CRB550 so với CRB650 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

CRB550 và CRB650 là hai loại thép thanh cốt thép cán nguội cường độ cao thường được sử dụng trong các ứng dụng kết cấu, công nghiệp và cơ sở hạ tầng. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc sự đánh đổi giữa các loại thép này khi tối ưu hóa khả năng chịu tải, khả năng hàn, độ bền, chi phí và chế tạo hạ nguồn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc lựa chọn loại thép cho chi tiết chịu động đất khi độ dẻo là yếu tố quan trọng, lựa chọn thép thanh cường độ cao hơn để giảm kích thước tiết diện, hoặc chỉ định loại thép cân bằng giữa khả năng hàn và khả năng tôi cứng cho chế tạo sẵn.

Sự khác biệt thực tế chính giữa hai loại thép này là giới hạn chảy danh nghĩa của chúng: CRB550 hướng đến giới hạn chảy thiết kế thấp hơn (khoảng 550 MPa), trong khi CRB650 hướng đến giới hạn chảy thiết kế cao hơn (khoảng 650 MPa). Vì loại thép có độ bền cao hơn đạt được các tính chất của nó nhờ hàm lượng hợp kim cao hơn, quá trình xử lý nhiệt-cơ học khác nhau, hoặc cả hai, nên việc so sánh thường tập trung vào độ bền so với độ dẻo/độ dai, khả năng hàn và chi phí.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các tiêu chuẩn chính và hệ thống danh pháp bao gồm thanh cốt thép và các biến thể cốt thép gia công nguội cường độ cao bao gồm: - GB/Trung Quốc: các tên gọi địa phương như CRB (thanh cán nguội) được sử dụng cùng với các tiêu chuẩn thép cây GB/T. - EN (Tiêu chuẩn Châu Âu): các loại như B500 và các loại thay thế có độ bền cao hơn; EN không sử dụng trực tiếp thuật ngữ CRB mà đóng vai trò là tài liệu tham khảo về hiệu suất. - ASTM/ASME (Hoa Kỳ): ASTM A615/A706 dành cho thanh thép biến dạng, A1035 dành cho thanh cốt thép hợp kim siêu nhỏ; các biến thể cường độ cao cán nguội có thể thuộc các thông số kỹ thuật sản phẩm đặc biệt. - JIS (Nhật Bản): tiêu chuẩn thép gia cường và sản phẩm gia công nguội có cấp cơ khí tương đương.

Phân loại: Cả CRB550 và CRB650 đều là thép cacbon hợp kim thấp thuộc nhóm thép hợp kim thấp cường độ cao (HSLA) chứ không phải thép không gỉ, thép dụng cụ hoặc thép hợp kim cao. Chúng thường được sản xuất dưới dạng thanh gân cán nguội/gia công nguội (thanh định hình) hoặc thanh kết cấu hoàn thiện nguội tùy theo thông lệ của từng khu vực.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Mục tiêu của việc kiểm soát thành phần hóa học đối với các loại thép CRB là đạt được sự cân bằng giữa độ bền, độ dẻo, độ dai và khả năng hàn. Các phương pháp hợp kim hóa dựa trên việc tăng nhẹ hàm lượng cacbon và mangan, kiểm soát chặt chẽ hàm lượng silic, và bổ sung một lượng nhỏ các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) để tăng cường kết tủa và tinh chỉnh kích thước hạt. Crom, molypden và niken thường bị hạn chế hoặc không có vì lý do chi phí và khả năng hàn, ngoại trừ khi cần độ cứng hoặc khả năng chịu môi trường cụ thể.

Bảng: Phạm vi thành phần hóa học tiêu biểu (thực hành điển hình của ngành; tham khảo thông số kỹ thuật sản phẩm cụ thể để biết giới hạn chuẩn)

Yếu tố	CRB550 (phạm vi điển hình, wt%)	CRB650 (phạm vi điển hình, wt%)
C	0,05 – 0,20 (phần đầu nạc phổ biến)	0,08 – 0,22 (có xu hướng cao hơn)
Mn	0,30 – 1,50	0,50 – 1,60
Si	0,02 – 0,60	0,02 – 0,60
P	≤ 0,035 (kiểm soát thấp)	≤ 0,035
S	≤ 0,035 (kiểm soát thấp)	≤ 0,035
Cr	≤ 0,30 (thường không có)	≤ 0,30
Ni	thường dấu vết / vắng mặt	thường dấu vết / vắng mặt
Mo	thường dấu vết / vắng mặt	thường dấu vết / vắng mặt
V	0 – 0,12 (hợp kim vi mô)	0 – 0,12 (hợp kim vi mô)
Lưu ý	0 – 0,06 (hợp kim vi mô)	0 – 0,06
Ti	0 – 0,03 (khử oxy/ổn định.)	0 – 0,03
B	dấu vết, được kiểm soát (mức ppm)	dấu vết, được kiểm soát (mức ppm)
N	theo dõi, kiểm soát	theo dõi, kiểm soát

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Cacbon và mangan chủ yếu làm tăng độ bền và khả năng làm cứng nhưng lại làm giảm khả năng hàn và độ dẻo khi chúng tăng lên. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) cho phép tăng cường kết tủa và tinh chỉnh hạt, tạo ra cường độ giới hạn chảy cao hơn với ít carbon hơn — cải thiện độ dẻo dai so với các phương pháp tương đương carbon. - Hàm lượng P và S thấp rất quan trọng đối với độ dẻo dai và khả năng hàn; kiểm soát N ảnh hưởng đến lượng kết tủa và độ dẻo dai khi kết hợp với hợp kim vi mô.

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

Cấu trúc vi mô điển hình cho thanh cốt thép cường độ cao cán nguội phụ thuộc vào thành phần và quá trình xử lý nhiệt cơ học: - CRB550: Đạt được bằng cách kết hợp cán nóng có kiểm soát, sau đó khử nguội và/hoặc làm nguội có kiểm soát để tạo ra cấu trúc vi mô ferit-pearlit hoặc bainit/ferit tôi mịn. Hợp kim vi mô có thể tạo ra cacbua/nitrit phân tán giúp tinh chỉnh kích thước hạt và góp phần tăng cường độ bền kéo. - CRB650: Thường đòi hỏi các cơ chế gia cường cao hơn — mật độ sai lệch tăng lên do gia công nguội, độ cứng kết tủa mạnh hơn (VN, NbC), hoặc tỷ lệ cao hơn các thành phần vi cấu trúc mạnh hơn như bainite ram hoặc bainite thấp. Có thể sử dụng quy trình gia công kiểm soát nhiệt cơ học (TMCP) với làm nguội nhanh hoặc tôi và ram có kiểm soát.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa/tinh chỉnh sẽ cải thiện độ dẻo dai ở cả hai loại; CRB650 có thể cần phải tôi luyện mạnh hơn để giảm ứng suất và cải thiện độ dẻo. - Các phương pháp làm nguội và ram có thể tạo ra độ bền cao ở cả hai loại, nhưng cửa sổ xử lý để có độ dẻo dai thích hợp mà không bị nứt sẽ thắt chặt hơn đối với CRB650 do mục tiêu về độ cứng và độ bền cao hơn. - Cán nguội và sau đó giảm ứng suất hoặc ram ở nhiệt độ thấp là phương pháp phổ biến để kiểm soát ứng suất dư và hình dạng của thanh cốt thép hoàn thiện nguội.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Đặc tính cơ học điển hình (phạm vi ngành đại diện; xác minh theo nhà cung cấp hoặc tiêu chuẩn)

Tài sản	CRB550 (điển hình)	CRB650 (điển hình)
Giới hạn chảy danh nghĩa (Rp0.2)	~550 MPa (cấp thiết kế)	~650 MPa (cấp thiết kế)
Độ bền kéo	~600 – 780 MPa	~700 – 900 MPa
Độ giãn dài (Agt hoặc A%)	~10 – 18% (độ dẻo cao hơn)	~6 – 15% (giảm độ dẻo)
Độ bền va đập (Charpy, định tính)	Nói chung cao hơn ở nhiệt độ thấp	Thấp hơn; cần xử lý cẩn thận để đáp ứng thông số kỹ thuật về va đập
Độ cứng	Trung bình (gia công/tạo hình dễ dàng hơn)	Cao hơn (mài mòn dụng cụ tăng lên)

Giải thích: - CRB650 là loại thép có độ bền cao hơn theo thiết kế, với năng suất và khả năng chịu kéo cao hơn. Độ bền tăng lên thường đạt được nhờ mật độ lệch cao hơn, khả năng gia cường kết tủa, và đôi khi hàm lượng carbon/mangan cao hơn một chút. - CRB550 thường có độ dẻo cao hơn và khả năng hấp thụ năng lượng (độ bền) tốt hơn, có lợi cho tải trọng động và ứng dụng địa chấn. - CRB650 có độ bền cao hơn thường có độ cứng cao hơn và độ giãn dài thấp hơn, điều này có thể ảnh hưởng đến độ uốn cong và chi tiết kết nối.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép CRB được xác định bởi hàm lượng cacbon, lượng cacbon tương đương (độ tôi) và các nguyên tố hợp kim vi mô. Hai chỉ số thường được sử dụng:

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

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: - $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ cao hơn cho thấy khả năng tôi luyện tăng lên và nguy cơ nứt nguội cao hơn ở vùng chịu nhiệt (HAZ) nếu không áp dụng xử lý nhiệt trước và sau khi hàn đúng cách. - CRB650, có độ bền mục tiêu cao hơn và hàm lượng hợp kim hoặc hợp kim vi mô có thể cao hơn, thường có hàm lượng cacbon tương đương cao hơn CRB550 và do đó đòi hỏi quy trình hàn bảo thủ hơn (nhiệt độ giữa các đường hàn được kiểm soát, lượng nhiệt đầu vào thấp hơn hoặc quá trình làm nóng trước phù hợp). - Sử dụng các biến thể carbon thấp với hợp kim vi mô (Nb, V) có thể giúp đạt được độ bền cao hơn trong khi vẫn giữ $CE_{IIW}$ ở mức vừa phải; điều này cải thiện khả năng hàn so với việc chỉ tăng carbon. - Đối với thực hành thi công: chọn kim loại hàn phù hợp, tuân thủ hướng dẫn gia nhiệt trước/gia nhiệt sau, giảm hạn chế và thực hiện quy trình hàn cho CRB650 cẩn thận hơn so với CRB550.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả CRB550 và CRB650 đều không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn tương đương với thép cacbon/hợp kim thấp. Các phương pháp bảo vệ thông thường bao gồm mạ kẽm (nhúng nóng), sơn lót giàu kẽm, sơn phủ epoxy hoặc sơn phủ bitum/nhựa nhiệt dẻo cho các ứng dụng chôn ngầm hoặc tiếp xúc với nước biển.
• Nếu ứng dụng yêu cầu khả năng chống ăn mòn vốn có (môi trường clorua, ven biển, biển), hãy chỉ định thanh cốt thép không gỉ hoặc hợp kim kép — cấp CRB không phải là vật liệu thay thế cho thép không gỉ.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho thanh cốt thép carbon/HSLA, nhưng áp dụng cho vật liệu thép không gỉ:

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

• Hướng dẫn thực tế: các loại thép có độ bền cao hơn không có nguy cơ bị ăn mòn nội tại, nhưng phải xử lý bề mặt cẩn thận; các lớp bề mặt giòn do xử lý nhiệt hoặc phủ không phù hợp có thể gây nứt ở CRB650.

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

• Cắt: Độ cứng cao hơn của CRB650 làm tăng độ mài mòn của dụng cụ và có thể yêu cầu thiết bị cắt có công suất cao hơn hoặc thay dụng cụ thường xuyên hơn so với CRB550.
• Uốn/tạo hình: CRB550 thường chịu được bán kính uốn hẹp hơn và tạo hình nguội với ít nguy cơ nứt hơn. Đối với CRB650, hãy sử dụng bán kính uốn lớn hơn và tuân thủ lịch trình uốn của nhà sản xuất hoặc thực hiện các bài kiểm tra uốn.
• Ren và nối cơ học: Các thanh có độ bền cao hơn có thể yêu cầu biên dạng ren và giới hạn mô-men xoắn đặc biệt. Gia công cho các kết nối hoặc khớp nối cơ học nên xem xét độ dẻo giảm và độ cứng cao hơn.
• Hoàn thiện bề mặt và làm thẳng: CRB650 có độ bền cao hơn có thể duy trì độ đàn hồi lớn hơn sau khi tạo hình và có thể cần bù độ đàn hồi trong dụng cụ chế tạo.

8. Ứng dụng điển hình

Công dụng của CRB550	Công dụng của CRB650
Bê tông cốt thép thông thường dùng cho các tòa nhà, cầu và móng nơi cần cường độ cao tiêu chuẩn và độ dẻo tốt	Các thành phần có công suất lớn trong đó việc giảm kích thước mặt cắt là rất quan trọng (tấm bê tông có lớp phủ hạn chế, vùng gia cố quá tải)
Chi tiết địa chấn và các cấu trúc trong đó độ dẻo và tiêu tán năng lượng là ưu tiên	Các thành phần đúc sẵn và ứng suất trước có năng suất cao cho phép giảm tiết diện và trọng lượng
Các cụm lắp ráp đúc sẵn có lợi cho việc hàn và uốn dễ dàng hơn	Khung công nghiệp nặng, cột và dầm chịu tải trọng cao hoặc gia cố thêm khi cường độ cao giúp giảm thiểu sự can thiệp
Cơ sở hạ tầng cần cân bằng giữa chi phí và hiệu suất	Các ứng dụng kỹ thuật chuyên biệt đòi hỏi tỷ lệ sức bền trên trọng lượng tối đa

Cơ sở lựa chọn: chọn CRB550 khi tính dẻo, dễ tạo hình và hàn đơn giản là những nhu cầu chính; chọn CRB650 khi hiệu quả về kết cấu, kích thước tiết diện nhỏ hơn hoặc khả năng chịu tải cao hơn là yếu tố quyết định và dự án có thể đáp ứng các yêu cầu kiểm soát chế tạo và hàn nghiêm ngặt hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: CRB650 thường có giá cao hơn CRB550 do sử dụng nhiều hợp kim hơn, gia công cơ nhiệt bổ sung và kiểm soát chất lượng chặt chẽ hơn. Mức giá cao hơn này thay đổi tùy theo thị trường, số lượng và dạng sản phẩm.
• Tính khả dụng: Các thông lệ tiêu chuẩn và năng lực sản xuất ưu tiên CRB550 ở nhiều khu vực; CRB650 có thể ít phổ biến hơn và có nhiều khả năng có sẵn trong các lô sản phẩm cuộn/xử lý cuộn hoặc sản phẩm tùy chỉnh cụ thể. Thời gian giao hàng cho CRB650 có thể kéo dài nếu nhà cung cấp phải lên lịch xử lý đặc biệt.
• Hình dạng sản phẩm: Tính khả dụng thay đổi tùy theo hình dạng — cuộn, thanh thẳng, thanh ren hoặc phôi cắt theo chiều dài. Các bề mặt cán nguội và biến dạng làm tăng thêm hạn chế về nguồn cung.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt các sự đánh đổi chính:

Tiêu chí	CRB550	CRB650
Khả năng hàn	Tốt hơn (rủi ro CE thấp hơn)	Yêu cầu cao hơn (tiềm năng CE cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai và độ dai tốt với độ bền vừa phải	Độ bền cao hơn, độ dẻo giảm; độ dẻo dai phụ thuộc vào quá trình xử lý
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Sự giới thiệu: - Chọn CRB550 nếu bạn cần sự cân bằng đáng tin cậy giữa độ dẻo, dễ chế tạo và khả năng hàn cho bê tông cốt thép nói chung, chi tiết chống động đất hoặc khi nguồn cung tiêu chuẩn và chi phí thấp hơn là ưu tiên hàng đầu. - Chọn CRB650 nếu mục tiêu chính là tối đa hóa khả năng chịu tải trên mỗi khu vực, giảm kích thước hoặc trọng lượng của thành phần hoặc đáp ứng các mục tiêu về khả năng chịu tải kết cấu nghiêm ngặt và dự án của bạn có thể đáp ứng các quy định kiểm soát hàn, xử lý và chế tạo nghiêm ngặt hơn.

Lưu ý cuối cùng: Luôn kiểm tra chính xác các giới hạn hóa học và cơ học với chứng chỉ nhà máy của nhà cung cấp và thông số kỹ thuật của dự án. Khi hàn hoặc độ bền nhiệt độ thấp là yếu tố quan trọng, hãy thực hiện kiểm tra quy trình hàn và thử nghiệm va đập trên lô vật liệu thực tế để xác nhận việc tuân thủ các yêu cầu thiết kế.