A615 so với A706 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

ASTM A615 và ASTM A706 là hai trong số các thanh cốt thép biến dạng được chỉ định phổ biến nhất cho kết cấu bê tông. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà chế tạo thường xuyên cân nhắc giữa chi phí cơ bản, khả năng hàn, độ dẻo và khả năng chống nứt gãy khi lựa chọn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm: giảm thiểu chi phí mua sắm cho các cấu kiện bê tông cốt thép thông thường (trong đó cường độ danh nghĩa và mô hình biến dạng là yếu tố quyết định) so với việc chỉ định hiệu suất cải thiện trong các liên kết chịu động đất, chịu mỏi hoặc hàn (trong đó độ dẻo và thành phần hóa học carbon thấp là yếu tố quan trọng).

Sự khác biệt thực tế chính là A706 là loại thép cây hợp kim thấp, hàm lượng carbon thấp, được sản xuất với các biện pháp kiểm soát hóa học và quy trình để cải thiện khả năng hàn và độ dẻo, trong khi A615 là loại thép cây carbon đa dụng hơn, được sản xuất chủ yếu để tăng cường độ bền và tính kinh tế. Sự khác biệt này khiến A706 trở thành lựa chọn ưu tiên khi cần hàn, độ dẻo cao hoặc hiệu suất chống gãy; A615 được sử dụng rộng rãi khi hiệu suất cơ học tiêu chuẩn và hiệu quả chi phí là mối quan tâm hàng đầu.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• ASTM/ASME:
• ASTM A615/A615M — Tiêu chuẩn kỹ thuật cho thanh thép cacbon trơn và biến dạng dùng để gia cố bê tông.
• ASTM A706/A706M — Tiêu chuẩn kỹ thuật cho thanh thép biên dạng ray dùng cho cốt thép bê tông (có thể hàn).
• EN (Châu Âu): Các đơn vị tương đương cốt thép được chỉ định theo EN 10080 và EN 1992; không đảm bảo tính tương đương trực tiếp một-một—các kỹ sư nên lập bản đồ các yêu cầu về cơ học và độ dẻo thay vì dựa vào số cấp.
• JIS/GB: Có các tiêu chuẩn quốc gia dành cho thanh cốt thép (ví dụ: JIS G3112, GB 1499) với các giới hạn hóa học và cơ học khác nhau; nên lựa chọn bằng cách so sánh các yêu cầu chức năng.
• Phân loại: Cả A615 và A706 đều là thép cacbon/hợp kim thấp dùng làm thanh cốt thép. A615 là một họ thép cacbon thông thường được sử dụng rộng rãi; A706 được sản xuất dưới dạng hợp kim cacbon thấp, được kiểm soát chặt chẽ hơn (về mặt chức năng, giống hợp kim thấp/HSLA) để tăng khả năng hàn và độ dẻo.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây tóm tắt sự hiện diện và vai trò điển hình của các nguyên tố hợp kim phổ biến trong A615 và A706. Các giá trị là mô tả định tính nhằm phản ánh sự khác biệt dựa trên thông số kỹ thuật chứ không phải giới hạn số chính xác.

Yếu tố	A615 (thép cacbon thông thường)	A706 (thép thanh có hàm lượng cacbon thấp, có thể hàn)
C (cacbon)	Cao hơn so với A706; thành phần làm cứng chính	Hàm lượng carbon thấp hơn và kiểm soát chặt chẽ hơn để cải thiện khả năng hàn và độ dẻo dai
Mn (mangan)	Trung bình; được sử dụng để tăng cường độ và khả năng làm cứng	Vừa phải; được kiểm soát để cân bằng sức mạnh và độ dẻo dai
Si (silicon)	Có mặt để khử oxy và đóng góp sức mạnh	Có mặt, nhưng được kiểm soát để hỗ trợ khả năng hàn
P (phốt pho)	Giữ ở mức thấp nhưng được phép trong giới hạn chung	Giới hạn chặt chẽ để giảm giòn và cải thiện khả năng chống gãy
S (lưu huỳnh)	Giữ ở mức thấp; sunfua có thể hỗ trợ gia công nhưng làm giảm độ dẻo dai	Giới hạn thấp hơn so với A615 thông thường để cải thiện độ dẻo
Cr, Ni, Mo	Nói chung không có hoặc chỉ có với lượng rất nhỏ	Thông thường là tối thiểu; A706 tập trung vào C thấp hơn là hợp kim đáng kể
V, Nb, Ti (hợp kim vi mô)	Hiếm gặp ở hàng hóa A615; có thể xuất hiện ở một số loại sản xuất	Có thể được sử dụng trong những trường hợp hạn chế để tạo hợp kim vi mô và tinh chế hạt, nhưng A706 chủ yếu dựa vào quá trình chế biến và hàm lượng C thấp
B, N	Không thường nhắm mục tiêu; N được kiểm soát nếu cần hàn	Nitơ được kiểm soát; boron thường không được thêm vào

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon và mangan làm tăng độ bền và khả năng làm cứng nhưng làm tăng nguy cơ làm cứng vùng hàn và giảm khả năng hàn nếu không được kiểm soát. - Hàm lượng carbon thấp và giới hạn chặt chẽ về P và S giúp cải thiện độ dẻo và giảm nguy cơ gãy giòn — mục đích thiết kế của A706. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) khi có mặt có thể tinh chỉnh kích thước hạt và tăng năng suất cho độ dẻo nhất định, nhưng chúng được sử dụng phổ biến hơn trong các thanh cốt thép chuyên dụng hơn là trong hàng hóa thông thường A615.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - A615: Cấu trúc vi mô của cốt thép A615 khi cán nóng thường là hỗn hợp ferit-pearlit. Độ bền phát sinh từ biến dạng nguội (hình gân), thành phần perlit và quá trình tôi biến dạng. Nếu không được xử lý nhiệt cơ học có kiểm soát, kích thước hạt và kết tủa vi hợp kim không được kiểm soát chặt chẽ. - A706: Được sản xuất với quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn về mặt hóa học và quy trình; cấu trúc vi mô vẫn là ferit-pearlit nhưng có kích thước hạt mịn hơn và hàm lượng perlit thấp hơn khi cần thiết. Có thể sử dụng quy trình xử lý nhiệt-cơ học (cán có kiểm soát và làm nguội nhanh) để đạt được độ dẻo dai và độ dai tốt hơn.

Hiệu ứng xử lý nhiệt và chế biến: - Việc cán chuẩn hóa và kiểm soát giúp cải thiện độ tinh khiết và độ dẻo dai của hạt ở cả hai loại, nhưng A706 có lợi hơn do hàm lượng carbon thấp hơn và thành phần hóa học chặt chẽ hơn. - Làm nguội và ram không phải là phương pháp điển hình đối với các thanh cốt thép tiêu chuẩn (vì lý do kinh tế và thực tế), nhưng hợp kim vi mô kết hợp với cán nhiệt cơ học có thể mang lại cho thanh cốt thép A706 sự cân bằng độ bền-độ dẻo dai vượt trội mà không cần xử lý nhiệt nhiều. - A615, nếu chịu tác động của quá trình làm nguội khắc nghiệt hơn, có thể tạo ra hàm lượng perlit cao hơn và độ bền cao hơn nhưng lại giảm độ dẻo dai và khả năng hàn.

4. Tính chất cơ học

Cả hai tiêu chuẩn đều chỉ rõ các tính chất cơ học tối thiểu, nhưng sự khác biệt thực tế nằm ở độ dẻo và độ bền.

Tính chất cơ học	A615 (điển hình)	A706 (điển hình)
Sức chịu lực	Mỗi chỉ định cấp (ví dụ: Cấp 60 → 60 ksi phút)	Chỉ định theo từng lớp (cùng số lớp)
Độ bền kéo	Tương đương với A706 cùng loại, thay đổi theo quá trình xử lý	Có thể so sánh được; đôi khi phạm vi thông số kỹ thuật hẹp hơn một chút đối với A706
Độ giãn dài (độ dẻo)	Đáp ứng các yêu cầu về độ giãn dài tối thiểu chung; thấp hơn A706 ở nhiều nhà sản xuất	Độ giãn dài tối thiểu cao hơn và yêu cầu về độ dẻo dai nghiêm ngặt hơn
Độ bền va đập	Phù hợp cho các ứng dụng thông thường; khả năng chịu lực gãy thấp hơn	Độ bền gãy được cải thiện và hiệu suất tốt hơn trong điều kiện địa chấn/mỏi
Độ cứng	Có thể so sánh được; phụ thuộc vào cấu trúc vi mô	Có thể so sánh hoặc thấp hơn một chút trong một số trường hợp do hàm lượng carbon thấp hơn

Giải thích: - Đối với cùng một cấp thép (ví dụ: Cấp thép 60), giới hạn chảy danh nghĩa là như nhau theo ký hiệu, nhưng A706 được thiết kế và xử lý để tăng cường độ dẻo và khả năng chống gãy. Điều này giúp A706 ít bị gãy giòn hơn, đặc biệt là tại các bộ phận tập trung ứng suất và mối hàn. - Tỷ lệ kéo giãn và độ giãn dài thường được ghi chép và kiểm soát tốt hơn đối với A706 để đáp ứng các yêu cầu về khả năng hàn và độ dẻo dai chịu động đất.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, khả năng tôi luyện từ hợp kim và các nguyên tố còn lại (P, S, Cu, v.v.). Hai thước đo tương đương cacbon 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: - Giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp hơn tương ứng với khả năng hàn tốt hơn và nguy cơ nứt nguội do hydro thấp hơn. - A706 thường có hàm lượng carbon hiệu dụng thấp hơn do hàm lượng carbon thấp hơn và hợp kim được kiểm soát, mang lại hiệu suất hàn vượt trội cho các mối hàn góc và mối hàn rãnh phổ biến trong xây dựng. - A615 có thể yêu cầu xử lý gia nhiệt trước, làm mát có kiểm soát hoặc xử lý sau hàn ở các phần dày hơn hoặc điều kiện hàn bị tắc nghẽn do hàm lượng cacbon tương đương cao hơn và hóa học ít được kiểm soát.

Hướng dẫn định tính: - Đối với hàn cốt thép tại hiện trường, A706 giúp giảm nhu cầu phải gia nhiệt trước nhiều lần hoặc thực hiện các quy trình hàn đặc biệt. - Khi cần hàn và yêu cầu về chứng nhận hoặc chống động đất chỉ rõ khả năng hàn, A706 thường được yêu cầu.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả A615 và A706 đều là thép cacbon không gỉ và dễ bị ăn mòn trong môi trường khắc nghiệt.
• Các chiến lược bảo vệ điển hình:
• Mạ kẽm nhúng nóng — cung cấp khả năng bảo vệ hy sinh; phải xem xét dung sai tiết diện và tác động của nhiệt lên các đặc tính cơ học nếu áp dụng sau khi chế tạo.
• Lớp phủ epoxy — thường dùng cho cốt thép trong môi trường khắc nghiệt (hàng hải, tiếp xúc với clorua); phải tính đến khả năng dễ bị hư hỏng khi vận chuyển và tại hiện trường.
• Lớp phủ bê tông và chất ức chế ăn mòn — lựa chọn thiết kế bổ sung cho việc lựa chọn vật liệu.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) chỉ áp dụng cho hợp kim thép không gỉ:

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

• PREN không áp dụng cho A615 hoặc A706 vì cả hai đều không phải thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn của các loại thép này phụ thuộc vào lớp phủ, thiết kế bê tông hoặc bảo vệ catốt chứ không phải thành phần hợp kim.

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

• Cắt: Cả hai loại thép đều dễ dàng cắt bằng phương pháp oxy-nhiên liệu, mài mòn hoặc cơ học. Hàm lượng carbon thấp hơn trong thép A706 không làm thay đổi đáng kể khả năng cắt.
• Uốn/tạo hình: Cả hai đều đáp ứng các yêu cầu uốn và uốn nguội tiêu chuẩn do các quy chuẩn bê tông quy định; A706 thường có độ dẻo tốt hơn và ít có nguy cơ nứt trong quá trình uốn cong chặt, do đó thích hợp cho các chi tiết có nhiều chi tiết hoặc uốn nguội nghiêm ngặt.
• Khả năng gia công: Cả hai đều không được tối ưu hóa cho mục đích gia công—cả hai đều là thép thanh cốt thép có khả năng gia công trung bình. Vảy cán và biến dạng bề mặt ảnh hưởng đến tuổi thọ dụng cụ tương tự nhau.
• Hoàn thiện: Lớp phủ (epoxy, mạ kẽm) có thể ảnh hưởng đến quá trình hàn, uốn và xử lý—hãy chỉ định trình tự chế tạo tương thích.

8. Ứng dụng điển hình

A615 — Công dụng điển hình	A706 — Công dụng điển hình
Bê tông cốt thép thông thường trong các tòa nhà, tấm sàn, móng, các thành phần kết cấu không quan trọng, nơi kiểm soát chi phí là ưu tiên hàng đầu	Bê tông cốt thép ở các vùng địa chấn, các thành phần kết cấu quan trọng, các kết nối hàn và nơi yêu cầu độ dẻo dai/độ bền cao
Bê tông khối, cốt thép không bị tắc nghẽn	Các thành phần đúc sẵn và ứng suất trước yêu cầu hàn hoặc hiệu suất dẻo cao
Cơ sở hạ tầng nơi các yêu cầu về mã chuẩn là đủ	Cầu, màng chắn và các kết nối đòi hỏi khả năng kiểm soát gãy và độ tin cậy hàn được cải thiện

Cơ sở lựa chọn: - Chọn A615 khi thiết kế kết cấu yêu cầu độ bền cốt thép tiêu chuẩn và tính kinh tế là ưu tiên hàng đầu. - Chọn A706 khi các vấn đề về thông số kỹ thuật hoặc an toàn yêu cầu khả năng hàn, độ dẻo và khả năng chống gãy được cải thiện (ví dụ, chi tiết chống động đất hoặc mối nối hàn).

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: A615 thường rẻ hơn do sản xuất rộng rãi hơn, kiểm soát hóa học ít nghiêm ngặt hơn và thị trường rộng mở. A706 có giá cao hơn do quy trình hóa học chặt chẽ hơn, kiểm soát quy trình chặt chẽ hơn và đôi khi sản lượng thấp hơn.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm: Cả hai loại thép này đều có sẵn ở các kích thước và chiều dài thanh tiêu chuẩn; A615 có tính khả dụng rộng rãi nhất trong các chuỗi cung ứng hàng hóa cơ bản. A706 có thể yêu cầu thông số kỹ thuật và thời gian giao hàng ở một số thị trường; tuy nhiên, loại thép này được dự trữ rộng rãi ở các khu vực có quy chuẩn thiết kế chống động đất hoặc tiêu chuẩn xây dựng cao.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt — so sánh định tính:

Thuộc tính	A615	A706
Khả năng hàn	Tốt cho hàn cốt thép thông thường; có thể cần các quy trình cho mối hàn dày/tắc nghẽn	Cao cấp; được thiết kế để cải thiện khả năng hàn tại xưởng và tại hiện trường
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền phù hợp với chi phí kinh tế; độ dẻo dai thay đổi tùy theo nhà sản xuất	Được tối ưu hóa để có độ dẻo dai và khả năng chống gãy cao hơn ở mức năng suất tương đương
Trị giá	Thấp hơn (hạng hàng hóa)	Cao hơn (phí bảo hiểm cho hóa học được kiểm soát)

Kết luận và hướng dẫn lựa chọn: - Chọn A615 nếu: - Hiệu quả về chi phí và tính khả dụng rộng rãi là động lực chính. - Ứng dụng này bao gồm các thành phần bê tông cốt thép thông thường với phương pháp nối và neo tiêu chuẩn. - Hàn ở mức tối thiểu hoặc có thể được thực hiện theo quy trình được kiểm soát, trong đó hàm lượng carbon tương đương cao hơn có thể chấp nhận được.

• Chọn A706 nếu:
• Các kết nối hàn, chi tiết chống động đất hoặc các thành phần quan trọng dễ gãy được chỉ định.
• Quy định thiết kế hoặc chủ sở hữu yêu cầu độ dẻo dai được cải thiện, hóa học được kiểm soát và khả năng chống gãy giòn được cải thiện.
• Ưu tiên hàng đầu là giảm nhu cầu gia nhiệt trước và đơn giản hóa quy trình hàn tại hiện trường mặc dù chi phí vật liệu cao hơn.

Lưu ý cuối cùng: Luôn xác nhận các yêu cầu của dự án, quy chuẩn xây dựng hiện hành và quy trình hàn khi lựa chọn giữa A615 và A706. Đối với các dự án quan trọng, hãy yêu cầu báo cáo hóa học nhà máy và chứng chỉ kiểm tra cơ học, và cân nhắc chỉ định A706 khi độ bền gãy và khả năng hàn ảnh hưởng đến an toàn và hiệu suất lâu dài.