A572 Gr50 so với A992 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

ASTM A572 Cấp 50 và ASTM A992 là hai trong số những loại thép kết cấu được chỉ định phổ biến nhất ở Bắc Mỹ. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà chế tạo thường xuyên cân nhắc giữa chi phí, độ bền, khả năng hàn và khả năng sản xuất khi lựa chọn giữa chúng cho dầm, cột, tấm và hình dạng cán. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm cân bằng giữa độ bền tuyệt đối và tính nhất quán của các đặc tính cơ học, chọn cấp thép phù hợp hơn với mối hàn nặng và đầu vào nhiệt không đồng đều, hoặc chọn vật liệu được tối ưu hóa cho hình dạng cánh rộng và hiệu quả lắp dựng.

Sự khác biệt kỹ thuật chính giữa các loại thép này nằm ở sự kết hợp giữa kiểm soát hóa học và các phương pháp hợp kim vi mô nhằm tối ưu hóa khả năng hàn và hình dạng cơ học sau khi cán cho các hình dạng kết cấu. Trên thực tế, điều này có nghĩa là A992 được thiết kế riêng cho các hình dạng cán mép rộng với giới hạn thành phần chặt chẽ hơn và kiểm soát độ bền/khả năng hàn, trong khi A572 Gr50 là thông số kỹ thuật tấm/hình dạng kết cấu HSLA rộng hơn với hóa học và hình dạng sản phẩm linh hoạt hơn. Đây là lý do tại sao hai loại thép này thường được so sánh trong thiết kế kết cấu và mua sắm chế tạo.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• ASTM / ASME:
• ASTM A572/A572M — Thép kết cấu Columbium-vanadi hợp kim thấp có độ bền cao (A572 có nhiều cấp, bao gồm Cấp 50).
• ASTM A992/A992M — Các hình dạng thép kết cấu dùng trong khung tòa nhà.
• ASME thường tham chiếu đến các tiêu chuẩn vật liệu ASTM tương tự.
• Tương đương quốc tế (xấp xỉ):
• EN: S355 (EN 10025-2) — thường được coi là tiêu chuẩn tương đương của Châu Âu với A572 Gr50 (lưu ý: không giống hệt—hãy kiểm tra các yêu cầu về mã địa phương).
• GB: Q345 — thường được coi là loại thép Trung Quốc tương đương với S355/A572 Gr50 theo nghĩa rộng.
• JIS: không có từ tương đương trực tiếp chính xác; cần phải so sánh kỹ thuật cẩn thận.
• Phân loại: Cả A572 Gr50 và A992 đều là thép cacbon HSLA (hợp kim thấp cường độ cao) dùng cho các ứng dụng kết cấu (không phải thép không gỉ hoặc thép dụng cụ).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là bản tóm tắt thực tế, hướng đến thông số kỹ thuật về các thành phần chính thường được kiểm soát trong mỗi cấp thép. Giới hạn thực tế thay đổi tùy theo phiên bản thông số kỹ thuật và nhà máy; hãy luôn kiểm tra báo cáo thử nghiệm nhà máy để mua hàng.

Nguyên tố (wt%)	A572 Cấp 50 (giới hạn điển hình)	A992 (giới hạn điển hình)
C	≤ 0,23 (tối đa)	≤ 0,23 (tối đa)
Mn	≤ 1,35 (tối đa)	≤ 1,35 (tối đa)
Si	≤ 0,40 (tối đa)	≤ 0,40 (tối đa)
P	≤ 0,04 (tối đa)	≤ 0,04 (tối đa)
S	≤ 0,05 (tối đa)	≤ 0,05 (tối đa)
Cr	không được chỉ định thông thường (dấu vết)	không được chỉ định thông thường (dấu vết)
Ni	không được chỉ định thông thường (dấu vết)	không được chỉ định thông thường (dấu vết)
Mo	thường không được chỉ định	thường không được chỉ định
V (vanadi)	có thể được thêm vào (hợp kim siêu nhỏ)	được kiểm soát; mức độ thấp được phép
Nb (columbi)	hợp kim vi mô có thể xảy ra	hạn chế/kiểm soát
Ti	hợp kim vi mô có thể xảy ra	hạn chế/kiểm soát
B	dấu vết (nếu sử dụng)	dấu vết (nếu sử dụng)
N	được kiểm soát (thấp)	được kiểm soát (thấp)

Ghi chú: - Cả hai loại thép này chủ yếu là thép HSLA cacbon-mangan. Các nguyên tố vi hợp kim như V, Nb và Ti được sử dụng có chọn lọc để tinh chỉnh kích thước hạt và tăng cường độ chảy mà không làm tăng đáng kể hàm lượng cacbon. Tiêu chuẩn A992 thường áp dụng quy định kiểm soát chặt chẽ hơn lượng dư và một số nguyên tố hợp kim để cải thiện tính đồng nhất của hình dạng bích rộng và hạn chế khả năng tôi cứng có thể ảnh hưởng đến khả năng hàn. - Hợp kim ảnh hưởng đến độ bền, độ dẻo dai và khả năng làm cứng: cacbon và mangan làm tăng độ bền nhưng cũng làm tăng lượng cacbon tương đương (khả năng làm cứng); hợp kim vi mô với Nb/V/Ti cho phép giới hạn chảy cao hơn với lượng cacbon tương đương thấp hơn, duy trì khả năng hàn và độ dẻo dai.

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

• A572 Gr50:
• Cấu trúc vi mô điển hình từ quá trình cán/chuẩn hóa thông thường bao gồm ma trận ferit-pearlit/hợp kim siêu nhỏ được tinh chế tùy thuộc vào lượng hợp kim siêu nhỏ được bổ sung và lịch sử nhiệt.
• Phản ứng tốt với quá trình cán và chuẩn hóa có kiểm soát; quá trình tôi và ram không phải là phương pháp điển hình cho các hình dạng kết cấu được quy định trong thông số kỹ thuật ASTM A572.
• A992:
• Được sản xuất và chỉ định chủ yếu cho các hình dạng cán có vành rộng; quy trình cán tập trung vào việc cán và làm nguội có kiểm soát để tạo ra cấu trúc vi mô ferit-pearlit hoặc bainit-nạc đồng nhất với kích thước hạt mịn.
• Các quy trình kiểm soát nhiệt cơ học (TMCP) và hợp kim vi mô được sử dụng để đáp ứng yêu cầu phân bổ độ bền và cơ học chặt chẽ hơn cho các ứng dụng dầm/cột.
• Xử lý nhiệt:
• Cả A572 Gr50 và A992 đều không được tôi và ram theo tiêu chuẩn; cả hai đều được cung cấp ở dạng cán hoặc chuẩn hóa. Đôi khi, các quy trình xử lý nhiệt bổ sung sau khi chế tạo được chỉ định cho các yêu cầu cụ thể của dự án, nhưng không phải là tiêu chuẩn cho các mác thép này.
• Chuẩn hóa và TMCP cải thiện độ dẻo dai và tinh chỉnh kích thước hạt; tăng khả năng làm cứng thông qua hợp kim cao hơn sẽ cải thiện độ bền nhưng có thể ảnh hưởng xấu đến khả năng hàn trừ khi được bù đắp bằng các chiến lược hợp kim hóa vi mô.

4. Tính chất cơ học

Các giá trị cơ học chính được đảm bảo được thiết lập theo thông số kỹ thuật. Bảng so sánh điển hình:

Tài sản	A572 Cấp 50	A992
Cường độ chịu lực tối thiểu	50 ksi (345 MPa)	50 ksi (345 MPa)
Độ bền kéo điển hình	~65–85 ksi (450–585 MPa)	~65–85 ksi (450–585 MPa)
Độ giãn dài (tối thiểu, tùy thuộc vào độ dày)	≈ 18% (thay đổi theo độ dày)	≈ 18% (thay đổi theo độ dày)
Độ bền va đập	Có thể được sản xuất với các giá trị CVN phù hợp; thử nghiệm tùy chọn/theo hợp đồng	Thường được sản xuất với khả năng kiểm soát độ dẻo dai chặt chẽ hơn đối với các hình dạng cán; có thể yêu cầu thử nghiệm va đập theo từng dự án
Độ cứng	Tương quan với năng suất; độ cứng điển hình trong phạm vi cấu trúc	Tương tự như A572 Gr50 khi được sản xuất ở cùng mức năng suất

Giải thích: - Cả hai loại thép đều có cùng giới hạn chảy tối thiểu (50 ksi) theo thông số kỹ thuật. Độ bền kéo và độ dẻo tương đương nhau trên thực tế. - Sự khác biệt xuất hiện ở độ chặt chẽ của phân phối, tính nhất quán giữa các dạng sản phẩm và quy trình kiểm soát của nhà máy hơn là ở số liệu về độ bền danh nghĩa. - A992 thường mang lại độ dẻo dai và khả năng hàn đồng nhất hơn ở các hình dạng có mặt bích rộng do giới hạn về thành phần và quy trình cán.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, lượng cacbon tương đương (CE) và hợp kim vi mô. Hai chỉ số phổ biến hữu ích khi đánh giá nguy cơ nứt mối hàn:

• Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Thông số quan trọng về khả năng hàn (Pcm): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp hơn tương quan với nguy cơ nứt nguội thấp hơn và giảm nhu cầu xử lý nhiệt trước/sau khi hàn. - Thành phần hóa học chặt chẽ hơn của A992 và lượng dư/hợp kim vi mô hạn chế nhằm mục đích giữ cho lượng cacbon hiệu quả tương đương thấp hơn hoặc ít nhất là ổn định hơn đối với quá trình chế tạo dầm thông thường, cải thiện khả năng hàn cho mối hàn góc và mối hàn rãnh trong điều kiện thực tế. - A572 Gr50 có thể hàn dễ dàng nhưng tùy thuộc vào thành phần hóa học của máy cán và hình dạng sản phẩm (hình dạng tấm hay hình dạng cán), có thể cần kiểm soát cẩn thận hơn lượng nhiệt đầu vào, quá trình làm nóng trước hoặc quy trình hàn ở các phần dày. - Điểm thực tế: luôn tiến hành các thử nghiệm đánh giá quy trình hàn và tham khảo MTR (báo cáo thử nghiệm nhà máy) để tính toán CE/Pcm và thiết lập các yêu cầu về gia nhiệt trước/sau khi hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả A572 Gr50 và A992 đều là thép carbon/HSLA thông thường (không phải thép không gỉ) và dựa vào lớp phủ và các biện pháp thiết kế để bảo vệ chống ăn mòn.
• Các chiến lược bảo vệ phổ biến:
• Mạ kẽm nhúng nóng (thường áp dụng cho các kết cấu chịu tác động của thời tiết).
• Hệ thống sơn / lớp phủ kép (sơn lót + sơn phủ) dành cho môi trường khí quyển hoặc công nghiệp.
• Sơn lót giàu kẽm được thi công tại xưởng và sơn tại hiện trường cho các công trình lắp ghép/bu lông.
• PREN (chỉ số ăn mòn thép không gỉ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ này. Để tham khảo, PREN được tính như sau: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ nhưng không liên quan đến thép kết cấu HSLA cacbon thông thường.

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

• Cắt và khoan: cả hai loại máy đều có khả năng gia công tương tự nhau; các phần dày hơn, có độ bền cao hơn sẽ cần dụng cụ và tốc độ gia công mạnh mẽ hơn.
• Tạo hình và uốn cong: A992 được tối ưu hóa cho các hình dạng cán mép rộng và thường được sản xuất với mục đích tạo hình và lắp dựng. Tấm A572 Gr50 có thể được tạo hình nhưng khả năng tạo hình phụ thuộc rất nhiều vào độ dày, xử lý nhiệt và thành phần hóa học chính xác.
• Khả năng gia công: Thép vi hợp kim (có Nb, V) có thể kém khả năng gia công hơn một chút so với thép cacbon thông thường. Đối với cả hai loại, khả năng gia công đều chấp nhận được khi chế tạo nhưng bền hơn thép mềm cacbon thấp.
• Hàn và lắp đặt: Thành phần hóa học hẹp hơn của A992 giúp giảm thiểu sự thay đổi trong quá trình hàn và lắp đặt tại hiện trường, thường đơn giản hóa quy trình dựng.

8. Ứng dụng điển hình

A572 Cấp 50	A992
Tấm, các thành phần kết cấu, các chi tiết hàn nặng, giằng và thép kết cấu nói chung khi cần tạo hình tấm	Dầm và cột có mặt bích rộng dùng làm khung cho tòa nhà, thường được các nhà chế tạo và lắp dựng ưa chuộng vì hình dạng kết cấu
Các thành phần cầu, khung xe tải, các phần kết cấu chung	Dầm/cột tòa nhà thương mại, khung chịu lực yêu cầu tính chất mặt bích/mạng lưới và khả năng hàn đồng nhất

Cơ sở lựa chọn: - Chọn A572 Gr50 khi có sẵn thép tấm, hình dạng kích thước cụ thể hoặc thông số kỹ thuật của dự án yêu cầu loại thép đó và khi nhà chế tạo sẵn sàng kiểm soát các biến số hàn trên các tấm thép nặng hơn. - Chọn A992 khi chỉ định thép hình chữ W cho kết cấu xây dựng đòi hỏi khả năng hàn, kiểm soát hóa chất chặt chẽ hơn và hình dạng cán đồng nhất. A992 được các nhà chế tạo thép ưa chuộng rộng rãi để làm khung tòa nhà.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Khả dụng:
• A992 được sản xuất rộng rãi cho các hình dạng bích rộng bởi các nhà máy lớn ở Bắc Mỹ và thường là sản phẩm mặc định để chế tạo dầm và cột - có tính khả dụng cao và thời gian giao hàng cạnh tranh cho các phần thông thường.
• A572 Gr50 có sẵn ở dạng tấm và nhiều hình dạng khác nhau; tình trạng sẵn có tùy thuộc vào hình dạng sản phẩm và kho xưởng.
• Trị giá:
• Chênh lệch chi phí vật liệu thường không đáng kể và phụ thuộc nhiều vào hình dạng sản phẩm, nguồn cung ứng tại nhà máy và điều kiện thị trường hơn là hóa chất. Đối với dầm biên rộng, A992 thường có khả năng cạnh tranh về chi phí nhờ tối ưu hóa sản xuất theo hình dạng.
• Chi phí ở cấp độ dự án phải bao gồm năng suất chế tạo và hàn—hóa chất thân thiện với sản xuất và hàn của A992 có thể giảm chi phí lắp dựng và làm lại.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Hệ mét	A572 Gr50	A992
Khả năng hàn	Tốt (phụ thuộc vào thành phần hóa học của máy nghiền và độ dày của mặt cắt)	Rất tốt (kiểm soát hóa học chặt chẽ hơn được tối ưu hóa cho chế tạo)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền cao; độ dẻo dai có thể đạt được khi cán/xử lý đúng cách	Độ bền cao với sự phân bổ độ dẻo dai đồng đều hơn cho các hình dạng
Chi phí (tương đối)	Có thể so sánh; tùy thuộc vào hình thức và tính khả dụng	Thường tiết kiệm chi phí cho các phần mặt bích rộng được cán

Khuyến nghị: - Chọn A572 Cấp 50 nếu bạn cần tấm, các bộ phận chế tạo theo yêu cầu hoặc các yêu cầu của dự án yêu cầu rõ ràng vật liệu A572 và bạn có thể kiểm soát quy trình hàn và quản lý nhiệt đầu vào cho các phần dày hơn. - Chọn A992 nếu bạn đang chỉ định hình dạng mặt bích rộng cán để làm khung tòa nhà và bạn muốn kiểm soát thành phần chặt chẽ hơn, khả năng hàn có thể dự đoán được tại xưởng/hiện trường và tính kinh tế của hình dạng sản phẩm đối với dầm và cột.

Lưu ý thực tế cuối cùng: cả hai loại thép này đều được sử dụng rộng rãi và có thể đáp ứng các yêu cầu khắt khe về kết cấu khi được chỉ định với hình dạng sản phẩm, giới hạn độ dày và quy trình hàn/kiểm tra phù hợp với từng dự án. Luôn xem xét các báo cáo thử nghiệm tại nhà máy, tính toán lượng cacbon tương đương cho các mối hàn và kiểm tra bất kỳ yêu cầu nào về độ bền hoặc lớp phủ liên quan đến dự án trước khi mua sắm cuối cùng.