HRB400 so với HRB500 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

HRB400 và HRB500 là hai loại thép thanh cốt thép cán nóng được sử dụng rộng rãi, thường được chỉ định trong thiết kế và thi công bê tông kết cấu. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất phải cân nhắc các ưu tiên cạnh tranh - độ bền so với độ dẻo, khả năng hàn so với khả năng tôi, và chi phí vật liệu so với hiệu suất - khi lựa chọn giữa các loại thép này. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm thiết kế chịu động đất (trong đó độ dẻo và khả năng hấp thụ năng lượng là yếu tố quan trọng), cấu kiện chịu tải trọng lớn (khi đó giới hạn chảy cao là hấp dẫn) và quy trình chế tạo (khi khả năng hàn và hiệu suất uốn là ưu tiên).

Sự khác biệt thực tế chính giữa HRB400 và HRB500 là mức giới hạn chảy thiết kế/danh nghĩa của chúng: HRB400 được chỉ định ở mức giới hạn chảy khoảng 400 MPa, trong khi HRB500 hướng đến khoảng 500 MPa. Mục tiêu giới hạn chảy cao hơn này thúc đẩy các lựa chọn về thành phần và quy trình xử lý, ảnh hưởng đến hiệu suất cơ học, độ bền và hành vi chế tạo, đó là lý do tại sao hai loại này thường được so sánh trong thiết kế, mua sắm và sản xuất.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• GB (Trung Quốc): HRB400, HRB500 là các tên gọi thông dụng trong tiêu chuẩn GB T 1499.x của Trung Quốc dành cho thanh thép biên dạng cán nóng dùng để gia cố bê tông.
• EN (Châu Âu): Các loại thép cây được chỉ định khác nhau (ví dụ: B500B, B500C) và có hiệu suất gần giống HRB500, nhưng các quy tắc về hóa chất và thử nghiệm lại khác nhau.
• ASTM/ASME (Hoa Kỳ): ASTM A615/A706 chỉ định Cấp 60 hoặc 75 bar (năng suất khoảng 420–520 MPa) và bao gồm các yêu cầu khác nhau về giới hạn hóa học, độ giãn dài và khả năng hàn.
• JIS (Nhật Bản): JIS G3112 và các tiêu chuẩn khác sử dụng tên cấp và tiêu chí khác nhau.
• Phân loại: HRB400 và HRB500 là thép cacbon thường được sản xuất dưới dạng cốt thép hợp kim thấp/cường độ cao. Chúng không phải là thép không gỉ, thép công cụ hoặc thép kết cấu HSLA tiêu chuẩn theo nghĩa hẹp, mặc dù sản xuất HRB500 hiện đại thường sử dụng hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) và kiểm soát nhiệt cơ để đạt được các đặc tính.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là bảng tóm tắt các phạm vi thành phần điển hình thường gặp trong các thanh thép cán nóng hiện đại, được thiết kế để đáp ứng hiệu suất HRB400 và HRB500. Đây là các phạm vi đại diện dựa trên quy trình sản xuất chứ không phải là giá trị quy định từ bất kỳ tiêu chuẩn đơn lẻ nào—giới hạn hóa học thực tế được thiết lập theo thông số kỹ thuật hiện hành.

Yếu tố	Phạm vi điển hình, HRB400 (wt%)	Phạm vi điển hình, HRB500 (wt%)	Ghi chú
C	0,10 – 0,25	0,08 – 0,20	HRB500 thường giới hạn C để kiểm soát khả năng hàn và sử dụng các phương tiện khác (Mn, hợp kim vi mô, biến dạng) để tăng cường độ
Mn	0,40 – 1,10	0,50 – 1,30	Mn làm tăng độ bền và khả năng tôi cứng; HRB500 có thể chứa nhiều Mn hơn
Si	0,10 – 0,60	0,10 – 0,60	Khử oxy hóa; ảnh hưởng đến sức mạnh
P	≤ 0,045	≤ 0,045	Giữ thấp để tăng độ dẻo dai
S	≤ 0,045	≤ 0,045	Giữ ở mức thấp để dễ uốn
Cr	dấu vết – 0,30	dấu vết – 0,30	Nói chung là thấp; đôi khi được sử dụng với số lượng nhỏ
Ni	dấu vết – 0,30	dấu vết – 0,30	Hiếm có trong các thanh cốt thép tiêu chuẩn
Mo	dấu vết	dấu vết	Không phổ biến trong các thanh cốt thép tiêu chuẩn
V	dấu vết – 0,08	0,02 – 0,12	Hợp kim vi mô (V) thường được sử dụng để tăng năng suất thông qua việc tăng cường lượng mưa trong HRB500
Lưu ý	dấu vết – 0,06	0,01 – 0,06	Nb có thể tinh luyện hạt và tăng cường độ
Ti	dấu vết – 0,03	dấu vết – 0,03	Chất ổn định, kiểm soát hạt
B	dấu vết	dấu vết	Một số loại thép có thêm rất ít chất phụ gia
N	dấu vết	dấu vết	Tương tác với hợp kim vi mô (Nb, Ti) để tăng cường

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Cacbon và mangan là những yếu tố chính tạo nên độ bền; tăng chúng sẽ làm tăng độ bền nhưng có thể làm giảm khả năng hàn và độ dẻo. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) cho phép sản lượng cao hơn mà không cần hàm lượng cacbon cao hơn theo tỷ lệ do tinh luyện hạt và gia cường kết tủa, cải thiện độ dẻo dai và cho phép hàn tốt hơn so với phương pháp có hàm lượng cacbon cao. - Silic và mangan cũng ảnh hưởng đến quá trình khử oxy và độ bền; phốt pho và lưu huỳnh được kiểm soát để bảo vệ độ dẻo dai.

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

Cấu trúc vi mô điển hình của thanh cốt thép cán nóng được kiểm soát bằng phương pháp hóa học và xử lý nhiệt cơ học thay vì phương pháp xử lý nhiệt cổ điển:

• HRB400: Thường được sản xuất bằng phương pháp cán nóng thông thường với quá trình làm nguội có kiểm soát để tạo ra cấu trúc vi mô hỗn hợp ferit-pearlit hoặc martensite/ferit-pearlit ram tùy thuộc vào tốc độ làm nguội và hợp kim. Kích thước hạt và sự phân bố của perlit/ferit kiểm soát độ bền và độ dẻo. Chuẩn hóa (làm nguội có kiểm soát sau khi nung lại) có thể tinh chỉnh hạt và cải thiện độ dẻo dai.
• HRB500: Đạt được năng suất cao hơn chủ yếu thông qua cán nhiệt cơ học, làm nguội nhanh (tôi có kiểm soát) hoặc hợp kim hóa vi mô. Các cấu trúc vi mô điển hình bao gồm bainit hoặc ferit-pearlit mịn hơn với các kết tủa phân tán từ V/Nb/Ti. Trong một số quy trình, lớp bề mặt martensite-bainit với lõi ferit dẻo được thiết kế để kết hợp năng suất cao với khả năng uốn.

Tác dụng của quá trình xử lý: - Chuẩn hóa có thể cải thiện độ dẻo dai cho cả hai loại bằng cách tinh chỉnh cấu trúc hạt. - Làm nguội và ram hoặc làm nguội nhanh làm tăng độ bền nhưng cần kiểm soát cẩn thận để duy trì độ dẻo và tránh giòn. - Xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP) được sử dụng rộng rãi cho HRB500 để đạt được năng suất cao với độ dẻo và khả năng hàn chấp nhận được mà không cần sử dụng quá nhiều carbon.

4. Tính chất cơ học

Bảng sau đây cung cấp các chỉ tiêu đặc tính cơ học thường liên quan đến hai loại thép này. Các giá trị này chỉ mang tính chất tham khảo; giá trị thực tế được đảm bảo dựa trên tiêu chuẩn hiện hành hoặc thông số kỹ thuật hợp đồng.

Tài sản	HRB400 (điển hình)	HRB500 (điển hình)	Bình luận
Cường độ chịu nén danh nghĩa (MPa)	400	500	Sự khác biệt cơ bản về thiết kế—HRB500 mang lại năng suất thiết kế cao hơn
Độ bền kéo (MPa)	~480 – 650	~540 – 750	Độ bền kéo tăng theo năng suất; phạm vi phụ thuộc vào kích thước thanh và quá trình xử lý
Độ giãn dài (%)	~14 – 22	~9 – 18	HRB400 thường có độ giãn dài/độ dẻo cao hơn
Độ bền va đập	Thông thường là tốt; tùy thuộc vào quy trình	Có thể thấp hơn nếu đạt được độ bền cao thông qua quá trình tôi luyện; TMCP có thể duy trì độ dẻo dai	Độ dẻo dai phụ thuộc vào quá trình
Độ cứng (HRB/HRC nếu có)	Vừa phải	Cao hơn	Tương quan với độ bền kéo

Cái nào bền hơn, cứng hơn hay dẻo hơn: - HRB500 là vật liệu có độ bền kéo và độ bền kéo cực đại cao hơn. - HRB400 có xu hướng dẻo hơn và có thể có độ giãn dài và hấp thụ năng lượng cao hơn ở các chi tiết uốn và hàn quan trọng. - Độ dẻo dai không hoàn toàn phụ thuộc vào năng suất; HRB500 hiện đại được sản xuất thông qua TMCP và hợp kim vi mô có thể đạt được độ dẻo dai chấp nhận được tương đương với HRB400, nhưng phải xác định và xác minh lộ trình sản xuất.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thanh cốt thép phụ thuộc vào lượng cacbon tương đương và sự hiện diện của các nguyên tố làm tăng độ cứng. Chỉ số chung:

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

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): - $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ cao hơn cho thấy nguy cơ cao hơn về các vùng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ cứng và nứt lạnh; có thể cần phải gia nhiệt trước và kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn. - Thép HRB500 thường chứa nhiều Mn hơn và có thể bao gồm hợp kim vi mô làm tăng khả năng tôi luyện; do đó, chúng có thể khó hàn hơn HRB400 trừ khi kiểm soát được carbon và điều chỉnh quy trình chế tạo. - Sử dụng các quy trình sản xuất carbon thấp kết hợp với hợp kim vi mô và TMCP giúp duy trì khả năng hàn của các thanh thép HRB500. Cần xem xét việc thẩm định quy trình hàn, kiểm soát nhiệt lượng đầu vào và làm mát sau khi hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• HRB400 và HRB500 là thép cacbon và không có khả năng chống ăn mòn nội tại. Do đó, thiết kế và thông số kỹ thuật phải xem xét đến khả năng tiếp xúc với môi trường và biện pháp bảo vệ phù hợp.
• Các chiến lược bảo vệ phổ biến: mạ kẽm nhúng nóng, phủ epoxy, phủ polymer, rào cản cơ học (lớp phủ bê tông) hoặc bảo vệ catốt tùy thuộc vào mức độ tiếp xúc.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) được sử dụng cho hợp kim thép không gỉ và không áp dụng cho thép gia cường cacbon. Để tham khảo:

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

Nhưng chỉ số này không liên quan đến cấp HRB trừ khi xem xét các giải pháp thay thế bằng thép không gỉ hoặc thép thanh thép không gỉ.

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

• Cắt: Cả hai loại đều tương tự nhau khi cắt mài mòn hoặc cắt cơ học. HRB500 có độ bền cao hơn có thể làm cùn dụng cụ cắt nhanh hơn và cần nhiều năng lượng hơn khi cắt nguội.
• Uốn/tạo hình: HRB400 thường có khả năng uốn và độ dẻo tốt hơn; HRB500 yêu cầu kiểm soát quy trình chặt chẽ hơn và đường kính uốn cụ thể để tránh nứt, đặc biệt đối với đường kính nhỏ hơn hoặc khi uốn nguội sau khi xử lý giống như tôi.
• Khả năng gia công: Thanh cốt thép hiếm khi được gia công; độ cứng cao hơn ở HRB500 làm tăng độ mài mòn của dụng cụ khi gia công thứ cấp.
• Hoàn thiện bề mặt: Độ biến dạng (gờ) và chất lượng bề mặt được quyết định bởi chất lượng cán và phôi; sản xuất HRB500 thông qua quá trình cán có kiểm soát phải đảm bảo tính toàn vẹn của gờ và bề mặt để đáp ứng các yêu cầu neo giữ.

8. Ứng dụng điển hình

HRB400 – Công dụng điển hình	HRB500 – Công dụng điển hình
Bê tông cốt thép nói chung: sàn, dầm, móng ưu tiên tính kinh tế và độ dẻo	Các thành phần kết cấu chịu tải nặng, nơi năng suất cao hơn làm giảm tiết diện thanh: cột, kết cấu nhịp dài, cầu
Các khu vực không có động đất hoặc ít có động đất, các cấu kiện đúc sẵn	Thiết kế chống động đất khi được chỉ định với cốt thép cường độ cao đạt yêu cầu về độ dẻo
Môi trường thường xuyên phải uốn cong và làm việc lạnh trong quá trình xử lý tại công trường	Các dự án nhấn mạnh vào việc giảm trọng tải thép, ứng suất thiết kế cao hơn hoặc kích thước hạn chế
Bê tông khối và xây dựng thông thường nơi khả năng hàn và uốn là thông thường	Cơ sở hạ tầng chuyên dụng: cọc chịu lực cao, các thành phần phụ trợ dự ứng lực (cẩn thận)

Cơ sở lựa chọn: - Chọn HRB400 cho các ứng dụng ưu tiên độ dẻo, dễ chế tạo và khả năng cung cấp rộng rãi. - Chọn HRB500 khi năng suất cao hơn có thể làm giảm đáng kể kích thước hoặc trọng lượng của thành phần, với điều kiện quy trình chế tạo và hàn phải tính đến nhu cầu của vật liệu có độ bền cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: HRB500 thường có giá thành trên mỗi tấn cao hơn HRB400 do quy trình xử lý nghiêm ngặt hơn, khả năng bổ sung hợp kim vi mô và kiểm soát chất lượng chặt chẽ hơn. Tuy nhiên, chi phí trên mỗi kết cấu có thể thấp hơn nếu cường độ cao hơn làm giảm tổng khối lượng thép.
• Tính khả dụng: HRB400 được cung cấp rộng rãi ở hầu hết các thị trường. Tính khả dụng của HRB500 phụ thuộc vào quy trình sản xuất và nhu cầu của từng khu vực; nhiều nhà máy thép cây hiện đại sản xuất HRB500, nhưng hình dạng sản phẩm (cuộn, thanh thẳng), kích thước và cấp độ chứng nhận có thể khác nhau.
• Lưu ý mua sắm: Chỉ rõ lộ trình sản xuất, thử nghiệm va đập và trình độ hàn cần thiết trong đơn đặt hàng để tránh cung cấp vật liệu HRB500 không đáp ứng được kỳ vọng về khả năng thi công.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Hệ mét	HRB400	HRB500
Khả năng hàn	Biên lợi nhuận tốt hơn do CE thấp hơn; chế tạo dễ dàng hơn	Đòi hỏi khắt khe hơn; yêu cầu các quy trình được kiểm soát và có thể phải làm nóng trước
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Năng suất danh nghĩa thấp hơn nhưng độ dẻo nói chung cao hơn	Năng suất cao hơn; độ dẻo dai phụ thuộc vào quá trình chế biến (ưu tiên TMCP)
Trị giá	Chi phí thấp hơn cho mỗi tấn; có sẵn rộng rãi hơn	Chi phí cao hơn cho mỗi tấn nhưng có khả năng tiết kiệm nhờ giảm trọng lượng

Chọn HRB400 nếu: - Dự án của bạn nhấn mạnh vào tính dẻo, uốn cong/biến dạng nguội thường xuyên tại chỗ, quy trình hàn đơn giản hơn hoặc đảm bảo tính khả dụng với chi phí thấp hơn. - Bạn cần khả năng biến dạng lớn hơn trong chi tiết địa chấn mà không cần đầu tư vào việc kiểm tra/thử nghiệm đối với cốt thép cường độ cao.

Chọn HRB500 nếu: - Bạn cần năng suất thiết kế cao hơn để giảm kích thước, trọng lượng tiết diện hoặc đáp ứng các hạn chế về khả năng kết cấu cụ thể và bạn có thể thực hiện kiểm soát hàn, uốn và mua sắm. - Nhà máy hoặc nhà cung cấp của bạn sử dụng TMCP và kỹ thuật hợp kim vi mô để cung cấp HRB500 có độ bền đã được chứng minh và hướng dẫn chế tạo được ghi chép lại.

Lưu ý cuối cùng: Hiệu suất thực tế của HRB400 so với HRB500 phụ thuộc nhiều vào quy trình sản xuất và kiểm soát chất lượng hơn là chỉ dựa trên cấp thép danh nghĩa. Hãy nêu rõ các tiêu chí chấp nhận cơ học, các thử nghiệm bắt buộc (uốn, kéo, va đập nếu cần) và quy trình chế tạo/hàn trong hợp đồng để đảm bảo cấp thép được chọn đáp ứng các nhu cầu về kết cấu và thi công.