ASTM A615 Gr40 so với Gr60 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

ASTM A615 Cấp 40 và Cấp 60 là hai trong số các loại thép thanh biến dạng và thép trơn được chỉ định phổ biến nhất cho cốt thép bê tông. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và lập kế hoạch sản xuất thường xuyên cân nhắc các ưu tiên cạnh tranh - độ bền so với độ dẻo, chi phí so với biên độ an toàn, và tính dễ chế tạo so với hiệu suất dài hạn - khi lựa chọn giữa các cấp này. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm thiết kế kết cấu cho vùng địa chấn, sản xuất cấu kiện bê tông đúc sẵn và các dự án cơ sở hạ tầng nhạy cảm về chi phí, nơi cần phải đánh giá sự cân bằng giữa vật liệu và nhân công.

Sự khác biệt thực tế chính giữa hai loại thép này là giới hạn chảy quy định của chúng: Thép loại 40 được thiết kế cho giới hạn chảy tối thiểu thấp hơn, trong khi Thép loại 60 cho giới hạn chảy tối thiểu cao hơn đáng kể. Sự khác biệt về thông số kỹ thuật này dẫn đến nhiều khác biệt tiếp theo về quy trình gia công, cấu trúc vi mô, khả năng hàn và tính phù hợp ứng dụng, đó là lý do tại sao hai loại thép này thường được so sánh trực tiếp trong các cuộc thảo luận về thiết kế và mua sắm.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chính: ASTM A615 / A615M — "Tiêu chuẩn kỹ thuật cho thanh thép cacbon trơn và biến dạng dùng để gia cố bê tông."
• Tiêu chuẩn liên quan/trùng lặp và tương đương:
• ASME: tham chiếu ASTM A615 cho vật liệu xây dựng.
• EN: Các loại thép thanh tương đương ở Châu Âu được quy định trong EN 10080 và EN 1992 (Eurocode 2) với các ký hiệu cấp khác nhau (ví dụ: B500B/C), không phải là sự so sánh trực tiếp một-một.
• JIS/GB: Tiêu chuẩn Nhật Bản và Trung Quốc có cấp độ gia cố riêng (ví dụ: GB 1499 dành cho Trung Quốc) với các cấp độ bền tương tự nhưng quy tắc thử nghiệm/hóa học khác nhau.
• Phân loại: Cả ASTM A615 Cấp 40 và Cấp 60 đều là thép cacbon/hợp kim thấp thông thường được sử dụng làm cốt thép (không phải thép không gỉ, không phải thép dụng cụ). Chúng thường được sản xuất dưới dạng thép cacbon và khi được hợp kim hóa vi mô, có thể được coi là hợp kim thấp hoặc HSLA trong thực tế sản xuất—nhưng thông số kỹ thuật A615 chủ yếu là tiêu chuẩn cốt thép cacbon tập trung vào các đặc tính cơ học hơn là thành phần hóa học hợp kim chi tiết.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Tiêu chuẩn ASTM A615 nhấn mạnh vào các đặc tính cơ học (giới hạn chảy, độ giãn dài) và thử nghiệm thay vì thành phần hóa học mang tính quy định. Quy trình sản xuất tại nhà máy thay đổi tùy theo khu vực và nhà sản xuất. Bảng sau đây thể hiện sự hiện diện của các nguyên tố đại diện và phạm vi áp dụng điển hình trong ngành; những yếu tố này không bắt buộc theo tiêu chuẩn A615 nhưng phổ biến trong sản xuất cốt thép.

Yếu tố	Sự hiện diện / vai trò điển hình
C (Cacbon)	Thường xuất hiện ở mức thấp đến trung bình để tạo độ bền thông qua cấu trúc hạt và quá trình tôi cứng do biến dạng. Phạm vi công nghiệp thông thường đủ thấp để duy trì khả năng hàn; giới hạn chính xác tùy thuộc vào nhà cung cấp.
Mn (Mangan)	Chất khử oxy chính và điều chỉnh độ bền; có ở mức độ vừa phải để cải thiện tính chất kéo và khả năng làm cứng.
Si (Silic)	Chất khử oxy và tăng cường độ; thường có hàm lượng thấp đến trung bình.
P (Phốt pho)	Giữ ở mức thấp để tăng độ dẻo dai và khả năng hàn (tạp chất vết, hạn chế theo quy trình sản xuất của nhà máy).
S (Lưu huỳnh)	Giữ ở mức thấp để tránh hiện tượng đong nóng và độ dẻo kém (có tạp chất).
Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B	Thông thường, hàm lượng hợp kim vi lượng/vi lượng trong cốt thép cacbon tiêu chuẩn không có hoặc có ở dạng vết. Đối với cốt thép hiệu suất cao hơn (ví dụ, được sản xuất bằng TMCP hoặc hợp kim vi lượng), việc bổ sung một lượng nhỏ V, Nb hoặc Ti được sử dụng để tinh chỉnh kích thước hạt và tăng cường độ mà không cần quá nhiều cacbon.
N (Nitơ)	Nhìn chung được kiểm soát; có thể có ở dạng vết—có liên quan nếu sử dụng hợp kim vi mô tạo thành nitride.

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Tăng hàm lượng cacbon và mangan làm tăng độ bền nhưng có thể làm giảm độ dẻo và khả năng hàn. - Hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) và cán có kiểm soát/làm nguội có kiểm soát (TMCP) tạo ra các vi cấu trúc ferit-pearlit hoặc bainit mịn hơn giúp tăng cường độ bền kéo và độ dẻo dai mà không làm tăng đáng kể hàm lượng cacbon. - Các nhà sản xuất thép cây thường đạt được Cấp 60 bằng cách gia công nguội (làm cứng bằng ứng suất) và cán có kiểm soát hoặc thông qua quá trình hợp kim hóa vi mô + xử lý nhiệt cơ để duy trì độ dẻo trong khi tăng năng suất.

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

Cấu trúc vi mô điển hình cho các loại thép cây A615, được sản xuất bằng phương pháp cán nóng và làm nguội thông thường là: - Cấp 40: Chủ yếu là ferit và perlit với hạt ferit tương đối thô. Năng suất tối thiểu thấp hơn thường đạt được bằng phương pháp cán nóng tiêu chuẩn và tốc độ làm nguội vừa phải. - Cấp 60: Hỗn hợp ferit-pearlit mịn hơn, đôi khi có dải bainit khi sử dụng phương pháp làm nguội mạnh hoặc hợp kim hóa vi mô. Độ bền cao hơn thường đạt được thông qua gia công nguội (tạo gân và kéo thanh), lịch trình cán chặt chẽ hơn hoặc kiểm soát nhiệt cơ học.

Hiệu ứng xử lý nhiệt và chế biến: - Chuẩn hóa: Có thể tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện tính đồng nhất của các tính chất cơ học; không thường được áp dụng như một bước sản xuất riêng biệt cho thép cây thương mại do chi phí cao. - Làm nguội và ram: Hiếm khi dùng cho thanh cốt thép A615 tiêu chuẩn nhưng được sử dụng trong các thanh đặc biệt có độ bền cao hơn; tạo ra các cấu trúc ram martensitic/bainit có độ bền cao hơn và độ dẻo thấp hơn. - Gia công kiểm soát nhiệt cơ (TMCP): Phương pháp phổ biến để tăng giới hạn chảy trong khi vẫn duy trì độ dẻo dai và độ dai thông qua cán có kiểm soát và làm nguội nhanh. Các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, V) có hiệu quả trong TMCP để đạt được hiệu suất Cấp 60 với hàm lượng cacbon thấp hơn và khả năng hàn tốt hơn so với gia cường chỉ bằng cacbon.

4. Tính chất cơ học

Tiêu chuẩn ASTM A615 quy định rõ ràng giới hạn chảy tối thiểu cho các loại thép khác nhau; các đặc tính cơ học khác phụ thuộc vào quy trình sản xuất, kích thước thanh thép và thực tiễn của nhà sản xuất. Bảng dưới đây so sánh định tính các thông số cơ học quan trọng nhất và nếu được phép, sẽ đưa ra giới hạn chảy tối thiểu theo quy định.

Tài sản	Lớp 40 (A615)	Lớp 60 (A615)
Độ bền kéo (tối thiểu được chỉ định)	40 ksi (≈280 MPa)	60 ksi (≈420 MPa)
Độ bền kéo (điển hình)	Trung bình — tùy thuộc vào quy trình sản xuất và kích thước thanh; thường thấp hơn Cấp 60	Cao hơn Cấp 40 theo các tuyến sản xuất tương đương
Độ giãn dài (độ dẻo)	Nói chung là cao hơn (dẻo hơn) đối với một kích thước thanh nhất định	Nói chung thấp hơn Cấp 40; độ dẻo giảm khi năng suất tăng
Độ bền va đập	Thông thường tốt hơn trung bình đối với Lớp 40 khi hóa học và quá trình xử lý tương tự	Thông thường thấp hơn Cấp 40 nếu độ bền đạt được nhờ hàm lượng cacbon cao hơn hoặc gia công nguội nhiều hơn; TMCP/hợp kim vi mô có thể duy trì độ dẻo dai
Độ cứng	Thấp hơn trung bình so với Lớp 60	Cao hơn trung bình do tăng cường độ (làm cứng khi làm việc hoặc gia cố hợp kim siêu nhỏ)

Giải thích: - Thép cấp 60 có độ bền cao hơn theo thông số kỹ thuật; hiệu suất cao hơn đạt được nhờ quá trình tôi luyện cao hơn, cấu trúc vi mô mịn hơn hoặc hợp kim hóa vừa phải. Các cơ chế này thường làm giảm độ giãn dài và có thể làm giảm độ dẻo dai nếu hàm lượng carbon tăng đáng kể. TMCP và hợp kim hóa vi mô thường được sử dụng để tăng hiệu suất mà không làm giảm đáng kể độ dẻo dai, duy trì hiệu suất chịu động đất và khả năng hàn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon tương đương, khả năng tôi và phương pháp hợp kim hóa vi mô. Hai công thức thực nghiệm thường được sử dụng để dự đoán khả năng hàn là:

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

Và

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

Diễn giải (định tính): - Lượng cacbon tương đương cao hơn (CE hoặc $P_{cm}$) ngụ ý nguy cơ cứng hóa tăng lên ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt và yêu cầu gia nhiệt trước/sau cao hơn. - Cấp 60 được sản xuất bằng phương pháp hợp kim hóa vi mô và TMCP với cacbon được kiểm soát có thể có khả năng hàn tương đương với Cấp 40 vì độ bền đạt được nhờ kiểm soát cấu trúc vi mô chứ không phải nhờ hàm lượng cacbon cao. - Cấp 60 đạt được bằng phương pháp gia công nguội hoặc bằng hàm lượng cacbon/mangan cao hơn sẽ có khả năng hàn kém hơn so với Cấp 40 và có thể cần phải nung nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và sử dụng kim loại hàn phù hợp. - Đối với hầu hết các thanh cốt thép hiện đại, nhà sản xuất sẽ kiểm soát thành phần hóa học và cung cấp hướng dẫn hàn; luôn tham khảo chứng chỉ của nhà máy và tuân thủ các thông số kỹ thuật về quy trình hàn (WPS) khi nối cốt thép hoặc kết nối hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Thanh ASTM A615 là thép cacbon và không phải thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn bị hạn chế. Các chiến lược bảo vệ phổ biến:
• Lớp phủ Epoxy: được sử dụng rộng rãi cho cốt thép trong môi trường ăn mòn (ví dụ: cầu, biển).
• Mạ kẽm: mạ kẽm nhúng nóng có hiệu quả nhưng làm tăng chi phí và có thể ảnh hưởng đến hình dạng gân; khả năng tương thích với kiềm bê tông và liên kết phải được xác minh.
• Rào cản cơ học: lớp phủ bê tông và thiết kế chi tiết để hạn chế sự xâm nhập của clorua.
• PREN (chỉ số tương đương khả năng chống rỗ) áp dụng cho hợp kim thép không gỉ và không áp dụng cho thép cacbon. Đối với cốt thép không gỉ, chỉ số

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

rất hữu ích, nhưng không áp dụng cho các thanh thép tiêu chuẩn A615 Cấp 40/60.

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

• Cắt: Cả hai loại đều có thể cắt dễ dàng bằng phương pháp cắt oxy-nhiên liệu, cưa mài mòn hoặc dụng cụ tốc độ cao; loại 60 có độ bền cao hơn có thể cần thêm một chút nỗ lực khi thực hiện phương pháp thủ công do phải tôi luyện.
• Uốn/tạo hình: Cấp 40 thường dễ uốn hơn tại hiện trường và các hoạt động tạo hình nguội; Cấp 60 yêu cầu đường kính uốn tối thiểu lớn hơn và cẩn thận để tránh nứt ở các vùng uốn nguội—tuân theo các tiêu chuẩn về bán kính uốn và giới hạn uốn lại.
• Khả năng gia công: Thanh thép thường không được gia công; tuy nhiên, các thanh có độ bền cao hơn hoặc hợp kim vi mô sẽ cứng hơn khi cắt bằng dụng cụ và làm mòn các miếng chèn nhanh hơn.
• Hoàn thiện: Xử lý bề mặt (epoxy, mạ kẽm) có thể ảnh hưởng đến liên kết và khả năng xử lý; đảm bảo khả năng tương thích với quy trình tạo hình và hàn.

8. Ứng dụng điển hình

Công dụng điển hình — Lớp 40	Công dụng điển hình — Lớp 60
Tấm sàn, móng và bê tông cốt thép chịu tải nhẹ, không chịu động đất, trong đó tính kinh tế và độ dẻo là ưu tiên hàng đầu	Phổ biến nhất trong bê tông cốt thép kết cấu (dầm, cột, bản) trong các quy chuẩn thiết kế hiện đại; được ưa chuộng cho chi tiết chống động đất và khả năng chịu tải cao hơn
Công trình tạm thời, cốt thép phụ không quan trọng	Xây dựng đường cao tốc và cầu, tòa nhà cao tầng, các cấu kiện đúc sẵn đòi hỏi năng suất cao hơn và kích thước thanh nhỏ hơn cho cùng một tải trọng
Các khu vực/thông số kỹ thuật chấp nhận cường độ thấp hơn với chế tạo đơn giản hơn	Các dự án trong đó việc giảm thiểu tắc nghẽn cốt thép (sử dụng thanh thép Grade 60 có đường kính nhỏ hơn) giúp giảm công lắp đặt và tắc nghẽn bê tông

Cơ sở lựa chọn: - Chọn Cấp 40 khi độ dẻo và khả năng dễ dàng sửa đổi tại hiện trường là tối quan trọng và tải trọng ở mức trung bình. - Chọn loại thép cấp 60 khi năng suất cao hơn cho phép tạo ra thanh thép có kích thước nhỏ hơn, giảm tắc nghẽn hoặc khi yêu cầu của quy định/mã số đòi hỏi cường độ cao hơn (ví dụ: chi tiết chống động đất, ứng suất thiết kế cao).

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Thép Cấp 60 thường có giá cao hơn thép Cấp 40 một chút tính theo khối lượng do quy trình sản xuất và nhu cầu thị trường. Tuy nhiên, chi phí trên mỗi công suất kết cấu (ví dụ: chi phí trên một đơn vị giới hạn chảy hoặc diện tích mặt cắt ngang yêu cầu) có thể ưu tiên thép Cấp 60 vì thép Cấp 60 có thể đạt được cùng cường độ thiết kế với số lượng thanh ít hơn hoặc nhỏ hơn.
• Tính khả dụng: Tại nhiều thị trường (đặc biệt là Bắc Mỹ), thép cây loại 60 hiện là loại thép cây thương mại phổ biến nhất và được cung cấp rộng rãi dưới dạng uốn cong, thanh thẳng và cuộn. Thép cây loại 40 có thể ít được dự trữ hơn ở một số khu vực nhưng vẫn có sẵn ở những nơi được chỉ định. Thép cây cường độ cao chuyên dụng (trên loại 60) có nguồn cung hạn chế hơn.
• Hình dạng sản phẩm: cả hai loại đều có dạng thanh biến dạng, thanh trơn và cuộn; kích thước và chiều dài có sẵn khác nhau tùy theo nhà máy và khu vực.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	Lớp 40	Lớp 60
Khả năng hàn	Nói chung là tốt (rủi ro CE thấp hơn)	Có thể tốt nếu đạt được bằng TMCP/hợp kim vi mô; có thể cần kiểm soát nếu C/Mn cao hoặc làm việc lạnh nhiều
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Năng suất thấp hơn, độ dẻo và độ dai nói chung cao hơn	Năng suất cao hơn; tăng cường độ có thể làm giảm độ dẻo trừ khi sử dụng TMCP/hợp kim vi mô
Chi phí (điển hình)	Chi phí nguyên liệu thô thấp hơn trên mỗi kg	Cao hơn một chút trên mỗi kg nhưng thường tiết kiệm chi phí trên mỗi đơn vị công suất thiết kế

Sự giới thiệu: - Chọn Cấp 40 nếu: thiết kế của bạn ưu tiên độ dẻo và dễ dàng vận chuyển tại hiện trường, nếu ray/tiêu chuẩn quy định Cấp 40, hoặc nếu tải trọng vừa phải và không lo ngại về tình trạng tắc nghẽn cốt thép. Loại thép này cũng phù hợp khi cần giảm thiểu các vấn đề về khả năng hàn và khi việc tạo hình sau chế tạo thường xuyên. - Chọn thép Cấp 60 nếu: bạn cần cường độ chịu kéo cao hơn để giảm kích thước thanh thép và giảm thiểu tắc nghẽn, tuân thủ các quy chuẩn kết cấu hiện đại (nhiều quy chuẩn yêu cầu cốt thép cường độ cao hơn), hoặc khi thiết kế đòi hỏi khả năng chịu tải cao hơn hoặc hiệu suất tốt hơn trong việc tính toán chi tiết chống động đất. Ưu tiên thép Cấp 60 được sản xuất bằng công nghệ TMCP/vi hợp kim nếu khả năng hàn và độ bền là yếu tố quan trọng.

Lưu ý cuối cùng: ASTM A615 đặt ra các yêu cầu về cơ học, không phải yêu cầu hóa học đầy đủ; hãy luôn yêu cầu báo cáo thử nghiệm nhà máy (MTR) và hướng dẫn chế tạo từ nhà cung cấp. Đối với các ứng dụng hàn, uốn hoặc kết cấu quan trọng, hãy phối hợp lựa chọn vật liệu với chi tiết kết cấu, quy trình hàn và chứng chỉ vật liệu để đảm bảo loại vật liệu được chọn đáp ứng cả yêu cầu về quy chuẩn và khả năng thi công.