HRB400 so với HRB500E – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

HRB400 và HRB500E là thép cốt thép gân cán nóng (thanh cốt thép) được sử dụng rộng rãi trong xây dựng và kết cấu kỹ thuật. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc giữa chi phí, khả năng thi công, khả năng chịu lực cơ học và hiệu suất chịu động đất khi lựa chọn giữa các mác thép này. Bối cảnh quyết định điển hình bao gồm thiết kế bê tông cốt thép, nơi cường độ cao hơn có thể giảm kích thước tiết diện, so với các dự án mà độ dẻo và khả năng tiêu tán năng lượng trong động đất là rất quan trọng.

Điểm khác biệt kỹ thuật chính là HRB500E được thiết kế để mang lại cường độ chịu kéo cao hơn khoảng 25% so với HRB400, đồng thời đáp ứng các tiêu chí về độ dẻo và khả năng chịu động đất. Vì cả hai đều là thép cacbon được sản xuất dưới dạng thanh cốt thép gân, chúng thường được so sánh về thiết kế kết cấu, chế tạo và các yếu tố hàn.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các tiêu chuẩn và chỉ định chính liên quan đến HRB400 và HRB500E: - GB/T 1499 (Trung Quốc) — Tên gọi HRB có nguồn gốc từ đây (thanh thép cán nóng có gân). - EN 1992 / EN 10080 (Châu Âu) — có các loại tương đương (dòng B500, B400). - ASTM/ASME — cách đánh số khác nhau (ví dụ, ASTM A615/A706 cho thanh cốt thép) nhưng vẫn có thể so sánh dựa trên hiệu suất. - JIS (Nhật Bản) — JIS G3112 và các tiêu chuẩn liên quan bao gồm các loại thép cây tương đương.

Phân loại theo loại thép: - Cả HRB400 và HRB500E đều là thép cacbon được xử lý hợp kim vi mô khi cần thiết — chúng không phải là thép không gỉ hoặc thép dụng cụ. - Chúng thuộc loại thép gia cường theo kiểu xây dựng/HSLA: chủ yếu là thép cacbon kết cấu có thành phần hóa học và quy trình chế biến được kiểm soát để đạt được độ dẻo và độ bền cần thiết.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây tóm tắt sự hiện diện điển hình của các nguyên tố và vai trò luyện kim của từng loại. Giới hạn chính xác thay đổi tùy theo tiêu chuẩn và nhà cung cấp; tham khảo chứng chỉ nhà máy cho các lô cụ thể.

Yếu tố	HRB400 — Vai trò điển hình	HRB500E — Vai trò điển hình
C (Cacbon)	Hàm lượng carbon thấp đến trung bình để cân bằng độ bền và khả năng hàn; yếu tố chính tạo nên độ bền.	Hàm lượng carbon cao hơn một chút hoặc được kiểm soát; cân bằng để đạt năng suất cao hơn mà không làm giảm quá mức khả năng hàn.
Mn (Mangan)	Chất khử oxy chính và chất tăng cường dung dịch rắn; hỗ trợ độ bền kéo/giới hạn chảy.	Thường tương tự hoặc tăng nhẹ để tăng độ bền và khả năng làm cứng.
Si (Silic)	Chất khử oxy; lượng nhỏ để tăng cường sức mạnh.	Vai trò tương tự; được giới hạn để duy trì độ dẻo và tính chất hàn.
P (Phốt pho)	Giữ ở mức thấp; giòn và giảm độ dẻo dai nếu quá mức.	Kiểm soát mức độ thấp, đặc biệt là đối với cấp độ địa chấn.
S (Lưu huỳnh)	Giữ ở mức thấp; ảnh hưởng đến khả năng gia công nhưng làm giảm độ dẻo dai/khả năng hàn nếu ở mức cao.	Chỉ định mức thấp; tránh nồng độ S quá mức.
Cr, Ni, Mo	Nói chung là tối thiểu trong các loại cốt thép thông thường; hạn chế trừ khi là cốt thép hợp kim đặc biệt.	HRB500E có thể chứa một lượng nhỏ chất làm cứng hoặc hợp kim vi mô, nhưng không phải là thanh cốt thép không gỉ/hợp kim thấp theo thành phần.
V, Nb, Ti (hợp kim vi mô)	Thỉnh thoảng thêm vào một lượng nhỏ để tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ bền/độ dẻo dai.	HRB500E thường sử dụng phương pháp hợp kim hóa vi mô và xử lý nhiệt cơ học để đạt được năng suất cao hơn và độ dẻo được cải thiện.
B (Bo)	Hiếm khi dùng trong thanh cốt thép; được sử dụng với số lượng nhỏ khi cần kiểm soát độ cứng.	Tương tự — thường không có số lượng đáng kể.
N (Nitơ)	Được kiểm soát; ảnh hưởng đến năng suất và hành vi kết tủa hợp kim vi mô.	Được kiểm soát để hỗ trợ các tính chất cơ học cần thiết.

Tóm tắt chiến lược hợp kim: - HRB400 đạt được chủ yếu nhờ phương pháp hóa học và cán thông thường, ưu tiên khả năng hàn và độ dẻo ở mức giới hạn chảy danh nghĩa 400 MPa. - HRB500E đạt được độ dẻo dai danh nghĩa và độ dẻo dai địa chấn cao hơn thường là nhờ sự kết hợp giữa thành phần hóa học được điều chỉnh nhẹ (ví dụ, Mn và hợp kim vi mô được kiểm soát) và cán nhiệt cơ học/làm mát được kiểm soát thay vì tăng đáng kể hàm lượng cacbon.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - HRB400: cấu trúc vi mô chủ yếu là ferit-pearlit trong thanh cốt thép được xử lý thông thường; kích thước hạt khá thô tùy thuộc vào quá trình cán và làm nguội. - HRB500E: thành phần giống ferit-pearlit hoặc martensite được tôi/ram bainit mịn hơn trong một số sản phẩm được xử lý nhiệt cơ học; tinh chế hạt và gia cường kết tủa từ hợp kim vi mô giúp đạt được độ bền cao hơn.

Tác dụng của quá trình xử lý: - Việc làm nguội bình thường hoặc có kiểm soát sau khi cán sẽ làm mịn kích thước hạt và tăng cường độ dẻo dai cho cả hai loại. - Làm nguội và ram không phổ biến đối với các thanh cốt thép tiêu chuẩn do chi phí cao, nhưng quá trình xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP) thường được sử dụng cho HRB500E để sản xuất các cấu trúc vi mô hạt mịn với độ dẻo và năng suất được cải thiện. - Sử dụng các nguyên tố hợp kim siêu nhỏ (V, Nb, Ti) với cán có kiểm soát thúc đẩy quá trình gia cường kết tủa và tinh chỉnh hạt, cải thiện độ bền mà không gây ra nhiều cacbon.

4. Tính chất cơ học

Các tính chất định tính danh nghĩa và điển hình được chuẩn hóa:

Tài sản	HRB400	HRB500E
Độ bền kéo danh nghĩa	~400 MPa (chỉ định)	~500 MPa (chỉ định)
Độ bền kéo	Trung bình; phù hợp với thiết kế bê tông cốt thép thông thường	Độ bền cuối cùng cao hơn để phù hợp với năng suất cao hơn; biên lợi nhuận lớn hơn nhưng phụ thuộc vào quá trình chế biến
Độ giãn dài (độ dẻo)	Tốt; thường cao hơn các thanh có cường độ cao không chịu được địa chấn	Được thiết kế để duy trì độ giãn dài/độ dẻo tốt mặc dù có độ bền cao hơn (chữ "E" biểu thị độ dẻo dai chịu địa chấn được tăng cường)
Độ bền va đập	Phù hợp với môi trường điển hình; phụ thuộc vào nhiệt độ và sản lượng	Được chỉ định để đáp ứng các yêu cầu về độ bền địa chấn; thường hấp thụ năng lượng vượt trội trên mỗi đơn vị khối lượng
Độ cứng	Thấp hơn HRB500E trong điều kiện tương đương	Cao hơn do cấu trúc vi mô được tăng cường và năng suất cao hơn

Giải thích: - HRB500E có độ bền kéo và độ bền kéo cao hơn. Thép cường độ cao thông thường có thể mất độ dẻo, nhưng HRB500E được thiết kế để duy trì hoặc cải thiện độ dẻo dai/độ dẻo thông qua quá trình gia công và hợp kim hóa vi mô, phù hợp cho các ứng dụng chịu địa chấn đòi hỏi cả khả năng chịu lực và biến dạng.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào lượng cacbon tương đương, độ cứng và hàm lượng hợp kim vi mô. Các chỉ số chung:

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

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

Diễn giải (định tính): - HRB400: hàm lượng cacbon tương đương thấp hơn và ít chất làm cứng hơn thường mang lại khả năng hàn tốt hơn và yêu cầu gia nhiệt trước thấp hơn. - HRB500E: cường độ cao hơn và có thể tăng hàm lượng Mn hoặc hợp kim vi mô có thể làm tăng $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$, làm tăng nguy cơ bị cứng vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và nứt nguội nếu quy trình hàn không được kiểm soát. Tuy nhiên, HRB500E thường được sản xuất với quy trình kiểm soát hóa chất và quy trình hàn đã được xác nhận để sử dụng trong xây dựng; việc gia nhiệt trước, nhiệt độ giữa các lớp hàn và lựa chọn vật tư tiêu hao nên tuân theo khuyến nghị của nhà cung cấp. - Trong cả hai trường hợp, hãy xác minh chứng chỉ thử nghiệm tại nhà máy và thực hiện quy trình thẩm định cho các kết nối hàn quan trọng, đặc biệt là trên HRB500E ở các vùng có địa chấn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả HRB400 và HRB500E đều là thép cacbon không gỉ; khả năng chống ăn mòn nội tại bị hạn chế.
• Các lựa chọn bảo vệ bề mặt tiêu chuẩn: mạ kẽm (nhúng nóng), phủ epoxy, phủ cơ học hoặc các giải pháp thay thế bằng thép không gỉ/bọc cho môi trường có tính ăn mòn cao.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho thanh cốt thép cacbon thông thường vì nó liên quan đến hợp kim thép không gỉ:

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

• Việc sử dụng cốt thép phủ hoặc chống ăn mòn, bảo vệ catốt, hoặc điều chỉnh thiết kế hỗn hợp bê tông và lớp phủ là những phương pháp giảm thiểu phổ biến. Việc lựa chọn giữa HRB400 và HRB500E trên cơ sở ăn mòn thường dựa trên hệ thống bảo vệ hơn là sự khác biệt về hợp kim nội tại.

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

• Cắt: cả hai loại đều có thể dễ dàng cắt bằng phương pháp oxy-nhiên liệu, mài mòn hoặc cơ học; HRB500E có thể cần nhiều công suất/mài mòn dụng cụ hơn một chút do độ bền cao hơn.
• Uốn/tạo hình: HRB400 uốn dễ hơn và có bán kính uốn cho phép lớn hơn đối với một đường kính thanh nhất định; HRB500E yêu cầu kiểm soát quy trình chặt chẽ hơn và bán kính uốn chính xác theo quy định để tránh nứt.
• Khả năng gia công: thường kém đối với thanh cốt thép do quá trình làm cứng và hình dạng gân — HRB500E có thể bị mài mòn dụng cụ nhiều hơn.
• Các xưởng chế tạo sẵn phải tính đến sự khác biệt về độ đàn hồi và điều chỉnh các chi tiết uốn cong và neo cho HRB500E để đảm bảo hiệu suất.

8. Ứng dụng điển hình

HRB400 — Công dụng điển hình	HRB500E — Công dụng điển hình
Bê tông cốt thép dân dụng và thương mại thấp tầng, nơi tính dẻo dai và tính kinh tế được ưu tiên	Các vùng địa chấn và các yếu tố cấu trúc quan trọng đòi hỏi độ dẻo dai cao hơn và khả năng kiểm soát
Bê tông khối, dầm, tấm và cột không chịu địa chấn	Các công trình cao tầng, cầu, cải tạo chống động đất và các thành phần được thiết kế để giảm tiết diện bằng cách sử dụng thanh cốt thép có cường độ cao hơn
Gia cố chung trong điều kiện tiếp xúc nhẹ	Các ứng dụng yêu cầu kích thước/trọng lượng thanh giảm trong khi vẫn đáp ứng nhu cầu về độ dẻo và tiêu tán năng lượng

Cơ sở lựa chọn: - Chọn HRB400 cho bê tông cốt thép thông thường khi độ dẻo và khả năng hàn tiêu chuẩn là đủ và độ nhạy về chi phí cao hơn. - Chọn HRB500E khi cần giảm diện tích thanh thép trong thiết kế, chi tiết chống động đất hoặc khả năng chịu tải cao hơn trên một đơn vị diện tích, với điều kiện phải thực hiện các biện pháp kiểm soát chế tạo và hàn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: HRB500E thường đắt hơn tính theo kilôgam so với HRB400 do kiểm soát hóa học, xử lý (TMCP) và đủ điều kiện về hiệu suất chống động đất chặt chẽ hơn, mặc dù chi phí cho mỗi công suất kết cấu có thể thuận lợi hơn.
• Tình trạng sẵn có: HRB400 được lưu kho phổ biến hơn ở nhiều thị trường; tình trạng sẵn có của HRB500E phụ thuộc vào nhu cầu khu vực và năng lực sản xuất. Thời gian giao hàng có thể dài hơn đối với các kích cỡ đặc biệt hoặc lô hàng được chứng nhận chống động đất.
• Hình dạng sản phẩm: cả hai thường được cung cấp dưới dạng thanh thẳng hoặc cuộn và có chiều dài cắt tiêu chuẩn; lồng hoặc lưới đúc sẵn có thể có sẵn ở mỗi cấp.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	HRB400	HRB500E
Khả năng hàn	Tốt hơn (CE thấp hơn)	Tốt với các điều khiển (tiềm năng CE cao hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền vừa phải với độ dẻo đáng tin cậy	Độ bền kéo cao hơn với độ dẻo dai/độ bền được thiết kế
Trị giá	Đơn giá thấp hơn	Đơn giá cao hơn, tổng chi phí tiềm năng tiết kiệm thông qua việc giảm số lượng vật liệu

Chọn HRB400 nếu: - Các dự án ưu tiên chi phí vật liệu thấp nhất và phương pháp thi công thông thường. - Ứng dụng không chịu động đất hoặc nơi cần độ dẻo tiêu chuẩn và hàn dễ dàng hơn. - Khả năng cung cấp tại địa phương và quy trình chế tạo tiêu chuẩn ưu tiên HRB400.

Chọn HRB500E nếu: - Thiết kế yêu cầu cường độ chịu kéo cao hơn để giảm kích thước thành phần hoặc đáp ứng giới hạn quy định. - Các công trình nằm trong vùng địa chấn hoặc yêu cầu tiêu tán năng lượng đã được xác minh và độ dẻo được kiểm soát. - Việc mua sắm có thể đáp ứng được chi phí đơn vị cao hơn một chút và các quy trình chế tạo/hàn được điều chỉnh theo cấp độ.

Lưu ý cuối cùng: Luôn xác nhận chứng chỉ kiểm tra nhà máy, khuyến nghị về hàn và xử lý của nhà cung cấp, và các yêu cầu của quy chuẩn dự án. Đối với các kết cấu quan trọng, hãy thực hiện kiểm tra khả năng tương thích và quy trình (hàn, uốn, neo) và phối hợp với các kỹ sư kết cấu để đảm bảo cấp độ được chọn phù hợp với các mục tiêu về chi tiết, độ bền và an toàn.