HRB400 so với HRBF400 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

HRB400 và HRBF400 là hai loại thép thanh gân cán nóng (thép cây) được sử dụng rộng rãi, thường được chỉ định cho cốt thép bê tông kết cấu. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc giữa chi phí, khả năng hàn và hiệu suất cơ học khi vận hành khi lựa chọn giữa các loại thép này: ví dụ, nên ưu tiên hàn và chế tạo đơn giản hay ưu tiên độ bền và cân bằng độ dẻo dai tốt hơn cho các ứng dụng chịu động đất hoặc nhu cầu cao.

Sự khác biệt chính giữa HRB400 và HRBF400 nằm ở phương pháp luyện kim để đạt được cấp độ chảy 400 MPa: HRB400 thường là thép thanh cacbon hợp kim thấp thông thường được tối ưu hóa bằng phương pháp hóa học và cán, trong khi HRBF400 kết hợp chiến lược xử lý vi hợp kim và nhiệt cơ để tinh chỉnh cấu trúc vi mô và cải thiện sự cân bằng giữa độ bền và độ dai. Vì cả hai đều được sử dụng cho cùng một cấp độ bền danh nghĩa, chúng thường được so sánh để xác định loại nào mang lại khả năng hàn, độ dẻo, khả năng chống mỏi, đặc tính chế tạo và chi phí vòng đời tốt hơn trong một dự án nhất định.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn chung nơi các tên gọi này xuất hiện hoặc được tham chiếu:
• GB (Trung Quốc): GB/T 1499.x — Cấp độ HRB phổ biến trong các tiêu chuẩn của Trung Quốc.
• EN (Châu Âu): Các loại thép cây được chỉ định khác nhau (ví dụ: B500B) nhưng hiệu suất so sánh thì tương tự nhau.
• ASTM/ASME (Hoa Kỳ): Thép thanh được quy định trong ASTM A615/A706; tên mác thép trực tiếp không trùng với HRB/HRBF nhưng chức năng có thể được lập bản đồ.
• JIS (Nhật Bản): Sử dụng các thuật ngữ khác nhau (SD295A/B/C, SD390, v.v.).
• Phân loại:
• HRB400: Thanh cốt thép kết cấu gốc cacbon (thép cacbon hợp kim thấp).
• HRBF400: Thép thanh cacbon thấp dựa trên công nghệ hợp kim vi mô và cán có kiểm soát (phương pháp theo kiểu HSLA trong nhóm thép thanh).
• Cả HRB400 và HRBF400 đều không phải là thép không gỉ hoặc thép dụng cụ; cả hai đều thuộc nhóm thép cacbon kết cấu/thép hợp kim siêu nhỏ được sử dụng để gia cố.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là bảng định tính tóm tắt sự hiện diện điển hình của các thành phần chung thay vì tỷ lệ phần trăm cụ thể được đảm bảo (thành phần có thể thay đổi tùy theo nhà sản xuất và tiêu chuẩn):

Yếu tố	HRB400 (điển hình)	HRBF400 (điển hình)
C (Cacbon)	Thấp đến trung bình (giữ ở mức thấp để có khả năng hàn và độ dẻo)	Thấp (thường tương tự hoặc thấp hơn một chút so với HRB400 để tăng độ dẻo dai)
Mn (Mangan)	Yếu tố tăng cường chính (trung bình)	Trung bình; được sử dụng với hợp kim vi mô để đạt được độ bền
Si (Silic)	Có tác dụng khử oxy (nhỏ đến trung bình)	Hiện tại (vai trò tương tự)
P (Phốt pho)	Kiểm soát ở mức thấp (tạp chất)	Kiểm soát ở mức thấp
S (Lưu huỳnh)	Kiểm soát ở mức thấp	Kiểm soát ở mức thấp
Cr (Crom)	Nói chung là tối thiểu hoặc không có	Nói chung là tối thiểu; không dựa vào để tăng cường cơ bản
Ni (Niken)	Thông thường không có hoặc dấu vết	Theo dõi nếu có; không phải chính
Mo (Molypden)	Thông thường vắng mặt	Không có dấu vết
V (Vanadi)	Thường không có hoặc dấu vết	Thường được cố ý thêm vào với lượng hợp kim siêu nhỏ (từ vết đến thấp)
Nb (Niobi)	Thường không có hoặc dấu vết	Thường được thêm vào với lượng hợp kim vi mô (từ vết đến thấp)
Ti (Titan)	Có thể có mặt dưới dạng chất khử oxy (dấu vết)	Có thể có mặt để ổn định cacbon/nitơ và hỗ trợ tinh chế hạt
B (Bo)	Thông thường vắng mặt	Đôi khi được sử dụng ở mức ppm để tăng cường khả năng làm cứng
N (Nitơ)	Được kiểm soát; có thể có mặt	Được kiểm soát; tương tác với Ti/Nb để tạo thành cacbonitride

Giải thích: - HRB400 chủ yếu dựa vào carbon và mangan để tạo độ bền; thành phần hóa học được giữ ở mức bảo toàn để duy trì khả năng hàn. - HRBF400 sử dụng hệ thống hợp kim vi mô (bổ sung một lượng nhỏ V, Nb, Ti hoặc B) và cán nhiệt cơ học có kiểm soát để đạt được độ bền kéo và độ bền kéo cao hơn, kích thước hạt mịn hơn và độ dẻo dai được cải thiện mà không làm tăng đáng kể hàm lượng cacbon. Các nguyên tố hợp kim vi mô này tạo thành cacbonitride làm chậm sự phát triển của hạt và thúc đẩy quá trình gia cường kết tủa.

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

Cấu trúc vi mô dưới quá trình xử lý tiêu chuẩn: - HRB400: Cấu trúc vi mô điển hình là ferit-pearlit hoặc nền ferit với các đảo perlit khi được sản xuất bằng phương pháp cán và làm nguội thông thường. Tính chất cơ học là sự cân bằng giữa độ dẻo ferit và độ bền perlit. - HRBF400: Sản xuất bằng phương pháp xử lý nhiệt cơ học và hợp kim hóa vi mô thường tạo ra cấu trúc ferritic mịn hơn với các kết tủa hợp kim vi mô phân tán và các đặc tính bainit tiềm ẩn tùy thuộc vào tốc độ làm nguội. Tinh luyện hạt và làm cứng kết tủa góp phần cải thiện sự cân bằng giữa độ bền và độ dai.

Xử lý nhiệt và phản ứng xử lý: - Việc chuẩn hóa hoặc cán có kiểm soát tiếp theo là làm nguội có kiểm soát đều có hiệu quả đối với cả hai loại; HRBF400 được hưởng lợi nhiều hơn từ việc kiểm soát nhiệt cơ học vì hợp kim vi mô kết tủa các cấu trúc hạt và trật tự tinh chỉnh trong quá trình biến dạng và làm nguội có kiểm soát. - Tôi và ram thường không được sử dụng cho cốt thép thương mại; khi áp dụng, nó sẽ làm tăng cường độ ở cả hai nhưng không phổ biến và tốn kém cho các ứng dụng gia cố. - Quy trình xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP) trong HRBF400 làm giảm nhu cầu sử dụng hàm lượng carbon cao hơn để đạt được cấp độ 400 MPa — điều này giúp duy trì khả năng hàn và độ bền.

4. Tính chất cơ học

Bảng so sánh các thuộc tính hiệu suất điển hình (sử dụng các mô tả tương đối vì giá trị chính xác phụ thuộc vào tiêu chuẩn, đường kính và nhà sản xuất):

Tài sản	HRB400	HRBF400
Cường độ chịu kéo	Cấp danh nghĩa 400 MPa (đạt tiêu chuẩn năng suất)	Về mặt danh nghĩa là loại 400 MPa; thường đạt được với hàm lượng carbon thấp hơn hoặc cấu trúc vi mô mịn hơn
Độ bền kéo	Đáp ứng phạm vi kéo yêu cầu cho cấp độ	Độ bền kéo tương đương hoặc cao hơn một chút đối với cùng một loại sản phẩm có cùng mức độ bền kéo do hợp kim hóa vi mô
Độ giãn dài	Độ dẻo tốt; đáp ứng các yêu cầu về độ giãn dài của cốt thép	Độ giãn dài tương đương hoặc được cải thiện ở độ bền tương tự do hạt mịn
Độ bền va đập	Có thể chấp nhận được; có thể thấp hơn ở đường kính lớn hơn hoặc khả năng kiểm soát làm mát kém	Độ dẻo dai được cải thiện đáng kể và độ phân tán giảm, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp hơn
Độ cứng	Trung bình; phù hợp với cấu trúc ferit-perit	Tương tự hoặc cao hơn một chút do lượng mưa tăng cường

Giải thích: - Cả hai loại thép đều được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu tối thiểu về tính chất cơ học đối với thép cây cấp 400. Hợp kim vi mô và TMCP của HRBF400 có xu hướng mang lại sự kết hợp độ bền và độ dai tốt hơn, cho phép đạt được độ bền kéo và độ dai tương đương hoặc được cải thiện mà không làm tăng hàm lượng cacbon. Trên thực tế, HRBF400 thường ít biến động hơn và hiệu suất nhiệt độ thấp tốt hơn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn được kiểm soát bởi thành phần hóa học, kích thước tiết diện và tốc độ làm nguội. Hai công thức khái niệm thường được sử dụng để đánh giá khả năng hàn/khả năng tôi là:

• Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• Đương lượng cacbon (Pcm): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp hơn thường chỉ ra xu hướng hình thành martensite cứng ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt thấp hơn và khả năng hàn tốt hơn. - HRB400: Khả năng hàn nhìn chung tốt do hàm lượng carbon thấp được kiểm soát và không có hiện tượng hợp kim hóa vi mô đáng kể; tuy nhiên, hàm lượng Mn cao hơn hoặc thanh dày hơn sẽ làm tăng nguy cơ nứt nguội. - HRBF400: Mặc dù có hàm lượng carbon tương tự hoặc thấp hơn, sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti, B) có thể làm tăng khả năng tôi luyện một chút ở các khu vực cục bộ; trên thực tế, do hàm lượng carbon được giữ ở mức thấp và TMCP làm mịn hạt nên khả năng hàn vẫn được chấp nhận nhưng cần xác nhận các quy trình hàn (làm nóng trước, đầu vào nhiệt) đối với các thanh dày hơn hoặc các kết nối quan trọng. - Nhìn chung, cả hai loại thép đều có thể hàn được bằng các phương pháp tiêu chuẩn; HRBF400 có thể cần chú ý nhiều hơn một chút đến các thông số hàn trên các phần rất dày hoặc khi cần tỏa nhiệt nhiều.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả HRB400 và HRBF400 đều là thép gia cường gốc cacbon và bản thân chúng không có khả năng chống ăn mòn. Các khuyến nghị về bảo vệ bề mặt đều giống nhau:
• Vệ sinh cơ học và phủ (epoxy, polymer) cho các điều kiện tiếp xúc bê tông vượt quá bình thường.
• Mạ kẽm nhúng nóng có thể được áp dụng cho thanh cốt thép khi các tiêu chuẩn địa phương cho phép (lưu ý: mạ kẽm ảnh hưởng đến hình dạng gân và độ bám dính của chất kết dính trong bê tông—kiểm tra các tiêu chuẩn).
• Bảo vệ catốt và thông số kỹ thuật về lớp phủ bê tông là những biện pháp kiểm soát chính để chống ăn mòn trong quá trình sử dụng.
• Công thức PREN (số tương đương khả năng chống rỗ): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Không áp dụng cho HRB400/HRBF400 vì đây không phải là thép không gỉ; PREN chỉ áp dụng cho các loại thép không gỉ.
• Việc lựa chọn vật liệu cho môi trường ăn mòn nên tập trung vào thiết kế bê tông, lớp phủ, phụ gia ức chế hoặc chỉ định cốt thép chống ăn mòn (ví dụ: thép không gỉ hoặc phủ epoxy) thay vì dựa vào hợp kim trong HRB/HRBF.

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

• Cắt: Cả hai loại thép đều được cắt bằng các dụng cụ cắt cốt thép thông thường, cắt oxyfuel/laser/plasma cho các tiết diện lớn, hoặc cắt cơ học. Hợp kim vi mô không ảnh hưởng đáng kể đến khả năng cắt ở các kích thước thanh thép thông thường.
• Uốn/Tạo hình: Cả hai đều đáp ứng các yêu cầu uốn nguội tiêu chuẩn đối với cốt thép; cấu trúc vi mô mịn hơn của HRBF400 có thể mang lại độ dẻo dai được cải thiện đáng kể và ít có nguy cơ nứt cục bộ trong quá trình uốn, đặc biệt là ở hàm lượng carbon thấp hơn.
• Khả năng gia công: Thép thanh thường không được gia công rộng rãi. Thép vi hợp kim có thể cứng hơn một chút khi sử dụng dụng cụ cắt nếu độ bền hoặc độ cứng được tăng lên, nhưng sự khác biệt này không đáng kể đối với việc chế tạo thép thanh thực tế.
• Hoàn thiện bề mặt: Kiểu biến dạng (gân) chứ không phải tính chất hóa học quyết định phần lớn đến độ liên kết với bê tông; cả hai loại đều có đặc tính liên kết tương tự khi hình dạng gân đáp ứng tiêu chuẩn.

8. Ứng dụng điển hình

HRB400 – Công dụng điển hình	HRBF400 – Công dụng điển hình
Gia cố bê tông nói chung trong các tòa nhà, cầu và cơ sở hạ tầng nơi hiệu suất tiêu chuẩn và hiệu quả chi phí là ưu tiên hàng đầu	Gia cố cho các thành phần cấu trúc quan trọng cần độ dẻo dai, khả năng chống mỏi được cải thiện hoặc khi cần cân bằng độ bền-độ dẻo vượt trội (ví dụ: vùng địa chấn, mặt cầu, các thành phần ứng suất trước)
Các thành phần bê tông cốt thép không quan trọng trong trường hợp các tuyến sản xuất thông thường được chấp nhận	Các dự án có lợi khi kiểm soát chặt chẽ hơn tính chất cơ học, giảm thiểu sự phân tán và hiệu suất nhiệt độ thấp tốt hơn
Tăng cường khối lượng với tính khả dụng rộng rãi và nhạy cảm về chi phí	Các ứng dụng mà chi phí vật liệu ban đầu cao hơn có thể được biện minh bằng hiệu suất hoặc giảm rủi ro kiểm tra/sửa chữa

Cơ sở lựa chọn: - Chọn HRB400 để gia cố thường xuyên khi hiệu suất đã được chứng minh, chi phí thấp hơn và khả năng cung cấp rộng rãi là những yếu tố chính. - Chọn HRBF400 khi ứng dụng đòi hỏi độ bền cao hơn, khả năng chịu mỏi hoặc chịu động đất tốt hơn, hoặc khi nhà sản xuất có thể cung cấp khả năng kiểm soát tài sản chặt chẽ hơn giúp giảm rủi ro xây dựng.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: HRBF400 thường có mức giá cao hơn HRB400 một chút do các thành phần hợp kim vi mô, quy trình cán được kiểm soát và quy trình kiểm soát làm tăng độ phức tạp của sản xuất. Mức giá cao hơn này thay đổi tùy theo nhà sản xuất và điều kiện thị trường.
• Tính khả dụng: HRB400 thường được cung cấp rộng rãi hơn trên toàn cầu do quy trình sản xuất thông thường. Tính khả dụng của HRBF400 phụ thuộc vào năng lực của nhà máy tại địa phương đối với TMCP và hợp kim vi mô; ở nhiều khu vực, điều này khá phổ biến, nhưng người mua nên xác nhận thời gian giao hàng và chứng nhận sản phẩm cho các dự án lớn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	HRB400	HRBF400
Khả năng hàn	Tốt; các thủ tục thông thường là đủ	Tốt; chấp nhận được nhưng cần xác nhận quy trình cho các mối hàn quan trọng
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Đáp ứng các yêu cầu tiêu chuẩn; phụ thuộc nhiều hơn vào thành phần hóa học/đường kính	Cải thiện sự cân bằng thông qua quá trình tinh chế hạt và kết tủa
Trị giá	Chi phí thấp hơn, có sẵn rộng rãi	Phí bảo hiểm vừa phải, hiệu suất vòng đời có thể tốt hơn

Sự giới thiệu: - Chọn HRB400 nếu: dự án của bạn là bê tông cốt thép thông thường, trong đó chi phí và tính khả dụng là mối quan tâm chính, hàn và chế tạo sử dụng các quy trình tiêu chuẩn và không yêu cầu hiệu suất chịu nhiệt độ thấp hoặc địa chấn đặc biệt. - Chọn HRBF400 nếu: bạn cần sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai tốt hơn, giảm sự phân tán tính chất, cải thiện hiệu suất chịu mỏi hoặc địa chấn, hoặc muốn đạt được các tính chất cơ học cần thiết với hàm lượng carbon thấp hơn (hữu ích cho khả năng hàn và chống gãy) và sẵn sàng chấp nhận mức phí bảo hiểm vừa phải.

Lưu ý kết luận: Cả HRB400 và HRBF400 đều là lựa chọn hợp lệ cho cốt thép chịu lực 400 MPa. Quyết định nên được đưa ra dựa trên các yêu cầu về hiệu suất của dự án (chịu động đất, chịu mỏi, độ bền ở nhiệt độ thấp), các hạn chế về chế tạo và hàn, cũng như các cân nhắc về chi phí vòng đời. Khi chỉ định, hãy yêu cầu chứng chỉ kiểm tra tại nhà máy và, nếu quan trọng, hãy xác nhận chất lượng quy trình hàn và phân bố tính chất cơ học của đường kính thanh được cung cấp.