HRB400 so với HRB400E – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

HRB400 và HRB400E là hai loại thép thanh cốt thép cán nóng biến dạng được sử dụng rộng rãi trong xây dựng bê tông và các ứng dụng kết cấu. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa chúng khi xác định cốt thép phải cân bằng giữa cường độ, độ dẻo, khả năng hàn, chi phí và khả năng chịu động đất. Bối cảnh quyết định điển hình bao gồm các cấu kiện bê tông cốt thép thông thường, trong đó cường độ và chi phí tiêu chuẩn là yếu tố chính, so với các thiết kế chịu tải trọng động đất hoặc tải trọng động, trong đó độ dẻo và khả năng tiêu tán năng lượng được cải thiện là rất quan trọng.

Điểm khác biệt cơ bản là HRB400E là biến thể được tăng cường khả năng kháng chấn của HRB400: cả hai đều đạt giới hạn chảy danh nghĩa 400 MPa, nhưng HRB400E được sản xuất và thử nghiệm để mang lại độ dẻo dai, hiệu suất uốn và khả năng kiểm soát nứt gãy vượt trội dưới tải trọng động đất. Do những khác biệt về kiểm soát luyện kim và tiêu chuẩn chấp nhận cơ học, hai loại thép này thường được so sánh khi các dự án yêu cầu hiệu suất cơ bản hoặc khả năng chống động đất cao.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• GB (Cộng hòa Nhân dân Trung Hoa): GB/T 1499.2 — "Thép gân cán nóng dùng cho cốt bê tông" là tiêu chuẩn chính xác định các cấp HRB; HRB400 và HRB400E là tên gọi của Trung Quốc. HRB là viết tắt của "Thép gân cán nóng".
• ASTM / ASME: Không phải là sản phẩm tương đương trực tiếp, nhưng HRB400 có chức năng tương đương với ASTM A615 Cấp 60 (cho năng suất khoảng 420 MPa trong một số phép chuyển đổi); luôn xác nhận bằng các thử nghiệm cơ học và hóa học khi thay thế.
• EN (Châu Âu): Các cấp thép cây trong EN 1992/EN 10080 sử dụng các quy ước đặt tên khác nhau (ví dụ: B500B/B500C). Việc tham chiếu chéo trực tiếp đòi hỏi phải khớp các yêu cầu về giới hạn chảy, độ dẻo và thử nghiệm.
• JIS (Nhật Bản): JIS G 3112 bao gồm các thanh thép biến dạng dùng cho bê tông; một lần nữa, tính tương đương đòi hỏi phải xác minh bằng các đặc tính và thử nghiệm.

Phân loại: Cả HRB400 và HRB400E đều là thép thanh biến dạng cacbon-mangan được phân loại là thép cacbon không hợp kim, trong đó biến thể HRB400E thường được sản xuất với quy trình kiểm soát nghiêm ngặt hơn hoặc bổ sung hợp kim vi mô để đáp ứng các mục tiêu hiệu suất chịu động đất. Chúng không phải là thép không gỉ, thép dụng cụ hoặc thép hợp kim cao; chúng thuộc nhóm thép thanh cacbon/hợp kim thấp (thép gia cường thông thường).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Chiến lược hóa học của HRB400 so với HRB400E tập trung vào hàm lượng carbon thấp đến trung bình, mangan là thành phần chính tạo nên độ bền, silic là chất khử oxy, và phốt pho và lưu huỳnh ở mức tối thiểu. HRB400E được sản xuất với sự kiểm soát chặt chẽ hơn về hàm lượng carbon tương đương và có thể bao gồm các nguyên tố hợp kim siêu nhỏ hoặc thay đổi quy trình để cải thiện độ dẻo và độ dai. Giới hạn hóa học chính xác được quy định trong các tiêu chuẩn và theo nhà máy; so sánh định tính được trình bày bên dưới.

Yếu tố	HRB400 (phương pháp kiểm soát điển hình)	HRB400E (phương pháp kiểm soát điển hình)
C (cacbon)	Thấp đến trung bình; được kiểm soát để cho phép năng suất và khả năng hàn cần thiết	Giảm hoặc kiểm soát chặt chẽ để giảm độ cứng và cải thiện độ dẻo
Mn (mangan)	Hợp kim cường độ chính; mức độ vừa phải	Mn tương tự nhưng kiểm soát chặt chẽ hơn để quản lý $CE$ và tỷ lệ năng suất
Si (silicon)	Chất khử oxy; mức độ vừa phải	Tương tự; được kiểm soát để hạn chế các pha giòn
P (phốt pho)	Giữ ở mức thấp (kiểm soát tạp chất)	Giữ ở mức thấp; thường xuyên áp dụng các giới hạn chặt chẽ hơn
S (lưu huỳnh)	Giữ ở mức thấp; thực hành tiêu chuẩn khử lưu huỳnh	Thấp; kiểm soát chặt chẽ để tránh nứt liên quan đến sunfua
Cr, Ni, Mo	Thông thường không có hoặc dấu vết	Có thể vắng mặt hoặc chỉ có trong dấu vết trừ khi được chỉ định cho các thanh đặc biệt
V, Nb, Ti (hợp kim siêu nhỏ)	Thông thường không bắt buộc	Có thể được thêm vào với số lượng nhỏ hoặc đưa vào thông qua quy trình sản xuất để tinh chế hạt và cải thiện độ dẻo dai (tùy thuộc vào quy trình của nhà máy)
B, N	Theo dõi; kiểm soát	Dấu vết; nitơ được kiểm soát để hỗ trợ độ dẻo

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Cacbon và mangan chủ yếu kiểm soát độ bền; C cao hơn làm tăng độ bền nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) ở nồng độ thấp có thể làm mịn hạt, cải thiện độ dẻo dai và cho phép tăng cường độ mà không làm tăng hàm lượng cacbon. - Giới hạn chặt chẽ về P và S làm giảm hiện tượng giòn và cải thiện độ dẻo ở nhiệt độ thấp cũng như hiệu suất uốn cong—quan trọng đối với các cấp độ chịu động đất.

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

Cả HRB400 và HRB400E thường được sản xuất bằng phương pháp cán nóng và làm nguội có kiểm soát thay vì tôi và ram. Cấu trúc vi mô điển hình là hỗn hợp ferit và perlit, với tỷ lệ và độ mịn bị ảnh hưởng bởi tốc độ làm nguội và thành phần.

• HRB400: Được sản xuất để đạt được các tính chất cơ học cần thiết với quy trình cán nóng và làm nguội tiêu chuẩn. Cấu trúc vi mô là ferit-perlit với kích thước hạt phù hợp với độ dẻo thiết kế.
• HRB400E: Quá trình sản xuất có thể bao gồm việc kiểm soát chặt chẽ hơn các đường cong làm nguội, cán nhiệt cơ học, hoặc hợp kim hóa vi mô để tạo ra các hạt mịn hơn và cấu trúc ferit-perit đồng đều hơn với ít đảo perlit thô hơn. Kết quả là cải thiện hiệu suất kéo dài và uốn.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Việc làm nguội nhanh hoặc bình thường hóa sau khi cán có thể làm tăng độ bền và tinh chỉnh cấu trúc vi mô; tuy nhiên, quá trình sản xuất cốt thép thông thường dựa vào quá trình cán có kiểm soát hơn là xử lý nhiệt sau khi cán. - Làm nguội và ram không phải là tiêu chuẩn đối với thanh cốt thép HRB vì những phương pháp này làm tăng chi phí và thay đổi hành vi về kích thước/độ dẻo; khi được chỉ định, chúng tạo ra thanh có độ bền cao hơn, độ dẻo thấp hơn—không phù hợp để gia cố theo tiêu chuẩn trừ khi có yêu cầu cụ thể. - Xử lý nhiệt cơ học hoặc bổ sung hợp kim vi mô cho HRB400E giúp tăng độ dẻo dai và giảm nguy cơ gãy giòn dưới tải trọng tuần hoàn.

4. Tính chất cơ học

Cả hai loại thép đều được chỉ định đạt giới hạn chảy tối thiểu 400 MPa, nhưng tiêu chuẩn chấp nhận cho các thử nghiệm về độ dẻo và chống động đất sẽ khác nhau. Bảng dưới đây sử dụng các mô tả định tính và mức tối thiểu theo tiêu chuẩn quy định (nếu có).

Tài sản	HRB400	HRB400E
Cường độ chịu kéo tối thiểu được chỉ định	400 MPa (theo chỉ định)	400 MPa (theo chỉ định)
Độ bền kéo	Phạm vi điển hình đủ để đáp ứng thiết kế kết cấu; tiêu chuẩn yêu cầu tỷ lệ kéo trên giới hạn chảy nằm trong giới hạn	Phạm vi kéo tương tự; có thể cần kiểm soát chặt chẽ hơn tỷ lệ giới hạn chảy trên độ kéo
Độ giãn dài (độ dẻo)	Đáp ứng độ giãn dài tối thiểu tiêu chuẩn cho HRB400	Yêu cầu về độ giãn dài và độ dẻo dai được cải thiện; mức tối thiểu cao hơn hoặc các thử nghiệm uốn/độ dẻo dai bổ sung
Độ bền va đập / hành vi uốn cong	Có thể chấp nhận sử dụng chung; áp dụng thử nghiệm uốn cong tiêu chuẩn	Kiểm soát uốn và gãy vượt trội; thường xuyên phải thực hiện thêm các thử nghiệm uốn và uốn lại do động đất
Độ cứng	Điển hình cho thanh cốt thép ít carbon; độ cứng vừa phải	Độ cứng cục bộ tương tự hoặc thấp hơn một chút do kiểm soát thành phần để tránh các cấu trúc vi mô giòn

Cái nào bền hơn, dai hơn hay dẻo hơn: - Độ bền (giới hạn chảy) về cơ bản là bằng nhau theo tên cấp. - Độ dẻo dai và độ linh hoạt: HRB400E được thiết kế và thử nghiệm để mang lại độ dẻo dai và hiệu suất uốn tốt hơn so với HRB400 tiêu chuẩn, giúp giảm nguy cơ gãy giòn dưới tải trọng động đất hoặc tải trọng động.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng cacbon, lượng cacbon tương đương (độ tôi) và sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim vi mô. Hai công thức thực nghiệm thường được sử dụng để đánh giá khả năng hàn là lượng cacbon tương đương IIW và công thức $P_{cm}$ toàn diện hơn:

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

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

Diễn giải (định tính): - HRB400: Được thiết kế với hàm lượng carbon và Mn từ thấp đến trung bình sao cho việc hàn nói chung có thể thực hiện được với các biện pháp phòng ngừa tiêu chuẩn (làm nóng trước hoặc kiểm soát nhiệt đầu vào khi cần thiết). - HRB400E: Nhờ kiểm soát chặt chẽ hơn về hàm lượng carbon tương đương và hàm lượng carbon thường thấp hơn hoặc hàm lượng hợp kim vi mô được kiểm soát, khả năng hàn có thể ngang bằng hoặc được cải thiện so với HRB400. Tuy nhiên, các nhà máy cán có thể bổ sung các nguyên tố hợp kim vi mô để cải thiện độ dẻo dai; những nguyên tố này có thể làm tăng nhẹ khả năng tôi, đòi hỏi phải chú ý đến nhiệt độ nung nóng trước và nhiệt độ giữa các lớp hàn trong mối hàn dày. - Trong thực tế: xác minh báo cáo thử nghiệm nhà máy, tính toán $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ cho cuộn dây/lô cụ thể và tham khảo thông số kỹ thuật quy trình hàn để xác định các yêu cầu về nung nóng trước, vật tư tiêu hao và chất lượng.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

HRB400 và HRB400E không phải là thép không gỉ; do đó, các chiến lược bảo vệ chống ăn mòn liên quan đến lớp phủ và lớp bê tông che phủ.

• Các biện pháp bảo vệ điển hình: che phủ bê tông đầy đủ theo quy định, phụ gia chống ăn mòn, phủ epoxy lên thanh, mạ kẽm (thanh cốt thép mạ kẽm nhúng nóng) hoặc sử dụng thanh thép bọc thép không gỉ hoặc thanh composite ở những nơi có nguy cơ tiếp xúc cao.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho thanh cốt thép cacbon thông thường; nó chỉ liên quan đến hợp kim thép không gỉ:

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

• Hướng dẫn thực tế: chọn HRB400E cho các bộ phận quan trọng chịu động đất và chỉ định riêng biện pháp giảm thiểu ăn mòn (lớp phủ/lớp che phủ) tùy thuộc vào mức độ ăn mòn của môi trường; việc tăng cường khả năng chịu động đất không cải thiện khả năng chống ăn mòn của khí quyển.

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

• Cắt: Cả hai loại đều được cắt bằng phương pháp cắt oxy-nhiên liệu, cắt mài mòn hoặc cắt cơ học. Hàm lượng carbon thấp đảm bảo việc cắt thông thường dễ dàng.
• Uốn và tạo hình cốt thép: HRB400E thường có hiệu suất uốn vượt trội và độ biến dạng cho phép trước khi nứt lớn hơn, giúp đơn giản hóa việc chế tạo móc, cốt thép đai và chi tiết chịu động đất. HRB400 đáp ứng các yêu cầu tạo hình chung nhưng có thể có biên độ uốn thấp hơn khi uốn cong đường kính lớn hoặc bán kính hẹp.
• Khả năng gia công: Thanh cốt thép thường không được gia công; nếu cần gia công thì cả hai đều tương tự nhau—tốc độ cắt và dụng cụ phụ thuộc vào độ cứng.
• Hoàn thiện: Các kiểu bề mặt biến dạng đều giống nhau; đảm bảo làm sạch lớp vảy cán và lớp phủ trước khi hàn hoặc liên kết.

8. Ứng dụng điển hình

HRB400 (sử dụng thông thường)	HRB400E (sử dụng thông thường)
Dầm, bản, cột bê tông cốt thép thông thường ở các khu vực không có động đất hoặc ít động đất	Các thành phần khung chịu động đất, chi tiết dẻo ở các vùng có động đất cao, vùng bản lề dẻo
Bê tông khối và móng mà độ dẻo cao không phải là mối quan tâm chính	Các cấu trúc đòi hỏi độ dẻo dai tăng cường, tiêu tán năng lượng và gãy xương được kiểm soát dưới tải trọng tuần hoàn
Các thành phần đúc sẵn và công trình dân dụng nói chung, nơi hiệu quả về chi phí được ưu tiên	Các kết nối quan trọng, mối nối chồng và cốt thép giới hạn trong thiết kế chống động đất

Cơ sở lựa chọn: - Chọn HRB400 khi cường độ tiêu chuẩn và hiệu quả về chi phí là ưu tiên hàng đầu và yêu cầu về độ dẻo hoặc khả năng chống động đất cụ thể của dự án không quá nghiêm ngặt. - Chọn HRB400E khi yêu cầu của khách hàng hoặc quy định đòi hỏi độ dẻo cao hơn, hiệu suất uốn nghiêm ngặt hơn và khả năng chống địa chấn đã được xác nhận—đặc biệt là đối với các khu vực bản lề nhựa và các chi tiết quan trọng.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: HRB400 thường là loại cốt thép cơ bản có chi phí thấp hơn vì tiêu chuẩn sản xuất và chấp nhận ít khắt khe hơn so với các loại thép chịu địa chấn. HRB400E thường có giá cao hơn do quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn, các thử nghiệm bổ sung hoặc các yêu cầu về hợp kim vi mô và truy xuất nguồn gốc.
• Tính khả dụng: Cả hai đều phổ biến ở các thị trường sản xuất thép tiêu chuẩn GB/T. HRB400 được dự trữ rộng rãi hơn; tính khả dụng của HRB400E phụ thuộc vào nhu cầu gia cố cấp địa chấn và năng lực sản xuất của nhà máy trong khu vực. Việc mua sắm hoặc thông số kỹ thuật dự án dài hạn có thể yêu cầu phối hợp với các nhà máy để đảm bảo nguồn cung và chứng nhận HRB400E.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	HRB400	HRB400E
Khả năng hàn	Tốt với các biện pháp phòng ngừa tiêu chuẩn	Tốt để cải thiện; xác minh $CE_{IIW}$/$P_{cm}$ cho lô
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Đạt giới hạn chảy 400 MPa; độ dẻo tiêu chuẩn	Mục tiêu năng suất giống nhau; độ dẻo và độ uốn/độ dai được cải thiện
Trị giá	Phần dưới (thép cốt thép cơ sở)	Cao hơn (tăng cường địa chấn)

Chọn HRB400 nếu... - Dự án của bạn nằm trong khu vực có cường độ địa chấn thấp đến trung bình và độ dẻo dai tiêu chuẩn cùng hiệu quả về chi phí là ưu tiên hàng đầu. - Gia cố dành cho các thành phần không quan trọng, nơi có thể chấp nhận được độ uốn và độ dẻo tiêu chuẩn. - Bạn cần khả năng cung cấp rộng rãi và chi phí mua sắm thấp hơn.

Chọn HRB400E nếu... - Dự án có yêu cầu thiết kế chống động đất hoặc thông số kỹ thuật yêu cầu rõ ràng về việc gia cố chịu động đất cho các khu vực hạn chế, bản lề nhựa hoặc các kết nối quan trọng. - Bạn cần độ dẻo dai được tăng cường, kiểm soát được hành vi gãy khi uốn và độ tin cậy cao hơn về khả năng tiêu tán năng lượng dưới tải trọng tuần hoàn. - Ngân sách và hậu cần cung ứng cho phép tăng mức phí bảo hiểm khiêm tốn để đổi lấy biên độ an toàn được cải thiện trong hiệu suất địa chấn.

Ghi chú kết luận: Luôn xem xét các quy chuẩn dự án, yêu cầu thiết kế kết cấu và chứng chỉ kiểm tra nhà máy. Khi thay thế hoặc chỉ định các tiêu chuẩn tương đương giữa các tiêu chuẩn (ASTM/EN/GB/JIS), hãy xác nhận các tiêu chí chấp nhận về cơ học và độ dẻo thay vì chỉ dựa vào tên mác thép danh nghĩa. Đối với các cụm chi tiết quan trọng trong hàn, hãy tính $CE_{IIW}$ và/hoặc $P_{cm}$ từ phân tích hóa học thực tế và xác định quy trình hàn cho phù hợp.