HRB400E so với HRBF400E – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Việc lựa chọn đúng mác thép gia cường là một bài toán khó thường gặp đối với các kỹ sư kết cấu, xưởng chế tạo và quản lý dự án trong khâu mua sắm và thiết kế: các lựa chọn phải cân bằng giữa cường độ, độ dẻo, khả năng hàn, chi phí và khả năng chịu động đất theo quy chuẩn. HRB400E và HRBF400E là hai loại thép thanh vằn cán nóng thường gặp ở các khu vực sử dụng danh pháp theo chuẩn GB hoặc các nhà cung cấp tham chiếu đến các mác thép này. Cả hai đều là thép mác 400 danh nghĩa dùng cho bê tông cốt thép, nhưng chúng được phân biệt bởi các quy trình và quy trình kiểm soát luyện kim khác nhau ảnh hưởng đến độ dẻo, hiệu suất chu kỳ thấp và khả năng đáp ứng các yêu cầu về địa chấn.

Sự khác biệt thực tế chính giữa hai loại này nằm ở cách mỗi loại được chỉ định và sản xuất để đáp ứng các kỳ vọng về hiệu suất chịu động đất: một loại được sản xuất để đáp ứng cấp độ giới hạn chảy cơ bản 400 MPa với khả năng chịu động đất, trong khi loại còn lại kết hợp các biện pháp kiểm soát quy trình hoặc hợp kim bổ sung nhằm tăng cường độ dẻo và độ bền chịu động đất. Các kỹ sư so sánh hai loại này khi thiết kế yêu cầu hành vi chịu động đất được định lượng, khi có các hạn chế về hàn và chế tạo, hoặc khi đánh giá sự cân bằng chi phí vòng đời (vật liệu so với biện pháp bảo vệ).

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật chung chi phối thanh cốt thép và quy ước đặt tên:
• GB/T (tiêu chuẩn quốc gia của Cộng hòa Nhân dân Trung Hoa) — Dòng HRB được sử dụng rộng rãi.
• ASTM/ASME (Hoa Kỳ) — các loại thép thanh thông thường được xác định theo số cấp (ví dụ: ASTM A615), nhưng không có nhãn một-một trực tiếp.
• EN (Châu Âu) — Tiêu chuẩn tương đương BS EN 1992 và EN 10080/ISO dành cho danh pháp thép gia cường.
• JIS (Nhật Bản) — JIS G3112 và các tiêu chuẩn liên quan.
• Phân loại vật liệu:
• HRB400E — thép gia cường cacbon/hợp kim thấp cán nóng (thép cốt thép), thường được phân loại là thép cacbon thông thường với tạp chất được kiểm soát và yêu cầu về độ dẻo. Hậu tố "E" biểu thị khả năng chịu động đất hoặc độ dẻo được tăng cường trong một số tiêu chuẩn hoặc thông số kỹ thuật của nhà cung cấp.
• HRBF400E — thép gia cường gân cán nóng cùng mác 400 nhưng có thêm các đặc tính luyện kim/xử lý (vi hợp kim và/hoặc kiểm soát nhiệt cơ học) nhằm tăng cường khả năng chống động đất hoặc hiệu suất chịu mỏi/chu kỳ thấp. Về mặt chức năng, thép gia cường cacbon/hợp kim thấp (không phải thép không gỉ, không phải thép dụng cụ).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Sự hiện diện/vai trò điển hình của các yếu tố chính (định tính)

Yếu tố	HRB400E (vai trò điển hình)	HRBF400E (vai trò điển hình)
C (Cacbon)	Kiểm soát mức thấp-trung bình cho độ bền và khả năng hàn	Được kiểm soát, thường ở mức tối đa bằng/thấp hơn để cải thiện độ dẻo
Mn (Mangan)	Chất tạo cường độ chính và chất khử oxy	Vai trò tương tự; có thể được kiểm soát chặt chẽ hơn để quản lý khả năng làm cứng
Si (Silic)	Chất khử oxy, tăng cường nhỏ	Tương tự, thường có nội dung thấp
P (Phốt pho)	Giữ ở mức thấp để tránh bị giòn	Giữ ở mức thấp; có thể chỉ định giới hạn chặt chẽ hơn cho độ dẻo dai
S (Lưu huỳnh)	Giữ ở mức tối thiểu; ảnh hưởng đến khả năng gia công	Giữ ở mức tối thiểu; kiểm soát chặt chẽ cải thiện độ dẻo
Cr, Ni, Mo	Nói chung là dấu vết hoặc không có; không phải là chính	Có thể có mặt ở dạng vết tùy thuộc vào nhà cung cấp để làm cứng
V, Nb, Ti (hợp kim vi mô)	Thường là tối thiểu hoặc không có	Có thể được thêm vào hoặc kiểm soát để tinh chỉnh kích thước hạt và cải thiện độ dẻo dai/dẻo dai
B (Bo)	Không điển hình	Hiếm; chỉ có trong các công thức đặc biệt
N (Nitơ)	Được kiểm soát; ảnh hưởng đến sức mạnh và độ dẻo dai	Được kiểm soát; kiểm soát chặt chẽ hơn giúp cải thiện độ dẻo dai và khả năng chống mỏi

Ghi chú: - Cả hai loại thép này về cơ bản đều là thép gia cường cacbon/hợp kim thấp; không loại nào là hợp kim thép không gỉ. Sự khác biệt chính về thành phần nằm ở mức độ bổ sung hợp kim vi lượng (V, Nb, Ti), và giới hạn chặt chẽ hơn về các nguyên tố vi lượng và dư lượng cho biến thể "F" trong một số dòng sản phẩm của nhà sản xuất. Thành phần hóa học chính xác thay đổi tùy theo nhà sản xuất và tiêu chuẩn; luôn kiểm tra chứng chỉ nhà máy cho các dự án quan trọng. - Chiến lược hợp kim hóa để tăng hiệu suất chống động đất thường nhấn mạnh vào hàm lượng carbon thấp, kích thước hạt mịn (thông qua quá trình hợp kim hóa vi mô và xử lý nhiệt cơ học) và kiểm soát tạp chất nghiêm ngặt để tăng độ giãn dài đồng đều và khả năng hấp thụ năng lượng trong tải trọng tuần hoàn.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình sau khi cán và làm nguội tiêu chuẩn:
• HRB400E: cấu trúc vi mô ferit-pearlit với kích thước hạt được kiểm soát, tối ưu hóa sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo. Cán nóng tiêu chuẩn với hệ thống làm nguội được kiểm soát đạt được các mục tiêu cơ học cấp 400.
• HRBF400E: ferit-pearlit nền tương tự nhưng có kích thước hạt mịn hơn và phân bố kết tủa đồng đều hơn nếu sử dụng hợp kim vi mô. Cán nhiệt cơ học hoặc làm nguội nhanh có thể được sử dụng để tăng mật độ lệch và tinh chỉnh cấu trúc vi mô, cải thiện độ dai ở nhiệt độ thấp và độ dẻo chu kỳ thấp.
• Phản ứng xử lý nhiệt:
• Chuẩn hóa: có thể tinh chỉnh kích thước hạt và tăng độ dẻo dai ở cả hai cấp, nhưng quá trình sản xuất cốt thép thông thường sử dụng cán có kiểm soát thay vì xử lý nhiệt sau cán.
• Làm nguội và ram: không phổ biến đối với các loại thép cây có gân tiêu chuẩn; chỉ áp dụng khi cần các cấu hình cơ học đặc biệt.
• Cán nhiệt cơ học (TMR): đặc biệt hiệu quả đối với các biến thể HRBF400E khi cần cải thiện tính chất chống động đất, vì TMR tạo ra ferit mịn và các thành phần bainit được kiểm soát giúp tăng độ dẻo dai mà không ảnh hưởng đến giới hạn chảy.
• Kiểm soát sản xuất—lịch trình cán, tốc độ làm nguội và lượng kết tủa hợp kim vi mô—cũng quan trọng như thành phần hóa học danh nghĩa đối với hành vi chịu động đất và mỏi của các loại thép này.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Đặc tính cơ học tương đối (định tính; cả hai đều là cấp 400)

Tài sản	HRB400E	HRBF400E
Giới hạn chảy (danh nghĩa)	Được chỉ định cho lớp 400 MPa	Được chỉ định cho lớp 400 MPa
Độ bền kéo	Đáp ứng tỷ lệ kéo/giới hạn chảy tiêu chuẩn cho HRB400E	Phạm vi kéo được đảm bảo tương tự hoặc cao hơn một chút trong một số công thức
Độ giãn dài	Được thiết kế để có độ dẻo phù hợp với mã; độ giãn dài đồng đều/tổng ​​thể điển hình theo yêu cầu của tiêu chuẩn	Thường được chỉ định với khả năng kéo dài chặt chẽ hơn hoặc được cải thiện và khả năng biến dạng sau khi chảy dẻo để sử dụng chống động đất
Độ bền va đập	Đáp ứng các yêu cầu mã cơ bản ở nhiệt độ môi trường xung quanh	Thường được thử nghiệm và đảm bảo độ bền va đập/nhiệt độ thấp cao hơn trong các sản phẩm đạt tiêu chuẩn địa chấn
Độ cứng	Trung bình (tương thích với độ dẻo và khả năng hàn)	Tương tự, nhưng hợp kim vi mô/TMR có thể làm tăng độ cứng một chút trong khi vẫn giữ được độ dẻo dai

Giải thích: - Cả hai cấp độ về cơ bản đều có cùng cấp độ bền. Sự khác biệt thực tế nằm ở độ dẻo và độ bền: Các biến thể HRBF400E thường được thiết kế và kiểm định để thể hiện khả năng tiêu tán năng lượng vượt trội dưới tải trọng tuần hoàn/động đất (độ dẻo cao hơn, năng lượng hấp thụ cao hơn), trong khi HRB400E đáp ứng các yêu cầu địa chấn tiêu chuẩn nhưng ít chú trọng đến hiệu suất chu kỳ cực thấp. - Khi thông số kỹ thuật của dự án yêu cầu giá trị độ giãn dài, độ uốn hoặc độ va đập cụ thể, hãy xem xét báo cáo thử nghiệm của nhà máy và các bài kiểm tra khả năng chịu động đất thay vì chỉ xem tên cấp.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thanh cốt thép chủ yếu được quyết định bởi hàm lượng cacbon tương đương và hợp kim vi mô; hàm lượng C thấp hơn và hợp kim được kiểm soát sẽ cải thiện khả năng hàn và giảm xu hướng nứt nguội.

Các chỉ số thực nghiệm hữu ích: - Đương lượng cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (Viện Hàn Quốc tế sửa đổi): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải (định tính): - HRB400E: thường được pha chế với hàm lượng carbon vừa phải và hợp kim vi mô hạn chế để duy trì khả năng hàn tốt cho các quy trình hàn thanh-thanh và hàn chồng phổ biến. Hàm lượng carbon tương đương thường được giữ ở mức thấp đến trung bình để cho phép hàn thông thường mà không cần gia nhiệt trước trong nhiều trường hợp. - HRBF400E: nếu có hợp kim vi mô (V, Nb) hoặc hóa học chặt chẽ hơn, khả năng hàn có thể tương đương hoặc giảm nhẹ tùy thuộc vào hàm lượng hợp kim và đầu vào nhiệt. Tuy nhiên, các nhà sản xuất hướng đến chứng nhận chống động đất cũng kiểm soát các tương đương carbon để cân bằng khả năng hàn với hiệu suất cơ học. Đối với hàn trên các kết nối quan trọng, hãy tuân thủ các biện pháp kiểm soát nung nóng trước/xuyên lớp và thẩm định quy trình hàn bằng hóa học và độ dày thực tế của thanh.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả HRB400E và HRBF400E đều không phải là thép không gỉ; chúng cần được bảo vệ bề mặt khi cần khả năng chống ăn mòn.
• Các phương pháp bảo vệ phổ biến: mạ kẽm nhúng nóng, phủ epoxy, phủ cơ học hoặc thiết kế lớp phủ bê tông theo quy chuẩn. Việc chỉ định các biện pháp bảo vệ phụ thuộc vào cấp độ tiếp xúc, không phải tên cấp.
• PREN không áp dụng cho các thanh cốt thép cacbon/hợp kim thấp này, nhưng để minh họa, công thức PREN cho hợp kim không gỉ là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Khi mối quan tâm chính là ăn mòn (muối biển hoặc muối tan băng), hãy chỉ định loại cốt thép không gỉ (có lý do chính đáng theo PREN) hoặc lớp phủ bảo vệ và thiết kế bê tông; không nên sử dụng họ HRB/HRBF làm vật liệu thay thế chống ăn mòn.

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

• Cắt: Cả hai loại thép đều được cắt mài mòn hoặc cắt xén. Hợp kim vi mô trong HRBF400E không làm thay đổi đáng kể quy trình cắt.
• Uốn/tạo hình: Cả hai loại thép đều tuân thủ đường kính uốn tiêu chuẩn và quy trình uốn nguội theo quy chuẩn. HRBF400E có thể được chứng nhận cho các chi tiết uốn và neo cốt thép đòi hỏi khắt khe hơn nhờ khả năng uốn dẻo cao hơn.
• Khả năng gia công: Thanh cốt thép thường không được gia công; sự khác biệt là không đáng kể.
• Hoàn thiện bề mặt và xử lý: Cả hai đều cần được cẩn thận để tránh làm hỏng lớp phủ bảo vệ; quy trình xử lý và lưu trữ được điều chỉnh theo thông số kỹ thuật của dự án.

8. Ứng dụng điển hình

Bảng: Công dụng điển hình theo từng loại

HRB400E	HRBF400E
Bê tông cốt thép dân dụng và thương mại yêu cầu thiết kế chống động đất theo quy định nhưng không chỉ định thêm xác nhận chu kỳ thấp	Cơ sở hạ tầng địa chấn quan trọng (cầu, khu vực địa chấn cao, công trình hạt nhân) nơi cần độ dẻo dai được tăng cường và hiệu suất chu kỳ được xác nhận
Nền móng chung, dầm, cột, sàn	Các yếu tố yêu cầu khả năng hấp thụ năng lượng cao được đảm bảo và các đặc tính uốn cong/neo được kiểm soát chặt chẽ
Các dự án có chi phí và tính khả dụng ưu tiên sử dụng cốt thép tiêu chuẩn chịu động đất	Các dự án đòi hỏi hiệu suất chống động đất được chứng nhận bởi nhà máy, khả năng chống mỏi hoặc thử nghiệm chấp nhận nghiêm ngặt

Cơ sở lựa chọn: - Nếu yêu cầu chính là đáp ứng các quy định về chống động đất theo tiêu chuẩn xây dựng với chi phí thấp nhất và tính khả dụng cao thì HRB400E thường phù hợp. - Nếu dự án yêu cầu độ dẻo dai chịu địa chấn được ghi chép lại, tăng cường, hành vi chu kỳ thấp khó khăn hơn hoặc các bài kiểm tra chấp nhận cụ thể về hiệu suất chu kỳ, thì HRBF400E (hoặc một biến thể đủ điều kiện chịu địa chấn cụ thể) là lựa chọn thận trọng.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Các biến thể HRBF400E bao gồm hợp kim vi mô, xử lý bổ sung (TMR) và thử nghiệm mở rộng thường đắt hơn trên mỗi tấn so với HRB400E cơ bản do quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn và nỗ lực đánh giá chất lượng.
• Tính khả dụng: HRB400E được sản xuất và dự trữ rộng rãi; tính khả dụng của HRBF400E phụ thuộc vào nhu cầu khu vực và số lượng nhà máy sản xuất thép thanh đạt tiêu chuẩn chịu động đất. Thời gian giao hàng cho HRBF400E có thể lâu hơn đối với khối lượng lớn hoặc đường kính không chuẩn.
• Thực hành mua sắm tốt nhất: Yêu cầu giấy chứng nhận thử nghiệm tại nhà máy, tài liệu về lộ trình sản xuất (ví dụ: TMR hoặc xử lý nhiệt bổ sung) và báo cáo thử nghiệm đủ điều kiện chịu động đất khi định giá HRBF400E để so sánh.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: So sánh nhanh

Tiêu chí	HRB400E	HRBF400E
Khả năng hàn	Tốt (kiểm soát tiêu chuẩn)	Tốt đến hạn chế hơn một chút tùy thuộc vào hợp kim vi mô; CE được kiểm soát
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Đáp ứng kỳ vọng 400 điểm	Được tối ưu hóa để có độ dẻo dai/độ bền cao hơn dưới tải trọng động đất
Trị giá	Thấp hơn / có sẵn rộng rãi	Cao hơn / có thể có thời gian dẫn dài hơn

Sự giới thiệu: - Chọn HRB400E nếu: dự án của bạn yêu cầu cốt thép tiêu chuẩn cấp 400 tuân thủ theo các quy định chung về địa chấn, bạn ưu tiên chi phí và tính khả dụng rộng rãi, và thiết kế không yêu cầu tiêu tán năng lượng chu kỳ thấp được chứng nhận và tăng cường vượt quá mức tối thiểu của quy định. - Chọn HRBF400E nếu: công trình của bạn nằm trong vùng có nguy cơ động đất cao hoặc cơ sở hạ tầng quan trọng, nơi yêu cầu độ dẻo dai được tăng cường, hiệu suất tuần hoàn được xác thực hoặc các thử nghiệm độ bền nghiêm ngặt hơn; khi thông số kỹ thuật của dự án yêu cầu thanh cốt thép được hợp kim hóa vi mô hoặc xử lý nhiệt cơ học với chứng chỉ của nhà máy chứng minh khả năng chịu động đất theo yêu cầu.

Lưu ý cuối cùng: Tên mác thép có thể khác nhau về ý nghĩa giữa các tiêu chuẩn và nhà cung cấp. Đối với bất kỳ ứng dụng kết cấu quan trọng nào - đặc biệt là các dự án chịu động đất hoặc chịu mỏi - hãy chỉ định các thử nghiệm cơ học cần thiết, hiệu suất uốn/duỗi, tiêu chuẩn chấp nhận tải trọng tuần hoàn và yêu cầu chứng chỉ nhà máy thể hiện thành phần hóa học và lộ trình xử lý thực tế. Sự kết hợp giữa thành phần hóa học được ghi chép, kiểm soát quy trình và thử nghiệm là yếu tố đảm bảo vật liệu sẽ hoạt động đúng yêu cầu trong quá trình sử dụng.