HRB500 so với HRBF600 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư và nhóm mua sắm đánh giá thép gia cường thường cân nhắc giữa chi phí, khả năng hàn, độ bền và cường độ thiết kế yêu cầu. Việc lựa chọn giữa thép gân cán nóng thông thường và thép gân cường độ cao hơn, đã qua xử lý nhiệt hoặc hợp kim vi mô ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu lực kết cấu, phương pháp chế tạo và chi phí vòng đời.

HRB500 và HRBF600 là hai loại thép thường được so sánh. HRB500 là thép thanh gân cán nóng có giới hạn chảy danh nghĩa 500 MPa, được sử dụng rộng rãi trong bê tông cốt thép. HRBF600 là thép thanh gân cường độ cao hơn (giới hạn chảy danh nghĩa 600 MPa) được sản xuất bằng phương pháp luyện kim và/hoặc xử lý nhiệt mạnh hơn để đạt được các đặc tính chịu kéo và chịu lực cao hơn. Điểm khác biệt chính là HRBF600 thuộc hệ thống thép có độ bền cao hơn đạt được bằng phương pháp hợp kim hóa và/hoặc xử lý nhiệt, điều này làm thay đổi độ cứng, độ dai và các hạn chế về chế tạo so với HRB500. Những khác biệt này khiến hai loại thép này trở thành lựa chọn thay thế thường xuyên trong các thiết kế khi cần giảm đường kính cốt thép, cải thiện khả năng chịu động đất hoặc giảm trọng lượng kết cấu.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• GB (Trung Quốc): HRB500 được quy định rõ ràng trong loạt GB/T 1499.x (thép gân cán nóng). HRBF600 hoặc các ký hiệu mác 600 tương tự có thể xuất hiện trong thông số kỹ thuật quốc gia hoặc nhà cung cấp đối với thép thanh cường độ cao, đôi khi được phân loại thành loạt xử lý nhiệt (F) hoặc xử lý nhiệt cơ học riêng biệt.
• EN (Châu Âu): Các lớp tương đương được thể hiện theo lớp giới hạn chảy, ví dụ, B500B/B500C; thanh cốt thép loại 600 tồn tại trong các tiêu chuẩn sản phẩm hoặc phụ lục quốc gia dưới dạng cốt thép cường độ cao.
• ASTM/ASME (Hoa Kỳ): ASTM A615/A706 bao gồm thép cây biến dạng và hợp kim thấp; các yêu cầu về biến thể cường độ cao được xử lý theo giới hạn thông số kỹ thuật và các yêu cầu bổ sung thay vì nhãn HRB/HRBF.
• JIS (Nhật Bản): JIS G3112 đề cập đến các thanh thép biến dạng; các biến thể có độ bền cao sử dụng các tên lớp khác nhau.
• Phân loại: HRB500 thường là thép thanh cacbon-mangan (cán nóng thông thường). HRBF600 được phân loại tốt nhất là thép thanh cường độ cao—thường là thép thanh hợp kim HSLA hoặc thép thanh hợp kim được xử lý nhiệt cơ—thay vì thép không gỉ, thép dụng cụ hoặc thép dụng cụ cacbon nguyên chất.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: sự hiện diện chung của các nguyên tố và vai trò luyện kim của từng loại (định tính).

Yếu tố	HRB500 (chiến lược điển hình)	HRBF600 (chiến lược điển hình)
C	Kiểm soát hàm lượng carbon thấp-trung bình để đạt được khả năng hàn và độ dẻo	Carbon thường được kiểm soát hoặc giảm để hạn chế độ cứng; độ bền tăng lên nhờ quá trình xử lý và hợp kim vi mô
Mn	Yếu tố chính góp phần tạo nên độ bền và độ cứng	Mn được nâng cao hoặc kiểm soát để hỗ trợ độ bền và khả năng làm cứng
Si	Khử oxy hóa và đóng góp sức mạnh; vừa phải	Tương tự hoặc điều chỉnh một chút để kiểm soát quy trình
P	Giữ ở mức thấp để tăng độ bền và khả năng hàn	Giữ ở mức thấp; cần kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng
S	Giữ ở mức thấp; kiểm soát sunfua để tăng độ dẻo	Giữ ở mức thấp; cùng một lý do
Cr	Nói chung là thấp hoặc không có; không phải là nguyên nhân chính trong HRB500	Có thể có mặt với số lượng nhỏ trong một số công thức để hỗ trợ khả năng làm cứng
Ni	Không điển hình	Hiếm; có thể được sử dụng trong các biến thể có độ bền cao chuyên dụng
Mo	Không điển hình	Có thể được sử dụng trong các phần bổ sung nhỏ để tăng khả năng làm cứng trong một số thanh cốt thép có độ bền cao
V	Thường không có hoặc dấu vết	Thường được sử dụng như hợp kim vi mô để tăng cường độ thông qua quá trình gia cố kết tủa
Nb (Nb/Ta)	Không phổ biến	Được sử dụng trong HRBF600 hợp kim siêu nhỏ để tinh chỉnh hạt và cải thiện độ bền/độ dẻo dai
Ti	Khử oxy theo vết; hợp kim vi mô thỉnh thoảng	Có thể sử dụng để tinh chế hạt và kiểm soát lượng mưa
B	Không phổ biến	Dấu vết B có thể được sử dụng để làm cứng trong các hóa chất được kiểm soát
N	Mức thấp được kiểm soát; có thể được chỉ định	Được kiểm soát; nitrua có thể tương tác với các nguyên tố hợp kim vi mô

Giải thích - HRB500 thường được sản xuất với thành phần hóa học carbon-mangan cân bằng giữa độ bền, độ dẻo và khả năng hàn. Hợp kim ngoài Mn và Si bị giới hạn ở các cấp độ tiêu chuẩn. - HRBF600 đạt năng suất cao hơn nhờ chiến lược luyện kim và chế biến tập trung vào khả năng tôi cứng và cơ chế kết tủa/tinh luyện hạt (các nguyên tố hợp kim vi mô như V, Nb, Ti) và/hoặc xử lý nhiệt có kiểm soát (tôi & ram hoặc xử lý nhiệt cơ học có kiểm soát). Điều này cho phép đạt được độ bền cao hơn với hàm lượng carbon tương tự hoặc thấp hơn, giúp duy trì độ dẻo dai và khả năng hàn so với việc chỉ đơn giản là tăng hàm lượng carbon.

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

• Cấu trúc vi mô HRB500: Ferit-pearlit cán nóng, đặc trưng của thép thanh cán nóng. Cấu trúc vi mô mang lại sự cân bằng giữa độ dẻo và độ bền mà không cần sử dụng quá nhiều martensite hoặc bainit, trừ khi được xử lý nhiệt đặc biệt.
• Cấu trúc vi mô HRBF600: Đạt được bằng ferrite hạt tinh chế với các kết tủa phân tán mịn (NbC, VC, TiN) hoặc bằng cách tạo ra các cấu trúc bainit/martensit khi sử dụng phương pháp tôi và ram. Cán nhiệt cơ học (TMCP) có thể tạo ra hỗn hợp ferrite và bainit đa giác mịn, giúp tăng năng suất mà vẫn giữ được độ dẻo dai.

Phản ứng xử lý nhiệt - Chuẩn hóa: Tăng cường độ ở mức độ vừa phải và có thể cải thiện tính đồng nhất. HRB500 cho phản ứng hạn chế; các hợp chất HRBF600 với hợp kim vi mô có thể phản ứng với quá trình chuẩn hóa với độ dẻo dai được cải thiện. - Làm nguội và ram: Tạo ra độ bền cao hơn trong các công thức HRBF600, cho phép ram ma trận martensitic/bainitic đạt được độ dẻo dai mong muốn—quy trình này không điển hình đối với HRB500 tiêu chuẩn. - Xử lý nhiệt cơ học (làm mát có kiểm soát): Con đường thương mại phổ biến cho HRBF600 và thanh cốt thép hiệu suất cao để đạt được năng suất cao với độ dẻo chấp nhận được, trong khi HRB500 thường được sản xuất bằng phương pháp cán thông thường.

4. Tính chất cơ học

Bảng so sánh các đặc tính định tính và danh nghĩa.

Tài sản	HRB500	HRBF600
Cường độ chịu kéo (danh nghĩa)	Lớp 500 MPa	Lớp 600 MPa
Độ bền kéo	Điển hình cho lớp 500; tỷ lệ kéo/năng suất phụ thuộc vào thông số kỹ thuật	Mục tiêu có độ bền kéo cao hơn; phụ thuộc vào quy trình
Độ giãn dài	Được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu về độ dẻo của thép cây	Có thể thấp hơn HRB500 nhưng được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu về độ dẻo và khả năng chống động đất
Độ bền va đập	Phù hợp cho mục đích sử dụng thông thường; phụ thuộc vào quy trình	Yêu cầu kiểm soát chặt chẽ hơn; hợp kim vi mô/tôi luyện mục tiêu cải thiện độ dẻo dai
Độ cứng	Vừa phải	Cao hơn (phản ánh sức mạnh cao hơn và các cấu trúc vi mô có thể cứng hơn)

Diễn giải - HRBF600 là vật liệu bền hơn theo thiết kế (hiệu suất danh nghĩa cao hơn). Độ bền tăng lên nhờ kiểm soát cấu trúc vi mô thay vì chỉ đơn giản là tăng hàm lượng carbon. - Độ dẻo dai có thể được duy trì trong HRBF600 nếu hợp kim hóa vi mô và xử lý nhiệt được tối ưu hóa; thanh cốt thép cường độ cao được thiết kế kém có thể giòn hơn. - Độ dẻo và độ giãn dài phải được kiểm tra theo yêu cầu của dự án; thiết kế chống động đất thường yêu cầu cả độ bền cao và độ giãn dài đủ, do đó điều kiện giao hàng và chứng chỉ thử nghiệm của nhà sản xuất là rất quan trọng.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào lượng cacbon tương đương và độ tôi. Hai chỉ số thường được sử dụng:

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

• Pcm (để đánh giá khả năng hàn): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính - HRB500: Thường có khả năng hàn tốt đến trung bình vì hàm lượng carbon được kiểm soát; CE và Pcm thường thấp hơn so với thép hợp kim cao. - HRBF600: Độ cứng cao hơn do hợp kim hóa vi mô và quy trình hàn có thể làm tăng nguy cơ nứt nguội ở vùng ảnh hưởng nhiệt của mối hàn (HAZ). Ngay cả với hàm lượng carbon thấp, Mn, Nb, V hoặc B cao cũng có thể làm tăng $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ và cần phải nung nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn hoặc xử lý nhiệt sau hàn tùy thuộc vào độ dày và quy trình hàn. - Khuyến nghị: Luôn tính toán lượng cacbon tương đương cho thành phần hóa học thực tế của sản phẩm, tuân thủ khuyến nghị về mối hàn của nhà sản xuất và thực hiện hàn kiểm tra khi cần thiết.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả HRB500 và HRBF600 đều không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn tương đương với thép cacbon/hợp kim vi mô.
• Các lựa chọn bảo vệ điển hình: mạ kẽm nhúng nóng, lớp phủ kẽm, lớp phủ epoxy, lớp phủ bê tông theo thiết kế, bảo vệ catốt cho môi trường khắc nghiệt.
• Chỉ số thép không gỉ như PREN không được áp dụng trừ khi loại thép đó được hợp kim hóa đến mức thép không gỉ. Đối với các phép tính về thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Nhưng đối với các loại thanh cốt thép HRB/HRBF, PREN thường không liên quan vì hàm lượng Cr/Mo/N không đủ để chống ăn mòn thép không gỉ.
• Lưu ý: Lớp phủ cường độ cao và thiết kế lớp phủ bê tông là các biện pháp giảm thiểu tiêu chuẩn cho cả hai loại; các hợp kim hóa học vi mô không cải thiện khả năng chống ăn mòn trong khí quyển.

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

• Cắt: Cả hai loại đều được cắt bằng phương pháp mài mòn hoặc cơ học. HRBF600 có thể cần nhiều công suất hơn hoặc vật tư tiêu hao cứng hơn do độ cứng cao hơn.
• Uốn/tạo hình: HRB500 dễ uốn nguội và nối chồng thông thường theo tiêu chuẩn. HRBF600, với năng suất cao hơn, có thể làm giảm độ dẻo khi uốn; hãy tuân thủ bán kính uốn của nhà cung cấp và quy trình tiền thẩm định về hiệu suất móc.
• Khả năng gia công: Không loại nào được thiết kế để gia công rộng rãi; HRBF600 có thể khó gia công hơn do có độ bền cao hơn và có thể tạo ra kết tủa hợp kim nhỏ.
• Hoàn thiện: Xử lý bề mặt (lớp phủ) có thể ảnh hưởng đến quá trình hàn và liên kết; đảm bảo khả năng tương thích với các bước chế tạo.

8. Ứng dụng điển hình

Công dụng của HRB500	Công dụng của HRBF600
Bê tông cốt thép thông thường: dầm, sàn, cột trong các tòa nhà và cơ sở hạ tầng tiêu chuẩn	Gia cố có nhu cầu cao khi cần đường kính thanh giảm hoặc khả năng chịu lực cao hơn: cầu nhịp dài, móng công nghiệp nặng, các mặt cắt có hạn chế về không gian
Chi tiết địa chấn khi cần độ dẻo và khả năng làm việc lạnh đã được chứng minh	Các kết cấu đòi hỏi năng suất tăng với độ dẻo dai được kiểm soát: vùng địa chấn có vật liệu có độ bền cao được chỉ định (tùy thuộc vào trình độ chuyên môn)
Bê tông khối với lớp phủ thông thường và khả năng chống ăn mòn tiêu chuẩn	Các ứng dụng cải tạo hoặc gia cố trong đó cường độ cao hơn giúp giảm tắc nghẽn và trọng lượng

Cơ sở lựa chọn - Chọn HRB500 cho công việc bê tông cốt thép thông thường, nơi độ dẻo đã được chứng minh, khả năng cung cấp rộng rãi và chi phí thấp là ưu tiên hàng đầu. - Chọn HRBF600 khi thiết kế yêu cầu độ bền danh nghĩa cao hơn để giảm kích thước thành phần hoặc cung cấp khả năng chịu tải lớn hơn, với điều kiện các yêu cầu về khả năng hàn và độ dẻo được đáp ứng bằng các thử nghiệm sản phẩm.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: HRBF600 thường có giá thành cao hơn HRB500 trên mỗi tấn do phải kiểm soát hợp kim, xử lý (TMCP, làm nguội và ram) và đảm bảo chất lượng nghiêm ngặt hơn.
• Tính khả dụng: HRB500 được sản xuất rộng rãi và có sẵn ở nhiều dạng sản phẩm (thanh, cuộn). Tính khả dụng của HRBF600 phụ thuộc vào các nhà sản xuất trong khu vực và có thể được cung cấp với kích thước và điều kiện hạn chế; thời gian giao hàng có thể dài hơn và số lượng đặt hàng tối thiểu cao hơn.
• Mẹo mua sắm: Chỉ định điều kiện giao hàng bắt buộc, thử nghiệm tính chất cơ học và bất kỳ chứng nhận khả năng hàn/xử lý nhiệt nào để tránh thay thế không phù hợp.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính)

Thuộc tính	HRB500	HRBF600
Khả năng hàn	Nói chung là tốt	Trung bình; yêu cầu xác minh và các biện pháp có thể thực hiện trước/sau khi hàn
Sức mạnh-Độ dẻo dai	Cân bằng cho mục đích sử dụng tiêu chuẩn	Độ bền cao hơn; độ dẻo dai phụ thuộc vào quá trình xử lý và kiểm soát hợp kim vi mô
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Chọn HRB500 nếu ... - Bạn cần một loại cốt thép có sẵn, kinh tế và có độ dẻo đã được chứng minh cho bê tông cốt thép thông thường. - Khả năng hàn và quy trình chế tạo tiêu chuẩn mà không cần gia nhiệt trước đặc biệt là ưu tiên hàng đầu. - Thông số kỹ thuật của dự án phù hợp với năng suất 500 MPa và kích thước thanh được chấp nhận.

Chọn HRBF600 nếu ... - Thiết kế đòi hỏi năng suất danh nghĩa cao hơn để giảm kích thước thanh hoặc bộ phận, tăng khả năng chịu tải hoặc tiết kiệm trọng lượng. - Bạn có chứng nhận của nhà cung cấp thể hiện độ bền, khả năng hàn và hướng dẫn chế tạo đầy đủ. - Ngân sách và chuỗi cung ứng cho phép chi phí cao hơn và thời gian thực hiện tiềm năng, và kế hoạch chế tạo dự án tính đến mọi yêu cầu hàn hoặc uốn đặc biệt.

Ghi chú cuối cùng Luôn xem xét kỹ các chứng chỉ nhà máy, báo cáo thử nghiệm (độ chảy, độ bền kéo, độ giãn dài, độ bền gãy nếu có) và khuyến nghị về hàn của nhà sản xuất. Đối với các kết cấu quan trọng - chịu động đất, cầu đường hoặc các ứng dụng công nghiệp nặng - hãy đánh giá dạng sản phẩm cụ thể (cuộn, thanh, điều kiện xử lý nhiệt) bằng các thử nghiệm đại diện thay vì chỉ dựa vào tên mác thép danh nghĩa.