPa	Năng suất cao hơn một chút (275 MPa); nền đường đảm bảo chịu tác động
Chi phí / Khả dụng	Có sẵn rộng rãi ở Bắc Mỹ; thường có giá thành hợp lý	Có sẵn rộng rãi ở Châu Âu; chi phí tương tự tại địa phương

Khuyến nghị: - Chọn A36 nếu bạn đang làm việc theo thông số kỹ thuật dựa trên ASTM, cần loại thép kết cấu Bắc Mỹ đã được chứng minh là hiệu quả về chi phí và không yêu cầu nền đất đã được kiểm tra va đập hoặc năng suất cao hơn một chút của S275. - Chọn S275 nếu tiêu chuẩn mua sắm và thiết kế của bạn dựa trên EN, bạn cần cường độ chịu kéo cao hơn được đảm bảo hoặc hiệu suất va đập được chỉ định (JR/J0/J2) hoặc bạn yêu cầu chứng nhận vật liệu theo sê-ri EN 10025.

Lưu ý cuối cùng: Mặc dù A36 và S275 thường được coi là tương đương thực tế, hãy luôn kiểm tra chứng chỉ thử nghiệm nhà máy, chỉ định nền móng, yêu cầu về đặc tính phụ thuộc vào độ dày và nhu cầu hàn/kiểm tra trước khi thay thế. Đối với các ứng dụng hàn và nhiệt độ thấp, hãy xác nhận thử nghiệm va đập và tính toán giá trị cacbon tương đương từ các phân tích hóa học thực tế để xác định chiến lược gia nhiệt trước và tiêu hao.