PC1570 so với PC1860 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

PC1570 và PC1860 là hai loại thép thường gặp trong nhóm thép dự ứng lực cường độ cao, được sử dụng cho ứng suất trước và ứng suất sau của gân, sợi và thanh thép. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc giữa độ bền, độ dẻo dai, khả năng hàn, hiệu suất chịu mỏi và chi phí khi lựa chọn giữa chúng — ví dụ, chỉ định độ bền danh nghĩa cao hơn để giảm kích thước tiết diện so với việc ưu tiên sản phẩm có độ bền thấp hơn nhưng dẻo hơn để dễ vận chuyển và giảm nguy cơ gãy giòn.

Sự khác biệt kỹ thuật chính giữa các loại thép này là mục đích thiết kế của chúng cho các mức độ chịu kéo khác nhau: một loại thép hướng đến giới hạn bền kéo quy định thấp hơn và độ dẻo dai và độ bền nhìn chung cao hơn trên một mặt cắt ngang nhất định, trong khi loại thép còn lại hướng đến giới hạn bền kéo quy định cao hơn đáng kể (và khả năng chịu ứng suất trước tương ứng), đạt được thông qua quá trình hợp kim hóa và gia công mạnh hơn. Điều này khiến hai loại thép trở thành lựa chọn bổ sung cho nhau tùy thuộc vào nhu cầu kết cấu, sơ đồ ứng suất trước, môi trường mỏi/mài mòn và các ràng buộc chế tạo.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn quốc tế và khu vực chung quy định về thép ứng suất trước và dây/sợi thép cường độ cao bao gồm:
• ASTM/ASME (ví dụ: ASTM A416 cho sợi thép, ASTM A722 cho dây thép cường độ cao)
• EN (ví dụ, EN 10080 đối với thép gia cường bê tông — thép gia cường có thể hàn — và các tiêu chuẩn EN khác đối với thép ứng suất trước)
• JIS (Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản về thép ứng suất trước)
• GB (Tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc về thép và dây ứng suất trước)
• Phân loại:
• Cả PC1570 và PC1860 đều là thép ứng suất trước có độ bền cao (thép hợp kim/cacbon đặc biệt được thiết kế riêng cho mục đích ứng suất trước).
• Chúng không phải là thép không gỉ; chúng thuộc loại thép cacbon cường độ cao hoặc thép hợp kim siêu nhỏ dùng để ứng suất trước (một số biến thể được xử lý nhiệt cơ hoặc kéo nguội).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Phân tích hóa học chính xác phụ thuộc vào nhà cung cấp và tiêu chuẩn áp dụng, nhưng triết lý hợp kim là nhất quán: duy trì hàm lượng carbon thấp/được kiểm soát để bảo toàn độ dẻo và khả năng hàn trong khi bổ sung mức Si và Mn được kiểm soát để khử oxy và tăng độ bền; bổ sung hợp kim vi mô (V, Ti, Nb) hoặc một lượng nhỏ Cr/Mo được sử dụng trong các loại có độ bền cao hơn để tăng khả năng làm cứng, khả năng chịu nhiệt và độ bền mà không làm tăng quá nhiều carbon.

Yếu tố	Vai trò / sự hiện diện điển hình trong PC1570	Vai trò / sự hiện diện điển hình trong PC1860
C (Cacbon)	Được kiểm soát, tương đối thấp đến trung bình để duy trì độ dẻo và khả năng chống mỏi	Kiểm soát cao hơn một chút hoặc tương đương; cần kiểm soát chặt chẽ để đạt được độ bền kéo cao hơn với độ dẻo dai chấp nhận được
Mn (Mangan)	Tăng cường và khử oxy; mức độ vừa phải	Tương tự hoặc cao hơn một chút để cải thiện khả năng làm cứng
Si (Silic)	Sự khử oxy và đóng góp sức mạnh; được kiểm soát	Được kiểm soát, đôi khi cao hơn một chút để tăng sức mạnh
P (Phốt pho)	Giữ ở mức tối thiểu; có hại cho độ dẻo dai	Giữ ở mức tối thiểu
S (Lưu huỳnh)	Giữ ở mức tối thiểu; ảnh hưởng đến khả năng gia công và tạp chất	Giữ ở mức tối thiểu
Cr (Crom)	Thường thấp hoặc không có; một số loại có thể bao gồm Cr nhỏ để làm cứng	Có thể có mặt với số lượng nhỏ trong các biến thể có cường độ cao hơn
Ni (Niken)	Không điển hình; chỉ được sử dụng trong hóa học chuyên ngành	Hiếm; có thể bổ sung một lượng nhỏ trong thép đặc biệt
Mo (Molypden)	Hiếm nhưng có thể sử dụng với số lượng nhỏ để chống nóng	Có thể được sử dụng với số lượng nhỏ cho các biến thể có cường độ cao
V, Nb, Ti (Các nguyên tố hợp kim vi mô)	Thường có mặt ở lượng vết để tinh chế hạt và tăng cường độ	Có nhiều khả năng hoặc bổ sung cao hơn một chút để đảm bảo cường độ cao hơn thông qua việc tăng cường lượng mưa
B (Bo)	Nếu sử dụng, ở mức ppm để cải thiện khả năng làm cứng	Có thể được sử dụng ở ppm để hỗ trợ khả năng làm cứng ở các cấp độ bền cao
N (Nitơ)	Được kiểm soát ở mức thấp để tránh giòn	Kiểm soát thấp

Ghi chú: - Nhà cung cấp sẽ công bố giới hạn hóa chất chính xác cho từng sản phẩm. Bảng trên tóm tắt các chiến lược chức năng thay vì thành phần cố định. - Các loại thép có độ bền danh nghĩa cao hơn thường dựa nhiều hơn vào quá trình xử lý và hợp kim vi mô được kiểm soát để đạt được độ bền mà không có quá nhiều cacbon.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình phụ thuộc vào tuyến sản xuất:
• Dây ứng suất kéo nguội trước đây phát triển cấu trúc vi mô perlit hoặc ram kéo mạnh với khoảng cách giữa các lớp mỏng hỗ trợ độ bền kéo cao và khả năng chống mỏi.
• Các thanh được xử lý nhiệt cơ học hoặc các sản phẩm được tôi và ram tạo ra các cấu trúc martensitic bainit hoặc ram hạt mịn với quá trình gia cường kết tủa từ các nguyên tố hợp kim vi mô.
• PC1570 (cường độ danh nghĩa thấp hơn):
• Dễ dàng đạt được các đặc tính cần thiết hơn bằng cách kéo nguội và ram có kiểm soát hoặc bằng các chu trình tôi/ram cường độ thấp hơn để giữ lại các thành phần vi mô dẻo hơn.
• Thể hiện sự cân bằng thuận lợi giữa ferit/pearlit hoặc martensite/bainit đã tôi luyện với độ dẻo dai tốt.
• PC1860 (cường độ danh nghĩa cao hơn):
• Yêu cầu độ cứng cao hơn và/hoặc biến dạng nghiêm trọng hơn để đạt được mức độ kéo cao hơn; cấu trúc vi mô thường cho thấy bainit mịn hơn hoặc martensite tôi luyện và mật độ sai lệch cao hơn cùng với độ bền kết tủa.
• Xử lý nhiệt (ví dụ, tôi + ram hoặc làm nguội có kiểm soát) được tối ưu hóa để đạt được độ bền tối đa cao trong khi vẫn duy trì độ giãn dài và hiệu suất chịu mỏi cần thiết.
• Tác dụng của quá trình xử lý:
• Chuẩn hóa giúp cải thiện tính đồng nhất và độ dẻo dai bằng cách tinh chỉnh kích thước hạt.
• Quá trình tôi và ram giúp tăng độ bền và có thể được điều chỉnh để tối ưu hóa sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai.
• Quá trình xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP) có thể tạo ra các cấu trúc vi mô hạt mịn giúp cải thiện cả độ bền và độ dẻo dai cho các biến thể có độ bền cao.

4. Tính chất cơ học

Các giá trị định lượng khác nhau tùy theo tiêu chuẩn và nhà cung cấp; bảng dưới đây nêu bật hành vi tương đối và những gì các kỹ sư nên mong đợi.

Tài sản	PC1570	PC1860
Độ bền kéo (tối đa)	Hạng danh nghĩa thấp hơn — được thiết kế cho độ bền cao nhưng thấp hơn hạng mục tương ứng cấp cao hơn	Hạng mục danh nghĩa cao hơn — được thiết kế để có sức bền tối đa và khả năng chịu ứng suất trước lớn hơn đáng kể
Độ bền kéo (hoặc độ bền nén)	Thông thường thấp hơn; cung cấp nhiều dự trữ nhựa hơn	Mức độ chịu lực/độ bền cao hơn để hỗ trợ lực ứng suất trước cao hơn
Độ giãn dài (độ dẻo)	Độ dẻo thường cao hơn (độ giãn dài lớn hơn) cho cùng một mặt cắt ngang	Độ giãn dài giảm so với PC1570 ở cùng mức độ bền; vẫn được kiểm soát để đáp ứng các yêu cầu về độ dẻo
Độ bền va đập	Độ dẻo dai thường tốt hơn, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp hơn, nếu hợp kim được chế tạo bảo thủ	Độ dẻo dai có thể thấp hơn nếu ưu tiên độ bền; hợp kim và chế biến có kiểm soát làm giảm độ giòn
Độ cứng	Độ cứng thấp đến trung bình	Độ cứng cao hơn phản ánh độ bền kéo cao hơn

Giải thích: - PC1860 đạt được ứng suất kéo và ứng suất thử cao hơn nhưng thường mất đi một phần độ dẻo và có thể có độ cứng cao hơn và năng lượng va đập đo được thấp hơn trừ khi quá trình hợp kim hóa và ram được kiểm soát cẩn thận. - Việc lựa chọn nên xem xét liệu thiết kế kết cấu có yêu cầu ứng suất trước tối đa cho mỗi gân (ưu tiên PC1860) hay độ dẻo/độ bền và biên độ xử lý tốt hơn (ưu tiên PC1570).

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào hàm lượng cacbon tương đương/độ tôi và sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim vi mô. Để đánh giá, các kỹ sư thường sử dụng các chỉ số như sau:

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

Và

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

Giải thích định tính: - PC1570: Do yêu cầu về độ cứng thường thấp hơn và hợp kim hóa vi mô được bảo tồn, thép này có xu hướng thể hiện khả năng hàn nội tại tốt hơn và ít bị nứt nguội hơn so với các biến thể có độ bền cao hơn. Việc gia nhiệt trước và kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn vẫn thường được yêu cầu đối với các tiết diện dày. - PC1860: Độ cứng cao hơn (từ hợp kim hoặc hàm lượng cacbon tương đương cao hơn) làm tăng khả năng bị tổn thương do các vi cấu trúc HAZ cứng, giòn và nứt nguội do hydro hỗ trợ. Quy trình hàn thường yêu cầu kiểm soát quá trình nung nóng trước/sau nung nóng và hydro chặt chẽ hơn. Đối với hầu hết các ứng dụng ứng suất trước, việc hàn trực tiếp dây hoặc sợi bị hạn chế và phương pháp nối cơ học hoặc hàn/nối được phê duyệt đều được chỉ định. - Lưu ý thực tế: Đối với gân, việc nối/hàn thường được tránh trong vùng ứng suất trước trừ khi có quy định rõ ràng; khớp nối cơ học hoặc đầu nối hàn tại nhà máy phổ biến hơn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả PC1570 và PC1860 đều không phải là thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn bị hạn chế và phụ thuộc vào tình trạng bề mặt, lớp phủ và môi trường.
• Các biện pháp bảo vệ điển hình:
• Mạ kẽm nhúng nóng cho các thanh/sợi thép khi cần lớp bảo vệ hy sinh.
• Lớp phủ epoxy, vỏ bọc polyme hoặc ống dẫn mỡ/bôi mỡ cho các sợi cáp được sử dụng trong môi trường ngoài trời, bán tiếp xúc hoặc khắc nghiệt.
• Bao bọc vật lý (vữa/tiêm) là phương pháp tiêu chuẩn trong các bó gân bê tông ứng suất trước.
• PREN (chỉ số tương đương khả năng chống rỗ) là chỉ số của thép không gỉ và thường không áp dụng cho thép ứng suất trước không phải thép không gỉ. Để tham khảo:

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

nhưng chỉ số này chỉ liên quan đến các hợp kim thép không gỉ cố ý bao gồm Cr, Mo và N ở mức đáng kể.

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

• Khả năng gia công:
• Các loại thép có độ bền cao hơn (PC1860) có xu hướng cứng hơn và mài mòn dụng cụ nhiều hơn; tốc độ cắt và tuổi thọ dụng cụ phải được điều chỉnh.
• PC1570 dễ gia công và tạo hình hơn do có độ cứng thấp hơn.
• Khả năng tạo hình và uốn cong:
• Độ dẻo quyết định bán kính uốn cho phép và quy trình tạo hình nguội; PC1570 thường chịu được uốn cong chặt hơn và tạo hình nguội với nguy cơ nứt thấp hơn.
• PC1860 có thể yêu cầu bán kính uốn lớn hơn, xử lý nhiệt được kiểm soát hoặc quy trình tạo hình chuyên biệt.
• Hoàn thiện bề mặt:
• Thép có độ cứng cao hơn có thể phát triển các vết nứt nhỏ trong quá trình hoàn thiện mạnh; việc kiểm soát quá trình mài và phun bi là rất quan trọng.
• Cài đặt và xử lý:
• Mức ứng suất trước cao hơn trong PC1860 đặt ra các yêu cầu nghiêm ngặt hơn về thiết bị xử lý, neo và căng do năng lượng đàn hồi được lưu trữ cao hơn và rủi ro trong trường hợp hỏng hóc thảm khốc.

8. Ứng dụng điển hình

PC1570 — Công dụng điển hình	PC1860 — Công dụng điển hình
Các cấu kiện bê tông ứng suất trước thông thường yêu cầu ứng suất trước từ trung bình đến cao cùng với khả năng lắp đặt dễ dàng và độ bền được cải thiện (ví dụ: dầm đúc sẵn, tấm sàn, gân nhỏ hơn)	Gân chịu lực cao khi cần ứng suất trước tối đa cho mỗi gân để giảm thiểu kích thước tiết diện hoặc cho cầu có nhịp dài/tải trọng cao, ứng suất sau cho các tấm bê tông nặng và các ứng dụng chuyên biệt
Các yếu tố ưu tiên khả năng chống mỏi và độ dẻo (cầu có nhiều chu kỳ tải)	Các ứng dụng đòi hỏi không gian hoặc số lượng ống dẫn phải được giảm thiểu và ứng suất chịu đựng cao hơn trên mỗi sợi có lợi về mặt kinh tế
Các tình huống chế tạo tại hiện trường phức tạp hơn, trong đó khả năng hàn/tạo hình cao hơn có lợi	Các bộ phận và khớp nối có độ bền cao được sản xuất tại nhà máy, trong đó độ bền cao hơn bù đắp cho độ dẻo giảm

Cơ sở lựa chọn: - Chọn loại thép có sự cân bằng giữa khả năng chịu ứng suất trước và độ dẻo dai phù hợp với nhu cầu kết cấu, khoảng cách giữa các bó cáp và các hạn chế về kết cấu. Cân nhắc đến tuổi thọ và chiến lược chống ăn mòn như một yếu tố hỗ trợ.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối:
• PC1860 thường đắt hơn trên mỗi đơn vị khối lượng do hợp kim bổ sung, quy trình xử lý khắt khe hơn và kiểm soát chất lượng chặt chẽ hơn.
• PC1570 thường có giá thành rẻ hơn và được sản xuất rộng rãi dưới nhiều dạng sản phẩm thông dụng (dây, sợi, thanh).
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm:
• Cả hai loại này thường có dạng dây và sợi; các loại có chất lượng cao hơn có thể thường được tìm thấy trong một số dạng sản phẩm nhất định (ví dụ: sợi, thanh hoặc dây kéo nguội có độ bền cao được sản xuất đặc biệt) và có thể có thời gian giao hàng lâu hơn đối với số lượng lớn hoặc lớp phủ đặc biệt.
• Tư vấn mua sắm:
• PC1860 nên hợp tác sớm với các nhà cung cấp để xác nhận thời gian hoàn thành, lộ trình xử lý nhiệt và đảm bảo chất lượng về độ bền mỏi và độ bền gãy, đặc biệt là đối với các dự án lớn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chí	PC1570	PC1860
Khả năng hàn	Tốt hơn (CE thấp hơn, dễ hàn hơn với các biện pháp phòng ngừa tiêu chuẩn)	Thách thức hơn (CE/khả năng tôi luyện cao hơn; cần kiểm soát chặt chẽ hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Dẻo hơn, độ bền tốt hơn cho nhiều ứng dụng	Độ bền cao hơn, nhưng cần xử lý cẩn thận để giữ được độ dẻo dai
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Sự giới thiệu: - Chọn PC1570 nếu: - Dự án ưu tiên tính dẻo, độ bền, khả năng chống mỏi và dễ chế tạo hoặc xử lý tại hiện trường; trong đó việc điều chỉnh ứng suất trước cho mỗi gân là chấp nhận được; và khi chi phí hoặc tính khả dụng nhanh chóng là quan trọng. - Chọn PC1860 nếu: - Thiết kế yêu cầu khả năng ứng suất trước tối đa cho mỗi gân để giảm thiểu số lượng gân hoặc kích thước mặt cắt ngang, và dự án có thể đáp ứng các quy định kiểm soát hàn/thông số kỹ thuật nghiêm ngặt hơn, chi phí vật liệu có thể cao hơn và yêu cầu chặt chẽ về xử lý nhiệt và độ bền của nhà cung cấp.

Ghi chú kỹ thuật cuối cùng: Luôn xác nhận giới hạn hóa học và cơ học chính xác với nhà cung cấp hoặc thông số kỹ thuật chi tiết, xem xét các quy trình hàn và nối đủ tiêu chuẩn và xác minh hiệu suất chịu mỏi và gãy bằng cách thử nghiệm hoặc dữ liệu của nhà cung cấp cho tuyến sản xuất đã chọn.