B500B so với B500C – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

B500B và B500C là hai loại thép gia cường được sử dụng rộng rãi trong hệ thống ký hiệu thép cây theo tiêu chuẩn Châu Âu/ISO. Cả hai loại thép này đều có cùng mục tiêu giới hạn chảy được sử dụng trong thiết kế kết cấu, nhưng được chỉ định với các đặc tính dẻo và biến dạng khác nhau. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc giữa chi phí, khả năng hàn, khả năng uốn và độ dẻo khi lựa chọn giữa chúng: bối cảnh quyết định điển hình bao gồm các cấu kiện kết cấu nặng, yêu cầu độ bền cao và khả năng nứt có thể dự đoán được, so với các ứng dụng chịu động đất hoặc động lực, yêu cầu độ giãn dài và khả năng hấp thụ năng lượng cao hơn.

Sự khác biệt thực tế chính giữa B500B và B500C là độ dẻo hoặc biến dạng cần thiết dưới tải trọng và uốn. Sự khác biệt này chi phối việc lựa chọn trong các thiết kế mà khả năng biến dạng sau chảy dẻo hoặc kiểm soát vết nứt là quan trọng. Vì cả hai loại đều được sử dụng cho các ứng dụng bê tông cốt thép, chúng thường được so sánh khi xác định cốt thép cho các kết cấu chịu các ràng buộc tải trọng, chi tiết hoặc chế tạo khác nhau.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• EN / ISO:
• Tiêu chuẩn EN 10080 — "Thép gia cường bê tông — Thép gia cường hàn được" (yêu cầu chung) và loạt tiêu chuẩn ISO 6935 đề cập đến các đặc tính và thử nghiệm của thép gia cường. Tên gọi B500B và B500C được sử dụng trong bối cảnh châu Âu/ISO và trong việc áp dụng các tiêu chuẩn này ở cấp quốc gia.
• Tiêu chuẩn Eurocode 2 (EN 1992) sử dụng các cấp độ này cho mục đích thiết kế kết cấu (giá trị giới hạn chảy đặc trưng và các lớp độ dẻo được tham chiếu trong các bảng thiết kế).
• Tiêu chuẩn quốc gia có tên gọi khác nhau:
• ASTM/ASME (Hoa Kỳ): sử dụng các hệ thống cấp thép gia cường khác nhau (ví dụ: ASTM A615/A706) và không sử dụng trực tiếp ký hiệu B500B/C, nhưng có các lớp hiệu suất tương tự.
• JIS / GB: Các tiêu chuẩn của Nhật Bản và Trung Quốc sử dụng các ký hiệu riêng biệt (ví dụ: dòng SD, dòng HRB) với mức năng suất tương đương ở một số sản phẩm; tính tương đương trực tiếp phải được xác nhận bằng dữ liệu và chứng nhận của nhà cung cấp.
• Phân loại vật liệu:
• Cả B500B và B500C đều là thép gia cường cacbon hợp kim thấp/thông thường (không phải thép không gỉ, thép dụng cụ hoặc thép hợp kim cao). Chúng được sản xuất và chứng nhận chủ yếu để làm thép gia cường (thép cốt thép) cho bê tông.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Các tiêu chuẩn thép gia cường như EN 10080 quy định các yêu cầu về hiệu suất cơ học và thử nghiệm thay vì các giới hạn thành phần hóa học nghiêm ngặt cho từng cấp độ dẻo. Do đó, thành phần hóa học thường được nhà sản xuất kiểm soát để đáp ứng các mục tiêu cơ học và gia công thay vì chỉ dựa trên cấp độ. Bảng dưới đây tóm tắt các nguyên tố liên quan và vai trò hoặc sự hiện diện điển hình trong sản xuất thanh cốt thép hiện đại—đây chỉ là thông tin mô tả, không phải là một tập hợp các giới hạn thành phần số.

Yếu tố	Vai trò và sự hiện diện điển hình trong sản xuất thanh cốt thép
C (Cacbon)	Hàm lượng carbon thấp đến mức được kiểm soát để đạt được độ bền mong muốn trong khi vẫn duy trì khả năng hàn và độ dẻo. Carbon là yếu tố chính quyết định độ cứng/độ bền.
Mn (Mangan)	Có tác dụng tăng cường độ bền và khả năng khử oxy; được kiểm soát để cân bằng độ dẻo dai và khả năng hàn.
Si (Silic)	Được sử dụng làm chất khử oxy; nồng độ thấp đến trung bình thường gặp. Nồng độ Si cao có thể ảnh hưởng đến khả năng hàn và xử lý bề mặt.
P (Phốt pho)	Giữ ở mức thấp; lượng P dư thừa sẽ làm giòn và giảm độ dẻo dai, đặc biệt là ở các vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt độ hàn.
S (Lưu huỳnh)	Giữ ở mức tối thiểu; hàm lượng S cao hơn sẽ cải thiện khả năng gia công nhưng làm giảm độ dẻo và có thể gây ra tạp chất sunfua.
Cr (Crom)	Không phải là nguyên tố hợp kim chính trong cốt thép tiêu chuẩn; có thể xuất hiện với lượng nhỏ nếu xảy ra hiện tượng hợp kim hóa vi mô hoặc dư lượng.
Ni (Niken)	Thông thường không được thêm vào; có thể chỉ có ở dạng dư lượng vết.
Mo (Molypden)	Hiếm thấy trong thép cây tiêu chuẩn; đôi khi có với lượng nhỏ trong thép gia cố đặc biệt.
V (Vanadi)	Có thể được thêm vào như một nguyên tố hợp kim nhỏ để tinh chỉnh hạt và tăng cường độ bền/độ dẻo dai ở mức bổ sung thấp.
Nb (Niobi)	Được sử dụng trong một số thanh được xử lý nhiệt cơ học để kiểm soát kích thước hạt và cải thiện sự cân bằng giữa độ dẻo và năng suất.
Ti (Titan)	Đôi khi được thêm vào như một chất ổn định; kiểm soát nitơ và tinh chỉnh cấu trúc vi mô.
B (Bo)	Lượng bổ sung rất thấp trong một số loại thép có thể tăng cường khả năng làm cứng ở mức vết; thường không được chỉ định cho cốt thép.
N (Nitơ)	Được kiểm soát; tương tác với Ti/Nb để tạo thành cacbonitride, ảnh hưởng đến độ bền và độ dẻo dai.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Độ bền chủ yếu được kiểm soát bằng cacbon, mangan và quá trình làm mát/xử lý nhiệt cơ học có kiểm soát. - Độ dẻo và độ dai chịu ảnh hưởng của thành phần tổng thể, kiểm soát tạp chất và lịch sử nhiệt cơ học; hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) có thể cải thiện sự cân bằng giữa độ dẻo và độ dai mà không làm tăng đáng kể lượng cacbon. - Khả năng tôi cứng và dễ gãy giòn ở vùng hàn hoặc vùng chịu ảnh hưởng nhiệt tăng lên khi lượng cacbon tương đương tăng; do đó, việc kiểm soát thành phần rất quan trọng đối với khả năng hàn.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - Thép gia cường như B500B và B500C được sản xuất bằng phương pháp cán nóng thông thường, sau đó làm nguội có kiểm soát hoặc bằng quy trình kiểm soát nhiệt cơ học (TMCP). Cấu trúc vi mô thu được thường là ferit-pearlit, bainit hoặc hỗn hợp ferit tùy thuộc vào tốc độ làm nguội và việc bổ sung vi hợp kim. - B500B: Được sản xuất để đáp ứng các đặc tính dẻo và biến dạng tiêu chuẩn; cấu trúc vi mô thường là ferit-perlit được kiểm soát hoặc ferit hạt mịn với một ít perlit; quá trình chế biến nhấn mạnh vào tính chất giới hạn chảy và khả năng uốn cong nhất quán. - B500C: Được sản xuất để mang lại độ dẻo/độ giãn dài cao hơn và khả năng chịu biến dạng được cải thiện; có thể sử dụng TMCP và hợp kim vi mô để tạo ra cấu trúc ferritic hạt mịn hơn với độ dẻo dai và độ giãn dài được cải thiện.

Hiệu ứng xử lý nhiệt và chế biến: - Chuẩn hóa/làm mát có kiểm soát: Tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai; thường được sử dụng trên các thanh thép có cấp độ dẻo cao hơn. - Làm nguội và ram: Không phổ biến đối với các nhà cung cấp thanh cốt thép tiêu chuẩn vì phương pháp này tốn kém và thay đổi ứng dụng cũng như lộ trình chứng nhận; khi sử dụng, nó sẽ tạo ra sự kết hợp độ bền/độ dẻo dai cao hơn. - Cán nhiệt cơ học (TMCP): Cho phép đạt được độ bền cao với độ dẻo tốt bằng cách tạo ra các cấu trúc vi mô tinh tế (có lợi cho mục tiêu B500C). - Các biện pháp xử lý sau sản xuất (ví dụ, giảm ứng suất) không phổ biến đối với thanh cốt thép tiêu chuẩn nhưng có thể được chỉ định cho các ứng dụng quan trọng.

4. Tính chất cơ học

Tiêu chuẩn quy định mức giới hạn chảy đặc trưng, ​​nhưng yêu cầu về độ dẻo và biến dạng giữa hai loại thép này lại khác nhau. Bảng dưới đây đưa ra so sánh định tính về các thuộc tính cơ học chính; thông số kỹ thuật cụ thể của dự án và chứng chỉ nhà máy nên được sử dụng để nhập dữ liệu thiết kế số.

Tài sản	B500B	B500C
Độ bền kéo	Khả năng chịu kéo cơ bản tương đương cho thiết kế; mục tiêu sản xuất điển hình là đáp ứng các yêu cầu về tỷ lệ chịu kéo/giới hạn chảy có liên quan	Khả năng chịu kéo tương đương nhưng có thể được sản xuất với biên độ giãn dài cao hơn một chút
Giới hạn chảy (đặc trưng)	500 MPa (đặc điểm thiết kế cho cả hai cấp theo tiêu chuẩn EN/ISO)	500 MPa (cùng cấp độ giới hạn chảy đặc trưng)
Độ giãn dài / độ dẻo	Lớp giãn dài cho phép thấp hơn so với B500C; được thiết kế để đạt hiệu suất biến dạng tiêu chuẩn	Độ giãn dài cho phép cao hơn và khả năng biến dạng được cải thiện — khả năng hấp thụ năng lượng và kiểm soát vết nứt tốt hơn
Độ bền va đập	Phù hợp cho mục đích sử dụng chung; phụ thuộc vào tuyến sản xuất và kiểm soát chất lượng	Nói chung là cao hơn, đặc biệt khi TMCP và hợp kim vi mô được sử dụng để đáp ứng độ dẻo loại C
Độ cứng	Trung bình; được kiểm soát để đạt được khả năng uốn cong và hàn cần thiết	Độ cứng cục bộ tương tự hoặc thấp hơn một chút do mục tiêu xử lý độ dẻo

Giải thích: - Về mặt thiết kế, cường độ (giới hạn chảy) của cả hai loại thép này về cơ bản là như nhau. Sự khác biệt nằm ở độ dẻo, độ giãn dài và khả năng biến dạng: B500C được chỉ định có khả năng biến dạng cao hơn B500B. - Độ dẻo dai và khả năng hấp thụ năng lượng trong các ứng dụng động hoặc địa chấn có xu hướng ưu tiên B500C, trong khi B500B phù hợp với nhiều ứng dụng bê tông cốt thép tiêu chuẩn có nhu cầu biến dạng thấp hơn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép gia cường bị ảnh hưởng bởi hàm lượng cacbon, lượng cacbon tương đương (độ tôi) và sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim vi mô. Hai chỉ số thực nghiệm thường được sử dụng là lượng cacbon tương đương IIW và chỉ số Pcm toàn diện hơn:

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

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: - Giá trị carbon thấp hơn và CE/Pcm thấp hơn cho thấy khả năng hàn dễ dàng hơn với yêu cầu gia nhiệt trước thấp hơn và ít nguy cơ nứt nguội hơn. - Cả B500B và B500C đều được thiết kế để hàn cho các ứng dụng cốt thép, nhưng vì B500C có thể đạt được độ dẻo cao hơn thông qua TMCP và hợp kim vi lượng thay vì hàm lượng carbon cao hơn, nên khả năng hàn thường tương đương hoặc thậm chí có thể tốt hơn một chút ở một số sản phẩm B500C. Tuy nhiên, hợp kim vi lượng và các nguyên tố dư có thể làm tăng chỉ số CE/Pcm; do đó, cần xem xét lại quy trình hàn và chứng nhận nhà máy của nhà cung cấp. - Đối với các tình huống hàn quan trọng (mối nối tiết diện lớn, khả năng tiếp cận hạn chế, điều kiện lạnh), khả năng hàn nên được đánh giá bằng cách sử dụng các giá trị CE/Pcm do nhà cung cấp cung cấp và nếu cần, phải gia nhiệt trước/gia nhiệt sau và các quy trình hàn đủ tiêu chuẩn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Các loại thép này không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn là đặc trưng của thép cacbon. Việc lựa chọn phải tính đến môi trường (tiếp xúc với clorua, biển, muối tan băng).
• Các chiến lược bảo vệ phổ biến:
• Mạ kẽm nhúng nóng — lớp phủ hy sinh hiệu quả cho nhiều môi trường; đánh giá hành vi liên kết với bê tông và hiệu ứng độ dày lớp phủ.
• Thanh cốt thép phủ epoxy — được sử dụng khi lo ngại về ăn mòn do clorua và không thích hợp mạ kẽm.
• Thiết kế lớp phủ bê tông và phụ gia chống ăn mòn — thường là phương pháp tiết kiệm chi phí nhất.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) có liên quan đến hợp kim thép không gỉ:

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

Chỉ số này không áp dụng cho B500B/B500C vì đây không phải là loại thép không gỉ; việc đề cập đến PREN chỉ nhằm làm rõ rằng các chỉ số thép không gỉ thông thường không áp dụng ở đây.

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

• Uốn/Tạo hình: B500C, với độ dẻo cao hơn, thường chịu được đường kính uốn cong chặt chẽ hơn và biến dạng lạnh nghiêm trọng hơn trong quá trình chế tạo tại chỗ mà không bị nứt vi mô. B500B đáp ứng các yêu cầu uốn tiêu chuẩn nhưng có ít biên độ uốn cong lại nghiêm trọng hoặc móc chặt chẽ hơn trong chi tiết địa chấn.
• Cắt/Gia công: Cả hai loại đều là thép cacbon; phương pháp cắt tiêu chuẩn là cắt bằng kéo cắt cơ học, cưa hoặc phương pháp oxy-nhiên liệu/mài mòn. Độ cứng tăng hoặc hàm lượng cacbon cao hơn có thể làm giảm nhẹ khả năng gia công; sự khác biệt thực tế giữa hai loại thường không đáng kể.
• Hoàn thiện bề mặt: Độ bám dính của lớp phủ (epoxy, mạ kẽm) và độ sạch bề mặt rất quan trọng; một số bề mặt được xử lý nhiệt cơ học có thể có cặn hoặc độ nhám khác nhau ảnh hưởng đến quá trình phủ.
• Xử lý: Đối với lồng đúc sẵn và gia công nguội, B500C có khả năng biến dạng cao hơn và nguy cơ nứt giòn thấp hơn trong quá trình chế tạo.

8. Ứng dụng điển hình

B500B — Công dụng điển hình	B500C — Công dụng điển hình
Bê tông cốt thép thông thường trong các tòa nhà, móng, bản sàn và dầm nơi có độ dẻo tiêu chuẩn được chấp nhận và mong muốn hiệu quả về chi phí	Chi tiết địa chấn, cầu, kết cấu chịu tải trọng động hoặc nơi yêu cầu khả năng biến dạng cao hơn
Các kết cấu bê tông khối và không chịu được địa chấn, nơi sử dụng chi tiết uốn cong và nối tiêu chuẩn	Các thành phần cấu trúc quan trọng, vùng bản lề dẻo và các khu vực cần kiểm soát vết nứt tốt hơn dưới tải trọng tuần hoàn
Các thành phần đúc sẵn trong đó phương pháp hàn và uốn tiêu chuẩn chiếm ưu thế	Các kết cấu đặc biệt yêu cầu chiều dài chồng mí giảm hoặc móc chặt hơn được phép sử dụng do độ dẻo cao hơn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn B500B khi thiết kế yêu cầu thanh cốt thép đáng tin cậy, tiết kiệm chi phí với độ dẻo tiêu chuẩn và chi tiết cốt thép thông dụng. - Chọn B500C khi kết cấu phải chịu được biến dạng không đàn hồi cao hơn, kiểm soát vết nứt tốt hơn hoặc các yêu cầu về hiệu suất địa chấn cụ thể.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Vì cả hai loại thép đều hướng đến cùng một giới hạn chảy đặc trưng, ​​nên chi phí nguyên liệu thô thường tương đương nhau. Sự khác biệt phát sinh từ quy trình sản xuất: TMCP và các biện pháp kiểm soát quy trình bổ sung được sử dụng để sản xuất B500C có thể làm tăng chi phí xử lý nhà máy so với quy trình sản xuất tiêu chuẩn cho B500B. Do đó, B500C có thể đắt hơn một chút trên thực tế, tùy thuộc vào nhà sản xuất.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều có sẵn rộng rãi ở các khu vực áp dụng tiêu chuẩn EN/ISO. Nguồn cung thị trường địa phương có thể khác nhau; một số nhà máy tiêu chuẩn hóa một loại độ dẻo dai hơn loại kia. Cần xác nhận tính khả dụng của dạng sản phẩm (cuộn, thanh thẳng, thanh cắt, lưới hàn) với nhà cung cấp để lên lịch dự án.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	B500B	B500C
Khả năng hàn	Phù hợp với các ứng dụng tiêu chuẩn; xác minh CE/Pcm cho các mối nối quan trọng	Tốt, thường có thể so sánh được; xác minh CE/Pcm khi có hàm lượng hợp kim vi mô
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền kéo đặc trưng 500 MPa; được thiết kế để có độ dẻo dai tiêu chuẩn	Độ dẻo dai và độ dai cao hơn
Trị giá	Nói chung là thấp đến trung bình (tùy thuộc vào tuyến đường nghiền)	Thường cao hơn một chút do kiểm soát xử lý bổ sung
Tính linh hoạt trong chế tạo	Phù hợp cho việc uốn và nối thông thường	Tuyệt vời cho nhu cầu uốn cong nghiêm trọng, chi tiết địa chấn và biến dạng cao

Sự giới thiệu: - Chọn B500B nếu dự án của bạn yêu cầu cốt thép tiêu chuẩn cho các cấu kiện bê tông cốt thép thông thường, trong đó độ dẻo và khả năng uốn cong thông thường đáp ứng các yêu cầu thiết kế và hiệu quả về chi phí là ưu tiên hàng đầu. - Chọn B500C nếu dự án của bạn yêu cầu khả năng biến dạng cao hơn (tải trọng động đất hoặc động), hiệu suất uốn/mối nối chặt chẽ hơn hoặc khả năng kiểm soát vết nứt được cải thiện—chấp nhận chi phí đơn vị cao hơn một chút để đổi lấy độ dẻo dai và độ bền chế tạo được cải thiện.

Lưu ý cuối cùng: Chứng chỉ kiểm tra nhà máy, sự phù hợp với các yêu cầu EN/ISO liên quan và các yêu cầu chi tiết cụ thể của từng dự án luôn là kim chỉ nam cho việc lựa chọn cấp thép cuối cùng. Đối với các thiết kế quan trọng về hàn, chịu động đất hoặc độ bền, hãy yêu cầu nhà cung cấp dữ liệu hóa học và cơ học (bao gồm cả CE/Pcm nếu yêu cầu hàn) và, nếu cần, hãy thực hiện các thử nghiệm chất lượng hoặc yêu cầu hồ sơ xử lý TMCP được chứng nhận.