HPB300 so với HRB400 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

HPB300 và HRB400 là hai loại thép cacbon cán nóng được sử dụng rộng rãi cho thanh cốt thép và thanh cốt thép kết cấu nói chung. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với sự cân nhắc giữa thanh trơn có chi phí thấp hơn, dẻo hơn và thanh biến dạng (có gân) có độ bền cao hơn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc ưu tiên tính dễ tạo hình và hàn (thường phù hợp với các xưởng chế tạo và thanh giằng nhỏ hơn) so với cường độ chảy cao hơn và liên kết tốt hơn với bê tông (phù hợp với các thiết kế kết cấu, chịu động đất và tải trọng nặng).

Sự khác biệt chức năng chính giữa hai loại này là một loại được sản xuất dưới dạng thanh trơn, tối ưu hóa cho độ dẻo và tạo hình đơn giản, trong khi loại còn lại được sản xuất với biến dạng bề mặt và gia công hoặc hợp kim hóa vi mô để đạt được giới hạn chảy thiết kế cao hơn. Sự khác biệt về vận hành này quyết định hầu hết các lựa chọn hạ nguồn trong thiết kế, chế tạo và mua sắm.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chung nơi xuất hiện các cấp độ này hoặc các cấp độ tương đương:
• GB/T (Trung Quốc): Dòng GB/T 1499 dành cho thanh thép cán nóng có gân và thép trơn.
• EN (Châu Âu): EN 10080 (thép gia cường có thể hàn) và các chỉ định cốt thép quốc gia.
• ASTM/ASME (Hoa Kỳ): ASTM A615/A706 (thanh thép cacbon để gia cố bê tông); không có tên gọi giống hệt nhau nhưng có các lớp hiệu suất tương đương.
• JIS (Nhật Bản): JIS G3112 và các tiêu chuẩn liên quan dành cho thanh thép mềm.
• Phân loại vật liệu:
• HPB300: thép thanh cán nóng, ít cacbon → thép cacbon/thép cacbon hợp kim thấp (dùng để gia cố và mục đích chung).
• HRB400: thanh thép gân cán nóng có giới hạn chảy cao hơn → chủ yếu là thép cacbon thường được sản xuất với đặc tính hợp kim vi mô hoặc TMCP (cacbon hợp kim thấp/cường độ cao).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Hai loại thép này thuộc cùng một họ (thép cacbon dùng làm cốt thép), nhưng triết lý hợp kim của chúng lại khác nhau. Thành phần chính xác phụ thuộc vào tiêu chuẩn quốc gia cụ thể và quy trình sản xuất tại nhà máy. Bảng dưới đây tóm tắt các đặc điểm thành phần điển hình thay vì giới hạn số cố định; về thông số kỹ thuật và mua sắm, hãy luôn tham khảo tiêu chuẩn chứng nhận và báo cáo thử nghiệm tại nhà máy.

Yếu tố	HPB300 (vai trò điển hình)	HRB400 (vai trò điển hình)
C	Hàm lượng carbon thấp giúp tăng độ dẻo và khả năng hàn (kiểm soát bằng carbon)	Hàm lượng carbon thấp đến trung bình, cân bằng để tăng cường độ bền trong khi vẫn giữ được khả năng tạo hình
Mn	Được kiểm soát để cung cấp khả năng gia cường và làm cứng	Hàm lượng Mn cao hơn HPB300 trong một số quy trình để tăng cường độ
Si	Có tác dụng khử oxy; tác dụng tăng cường nhỏ	Vai trò tương tự; có thể điều chỉnh để kiểm soát lực lăn và lực kéo
P	Được giữ ở mức thấp như tạp chất để tránh bị giòn	Giữ ở mức thấp; giới hạn chặt chẽ hơn thường được sử dụng cho các thanh có chất lượng cao hơn
S	Giữ ở mức tối thiểu (gia công tự do không phải là mục tiêu chính)	Tối thiểu; được kiểm soát để tránh hiện tượng đoản mạch do nóng và các khuyết tật hàn
Cr	Thông thường không có hoặc dấu vết	Có thể có dấu vết trong các biến thể hợp kim vi mô để làm cứng
Ni	Nói chung là vắng mặt	Hầu như không có; chỉ có trong các hợp kim chuyên dụng
Mo	Thường vắng mặt	Hiếm; có thể xuất hiện ở dạng hợp kim được chế tạo
V	Không điển hình	Có thể được thêm vào như hợp kim vi mô (vanadi) để tinh chế hạt và tăng cường kết tủa
Nb (Niobi)	Không điển hình	Hợp kim vi mô thông thường giúp tăng năng suất thông qua kết tủa mịn và tinh chế hạt
Ti	Hiếm; được sử dụng trong một số trường hợp hạn chế để kiểm soát ngũ cốc	Có thể được sử dụng cùng với Nb/Ti để tăng cường kết tủa
B	Không điển hình	Có thể có dấu vết ở các hợp kim có độ bền cao, được kiểm soát
N	Dư lượng; có thể tương tác với Ti/Nb	Được kiểm soát để quản lý kết tủa và độ dẻo dai

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon và mangan là những nguyên tố chính tạo nên độ bền nhưng làm tăng khả năng tôi luyện và có thể làm giảm khả năng hàn và độ dẻo nếu quá nhiều. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) được sử dụng với lượng nhỏ để đạt được giới hạn chảy cao hơn mà không làm tăng đáng kể hàm lượng cacbon bằng cách thúc đẩy quá trình tinh luyện hạt và tăng cường kết tủa. - Chất khử oxy (Si, Al) và tạp chất (P, S) được kiểm soát để bảo vệ độ dẻo dai, khả năng hàn và chất lượng bề mặt.

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

• Tuyến chế tạo điển hình:
• Cả hai loại thép này thường được sản xuất bằng phương pháp cán nóng. HPB300 thường là thanh cán nóng trơn với cấu trúc vi mô ferit-pearlit được điều chỉnh để tăng độ dẻo. HRB400 được sản xuất bằng phương pháp cán nóng kết hợp cán và làm nguội có kiểm soát (xử lý nhiệt cơ học có kiểm soát, TMCP) hoặc bằng phương pháp vi hợp kim kết hợp với quy trình cán để tạo ra ma trận ferit-pearlit mịn hơn và, trong một số trường hợp, các mảng bainit giúp tăng cường độ.
• Sự tương phản về cấu trúc vi mô:
• HPB300: Ferit-pearlit thô hơn, ưu tiên độ dẻo và độ giãn dài đồng đều. Kích thước hạt thường lớn hơn so với các thanh thép gia công cường độ cao.
• HRB400: Ferit hạt mịn hơn với các kết tủa carbide/nitride phân tán (từ Nb, V, Ti), có thể là vi cấu tử bainit tùy thuộc vào tốc độ làm nguội. Bề mặt có gân tăng cường liên kết cơ học khi được nhúng trong bê tông.
• Phản ứng xử lý nhiệt:
• Các thanh thép này thường không trải qua quá trình tôi và ram trong quá trình sản xuất cốt thép tiêu chuẩn. Khi cần hiệu suất cơ học cao hơn, các đặc tính kiểu HRB400 đạt được bằng phương pháp TMCP, làm mát có kiểm soát hoặc hóa học vi hợp kim thay vì chu trình tôi và ram hoàn toàn.
• Nếu được gia nhiệt lại hoặc cán sau khi chuẩn hóa, cả hai đều phản ứng bằng cách điều chỉnh kích thước hạt và sự phân bố của peclit/cementit, ảnh hưởng đến độ dẻo dai và hiệu suất. Các kết tủa hợp kim siêu nhỏ của thanh thép có độ bền cao rất nhạy cảm với lịch sử nhiệt - lão hóa quá mức có thể làm giảm hiệu quả.

4. Tính chất cơ học

Các ký hiệu của cấp độ này biểu thị hiệu suất giới hạn chảy tối thiểu; phần còn lại của hành vi cơ học chịu ảnh hưởng của quá trình xử lý và hóa học.

Tài sản	HPB300	HRB400
Cường độ chịu lực tối thiểu	300 MPa (cơ sở chỉ định)	400 MPa (cơ sở chỉ định)
Độ bền kéo	Vừa phải; được thiết kế để cung cấp độ giãn dài dễ uốn	Độ bền kéo cuối cùng cao hơn do quá trình và hợp kim vi mô
Độ giãn dài (độ dẻo)	Thông thường cao hơn HRB400; độ giãn dài đồng đều tốt hơn để tạo hình	Độ dẻo thấp hơn HPB300 nhưng đáp ứng được các yêu cầu về kết cấu
Độ bền va đập	Nói chung tốt ở nhiệt độ môi trường xung quanh; phụ thuộc vào điều khiển máy cán	Được thiết kế để cung cấp độ dẻo dai thích hợp; có thể được tối ưu hóa thông qua TMCP và hợp kim vi mô
Độ cứng	Độ cứng bề mặt và lõi thấp hơn; dễ gia công/tạo hình	Độ cứng cao hơn tương ứng với độ bền kéo và độ bền kéo cao hơn

Giải thích: - HRB400 được thiết kế để mang lại hiệu suất và độ bền kéo cao hơn, chủ yếu thông qua quá trình gia công cơ học và hợp kim hóa vi mô. Điều này làm tăng độ cứng và giảm độ giãn dài đồng đều so với HPB300, vốn được tối ưu hóa để dễ dàng tạo hình và hàn. Độ bền phụ thuộc vào tốc độ nguội và độ sạch; cả hai loại thép đều có thể đạt được độ bền mong muốn nếu được gia công và chỉ định chính xác.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, khả năng làm cứng (bị ảnh hưởng bởi Mn và hợp kim vi mô) và các nguyên tố còn sót lại.

Các biện pháp tương đương carbon hữu ích (diễn giải định tính; chèn vào để hướng dẫn đánh giá): - Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Công thức PCM cho khả năng nứt nguội: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - HPB300: Hàm lượng cacbon hiệu dụng thấp hơn và ít kết tủa hợp kim nhỏ hơn thường dẫn đến giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp hơn, giúp hàn dễ dàng hơn bằng các quy trình thông thường và ít cần gia nhiệt trước hơn. - HRB400: Độ bền cao hơn và khả năng bổ sung hợp kim vi mô làm tăng khả năng tôi cứng, do đó làm tăng nguy cơ hình thành các vùng bị ảnh hưởng bởi nhiệt cứng, giòn nếu hàn không đúng cách. Đối với HRB400, việc gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và lựa chọn vật liệu hàn phù hợp có thể là yêu cầu bắt buộc, đặc biệt đối với các tiết diện dày hơn và trong môi trường lạnh. - Luôn sử dụng hóa chất thực tế của nhà máy để tính $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ và tuân theo các thông số kỹ thuật quy trình hàn (WPS) và các quy trình đủ tiêu chuẩn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả HPB300 và HRB400 đều là thép cacbon và do đó không có khả năng chống ăn mòn như thép không gỉ. Các chiến lược bảo vệ bao gồm:
• Mạ kẽm nhúng nóng, phủ epoxy hoặc phủ polymer cho những nơi tiếp xúc nhiều với hóa chất.
• Lớp bê tông và chất lượng bê tông cũng là những biện pháp kiểm soát ăn mòn chính cho cốt thép trong bê tông cốt thép.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ này, nhưng để hiểu rõ hơn: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ (Chỉ sử dụng phương pháp này cho hợp kim không gỉ; thép HPB/HRB không áp dụng phương pháp này.)
• Hướng dẫn lựa chọn:
• Sử dụng thép thanh có lớp phủ hoặc chống ăn mòn nếu tiếp xúc với clorua hoặc môi trường biển. Thép thanh có độ bền cao hơn (HRB400) không nhất thiết mang lại hiệu suất chống ăn mòn tốt hơn.

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

• Cắt: Cả hai loại đều có thể dễ dàng cưa hoặc cắt bằng đèn khò; cắt mài mòn và cắt cơ học cho thấy độ mài mòn dụng cụ cao hơn một chút trên HRB400 do độ cứng cao hơn.
• Uốn/tạo hình: HPB300 dễ uốn nguội và tạo hình hơn do có độ dẻo cao hơn. HRB400 yêu cầu bán kính uốn lớn hơn và kiểm soát chặt chẽ hơn để tránh gãy hoặc mất tính chất cơ học.
• Khả năng gia công: Không có loại nào được tối ưu hóa như gia công tự do; HRB400 có thể khó gia công hơn một chút.
• Gia công ren và đột nguội: HPB300 hoạt động tốt hơn khi cần gia công nguội nhiều; có thể sử dụng HRB400 nhưng có thể cần dung sai về nhiệt hoặc cơ học để tránh nguy cơ gãy và bật ngược.
• Tình trạng bề mặt: Sườn HRB400 ảnh hưởng đến dụng cụ và thiết bị tạo hình; HPB300 trơn đơn giản hơn cho việc tạo hình nguội liền mạch trong các xưởng nhỏ.

8. Ứng dụng điển hình

HPB300 (thanh trơn)	HRB400 (thanh có gân)
Gia cố nhẹ (dây buộc, bàn đạp, chốt có đường kính nhỏ)	Gia cố chính cho các cấu kiện bê tông kết cấu (dầm, cột, sàn)
Phụ kiện và linh kiện đúc sẵn thường xuyên uốn cong/tạo hình	Các công trình chịu địa chấn và tải trọng cao đòi hỏi năng suất cao hơn
Công trình tạm thời, giằng và các điểm chịu ứng suất thiết kế thấp	Cầu, cọc móng, khung bê tông nhà cao tầng
Thanh thép đa năng, phôi bu lông ưu tiên độ dẻo	Các ứng dụng cần tăng cường độ liên kết với bê tông (bề mặt có gân)

Cơ sở lựa chọn: - Chọn HPB300 cho các thành phần cần tạo hình nguội rộng rãi, hàn dễ dàng hoặc khi việc giảm thiểu chi phí là quan trọng và tải trọng thiết kế ở mức vừa phải. - Chọn HRB400 khi quy định về kết cấu yêu cầu cường độ chịu kéo cao hơn, giảm số lượng thanh cốt thép (do cường độ cao hơn) hoặc khi cần cải thiện khả năng neo cơ học vào bê tông.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối:
• HPB300 thường có giá thành trên mỗi kg thấp hơn do yêu cầu về thành phần hóa học và cán đơn giản hơn.
• HRB400 thường có giá cao hơn do được cán có kiểm soát, hợp kim vi mô và giá trị gia tăng của độ bền cao hơn.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm:
• Cả hai đều được cung cấp rộng rãi dưới dạng cuộn, cắt theo chiều dài và hình dạng cốt thép chế tạo sẵn tại nhiều thị trường. HRB400 thường là mác thép mặc định cho cốt thép kết cấu hiện đại và do đó có thể có sẵn tại địa phương tương đương hoặc tốt hơn trong chuỗi cung ứng bê tông cốt thép.
• Ghi chú mua sắm: Chi phí vòng đời (tiết kiệm số lượng vật liệu và giảm vận chuyển do độ bền trên mỗi đơn vị trọng lượng cao hơn) có thể bù đắp chi phí trên mỗi đơn vị cao hơn đối với HRB400 trong nhiều dự án kết cấu.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tài sản	HPB300	HRB400
Khả năng hàn	Tốt hơn (nói chung là dễ hàn hơn)	Tốt, nhưng cần kiểm soát nhiều hơn và đôi khi cần làm nóng trước
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền vừa phải với độ dẻo cao hơn	Độ bền cao hơn với độ dẻo dai được thiết kế thông qua TMCP/hợp kim vi mô
Trị giá	Chi phí vật liệu ban đầu thấp hơn	Chi phí ban đầu cao hơn, tiết kiệm vòng đời tiềm năng

Khuyến nghị cuối cùng: - Chọn HPB300 nếu bạn cần thanh thép trơn, dễ định hình và hàn để gia cố nhẹ, lắp đặt hoặc ứng dụng đòi hỏi độ dẻo dai, chi phí thấp và tải trọng thiết kế khiêm tốn. - Chọn HRB400 nếu quy định thiết kế, tải trọng kết cấu hoặc yêu cầu về địa chấn yêu cầu cường độ chịu kéo cao hơn và đặc tính liên kết tốt hơn, và nếu xưởng chế tạo có thể đáp ứng các điều khiển hàn và uốn chặt chẽ hơn.

Khi chỉ định bất kỳ loại nào, hãy luôn tham khảo tiêu chuẩn quản lý (giấy chứng nhận thử nghiệm tại nhà máy), yêu cầu thành phần hóa học thực tế và kết quả thử nghiệm cơ học và nếu cần hàn, hãy tính toán các số liệu tương đương cacbon (ví dụ $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$) để thiết lập quy trình làm nóng trước và thẩm định hàn phù hợp.