SD390 so với SD490 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

SD390 và SD490 là hai loại thép kết cấu cường độ cao được sử dụng rộng rãi trong xây dựng, cốt thép và một số cấu kiện kết cấu cán nguội. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường xuyên phải đối mặt với tình huống khó xử khi lựa chọn giữa các loại thép này: cân bằng giữa cường độ cao hơn với khả năng hàn, độ dẻo, chi phí chế tạo và tính khả dụng. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc chỉ định giới hạn chảy cao hơn để giảm kích thước tiết diện và trọng lượng, hay ưu tiên khả năng hàn và khả năng định hình được cải thiện cho chế tạo phức tạp.

Yếu tố phân biệt chính giữa hai loại thép này là giới hạn chảy tối thiểu mục tiêu: SD390 được chỉ định ở mức giới hạn chảy 390 MPa và SD490 ở mức giới hạn chảy 490 MPa theo thông lệ chỉ định theo phong cách Nhật Bản hiện hành. Vì cả hai loại thép này chủ yếu được sử dụng làm thép kết cấu carbon/HSLA chứ không phải thép không gỉ hoặc thép dụng cụ, nên chúng thường được so sánh khi các nhà thiết kế phải chọn mức giới hạn bền mà không cần chuyển sang loại thép hợp kim hoặc thép không gỉ.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn chung nơi xuất hiện hoặc được tham chiếu đến cấp độ SD:
• JIS (Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản) – Cấp độ SD thường gắn liền với các ký hiệu JIS dành cho thép gia cố và thép kết cấu.
• GB/T (tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc) và các tiêu chuẩn khu vực khác đôi khi sử dụng danh pháp cấp độ bền tương tự cho thanh cốt thép và thép kết cấu.
• EN và ASTM không sử dụng tiền tố SD trực tiếp nhưng có các cấp độ bền tương tự (ví dụ: S355, tương đương cốt thép GRADE 50).
• Phân loại theo luyện kim:
• SD390: Thép kết cấu hàm lượng carbon thấp đến trung bình/loại HSLA (carbon/HSLA).
• SD490: Thép kết cấu hàm lượng carbon thấp đến trung bình/HSLA (carbon cường độ cao/HSLA).
• Không loại nào trong số chúng là thép không gỉ, thép dụng cụ hoặc thép hợp kim cao; chúng thường là thép cacbon thông thường được biến đổi bằng phương pháp hóa học có kiểm soát và thường là quá trình hợp kim hóa vi mô và xử lý nhiệt cơ để đạt được các đặc tính mục tiêu.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Lưu ý: Giới hạn hóa chất và thành phần chính xác thay đổi tùy theo phiên bản tiêu chuẩn và nhà cung cấp. Bảng dưới đây tóm tắt các đặc tính hóa học điển hình được tìm thấy trong bảng dữ liệu của nhà cung cấp cho thép kết cấu dòng SD. Luôn xác nhận thành phần bằng chứng nhận nhà máy cho các ứng dụng quan trọng.

Yếu tố	Nội dung điển hình trong SD390	Nội dung điển hình trong SD490
C (cacbon)	Hàm lượng carbon thấp, được kiểm soát để cải thiện khả năng hàn (điển hình: ≤ ~0,25%)	Hàm lượng carbon thấp, thường được kiểm soát tương tự (điển hình: ≤ ~0,22%)
Mn (mangan)	Mức độ trung bình về độ bền và khả năng làm cứng (phạm vi điển hình)	Trung bình đến cao hơn một chút để hỗ trợ sức mạnh cao hơn
Si (silicon)	Lượng nhỏ (khử oxy; ~0,1–0,6%)	Mức độ tương tự như SD390
P (phốt pho)	Giữ ở mức thấp để tăng độ dẻo dai (dấu vết; ví dụ, ≤ ~0,04–0,05%)	Giữ ở mức thấp
S (lưu huỳnh)	Giữ ở mức thấp để tăng độ dẻo/khả năng gia công (dấu vết; ví dụ, ≤ ~0,04–0,05%)	Giữ ở mức thấp
Cr, Ni, Mo	Thường là tối thiểu hoặc dấu vết; chỉ có nếu cần thiết cho các hỗn hợp cụ thể	Có thể có thêm một lượng nhỏ ở một số nhà máy để đạt được độ bền cao hơn mà không có quá nhiều carbon
V, Nb, Ti (hợp kim vi mô)	Thường có ở dạng vết đến lượng thấp để tinh chế hạt và cải thiện độ bền/độ dẻo dai	Thường được sử dụng để tăng cường độ năng suất thông qua việc tăng cường lượng mưa
B, N	Kiểm soát mức vết để tránh giòn; Kiểm soát N để tăng độ dẻo dai	Những cân nhắc tương tự được áp dụng

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Carbon làm tăng độ bền và khả năng làm cứng nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo nếu hàm lượng carbon quá cao. - Mangan góp phần tăng cường độ bền và độ dẻo dai; nó cũng làm tăng khả năng làm cứng. - Silic là chất khử oxy và góp phần tăng độ bền; lượng Si quá nhiều có thể làm hỏng một số lớp phủ. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) cho phép tăng cường độ bền kéo thông qua quá trình gia cường kết tủa và tinh chỉnh hạt với khả năng hàn chỉ giảm một chút so với việc tăng cacbon.

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

• Cấu trúc vi mô điển hình: Cả SD390 và SD490 đều được sản xuất để tạo ra ferit-perlite hoặc ferit hạt mịn với các kết tủa perlite và/hoặc hợp kim vi mô phân tán. Cán nhiệt cơ học (cán có kiểm soát) và làm nguội nhanh tạo ra các cấu trúc ferit/perlite hoặc giống bainit hạt mịn tùy thuộc vào tốc độ làm nguội và thành phần hóa học.
• SD390: Với mục tiêu có độ bền thấp hơn, cấu trúc vi mô thường là ferit-perlit với kích thước hạt được kiểm soát để có độ dẻo dai và độ bền tốt trong điều kiện môi trường xung quanh.
• SD490: Để đạt được giá trị năng suất cao hơn, các nhà sản xuất thường dựa vào sự kết hợp giữa hàm lượng Mn cao hơn một chút và hợp kim vi mô cùng với quá trình xử lý nhiệt cơ học để tạo ra cấu trúc vi mô mịn hơn và tăng cường kết tủa; một số sản phẩm thương mại có thể có bainit chuyển tiếp hoặc peclit mịn hơn.
• Phản ứng xử lý nhiệt:
• Chuẩn hóa/tinh chế: Cả hai loại đều đáp ứng với quá trình chuẩn hóa hoặc cán có kiểm soát để tinh chỉnh hạt và cải thiện độ dẻo dai.
• Làm nguội và ram: Không thường được áp dụng cho thép biến dạng được cung cấp dùng trong thanh cốt thép hoặc các phần kết cấu tiêu chuẩn; Q&T có thể tăng cường độ và điều chỉnh độ dẻo dai nhưng thay đổi chi phí và tính khả dụng.
• Xử lý nhiệt cơ: Phương pháp phổ biến để đạt được độ bền của loại SD490 mà không làm tăng đáng kể lượng cacbon, duy trì khả năng hàn tốt hơn so với phương pháp tăng lượng cacbon.

4. Tính chất cơ học

Sự khác biệt cơ học quan trọng nhất là ứng suất chảy tối thiểu. Các tính chất cơ học khác phụ thuộc rất nhiều vào quá trình chế biến, hình dạng sản phẩm và nhiệt độ thử nghiệm. Bảng dưới đây cung cấp các giá trị tối thiểu điển hình hoặc tiêu chuẩn hóa (nếu có) và các phạm vi thông thường.

Tài sản	SD390 (điển hình/tối thiểu)	SD490 (điển hình/tối thiểu)
Cường độ chịu kéo tối thiểu (MPa)	~390 MPa (lớp thiết kế)	~490 MPa (lớp thiết kế)
Độ bền kéo (MPa)	Phạm vi điển hình phụ thuộc vào quá trình xử lý (thường là ~520–680 MPa)	Phạm vi điển hình phụ thuộc vào quá trình xử lý (thường là ~560–760 MPa)
Độ giãn dài (Lo = cỡ đo được chỉ định)	Trung bình (thường ≥10–18% tùy theo phần và tiêu chuẩn)	Thông thường thấp hơn SD390 ở các dạng sản phẩm tương tự (thường ≥8–16%)
Độ bền va đập	Tốt ở nhiệt độ môi trường xung quanh khi hạt được tinh chế; thay đổi theo độ dày của phần	Có thể tốt nếu được xử lý bằng nhiệt cơ học và hợp kim vi mô; có thể cần kiểm soát chặt chẽ hơn ở nhiệt độ thấp
Độ cứng	Trung bình (phụ thuộc vào độ bền kéo)	Cao hơn SD390 đối với các dạng tương đương

Cái nào bền hơn, dai hơn hay dẻo hơn: - Độ bền: SD490 > SD390 theo thiết kế (giới hạn chảy cao hơn và thường có độ bền kéo cao hơn). - Độ dẻo/độ bền: SD390 thường có độ dẻo cao hơn và có thể có độ bền ở nhiệt độ thấp tốt hơn ở các dạng sản phẩm tương đương trừ khi SD490 được xử lý đặc biệt để tăng độ bền (ví dụ, sử dụng TMCP và hợp kim siêu nhỏ cẩn thận). - Đánh đổi: Để đạt được độ bền của SD490 mà không ảnh hưởng đến độ dẻo dai thường đòi hỏi phải hợp kim hóa vi mô và xử lý có kiểm soát thay vì chỉ cần thêm carbon.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn là một yếu tố lựa chọn quan trọng. Những cân nhắc chính bao gồm hàm lượng cacbon tương đương và sự hiện diện của các nguyên tố làm tăng khả năng tôi.

Công thức dự đoán hữu ích (diễn giải theo hướng định tính; không thay thế cho việc xác định quy trình hàn): - 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: - Giá trị $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ cao hơn cho thấy nguy cơ tăng cao về vùng chịu ảnh hưởng nhiệt của mối hàn cứng, giòn và nhu cầu về gia nhiệt trước, nhiệt độ giữa các lớp hàn được kiểm soát hoặc xử lý nhiệt sau hàn. - SD490, nhờ độ bền cao hơn và hàm lượng hợp kim hoặc hợp kim vi mô thường cao hơn, có xu hướng có độ cứng cao hơn SD390 ở cùng mức cacbon. Do đó, các sản phẩm SD490 có thể yêu cầu quy trình hàn cẩn thận hơn (nung nóng trước, kiểm soát nhiệt đầu vào thấp hơn, vật tư tiêu hao đạt tiêu chuẩn), đặc biệt là ở các tiết diện dày hơn. - Các nguyên tố hợp kim nhỏ (V, Nb, Ti) làm tăng độ bền kết tủa nhưng cũng có thể làm tăng khả năng tôi cứng; kiểm soát nhiệt đầu vào cẩn thận sẽ làm giảm độ cứng HAZ.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả SD390 và SD490 đều là thép carbon/HSLA không gỉ và không có khả năng chống ăn mòn vượt trội so với thép carbon thông thường.
• Các phương pháp bảo vệ phổ biến:
• Mạ kẽm nhúng nóng để bảo vệ lâu dài khỏi tác động của khí quyển.
• Sơn lót và sơn phủ giàu kẽm hoặc epoxy dùng cho môi trường khắc nghiệt.
• Hệ thống sơn và bảo vệ catốt khi cần thiết.
• PREN không áp dụng cho các loại thép không gỉ này. Để tham khảo, chỉ số PREN cho hợp kim thép không gỉ là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ nhưng điều này không áp dụng cho thép cacbon loại SD.
• Hướng dẫn lựa chọn: Nếu khả năng chống ăn mòn là yếu tố chính, hãy cân nhắc việc chỉ định lớp phủ bảo vệ hoặc chuyển sang hợp kim chống ăn mòn thay vì dựa vào SD390/SD490.

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

• Khả năng định hình/uốn cong:
• SD390 thường có khả năng uốn và tạo hình tốt hơn cho một dạng sản phẩm nhất định do có giới hạn chảy thấp hơn và độ dẻo cao hơn.
• SD490 yêu cầu kiểm soát bán kính uốn chặt hơn, lực hồi phục có khả năng cao hơn và lập kế hoạch quy trình cẩn thận hơn khi tạo hình nguội.
• Khả năng gia công:
• Cả hai đều có thể gia công dễ dàng bằng dụng cụ phù hợp; SD490 có thể mài mòn hơn một chút hoặc khó gia công hơn ở mức độ bền cao hơn.
• Cắt và hàn:
• SD490 có thể yêu cầu lực cắt lớn hơn và các thông số cắt/hàn mạnh mẽ hơn.
• Hoàn thiện bề mặt:
• Cả hai đều chấp nhận các hoạt động hoàn thiện thông thường; các biến thể hợp kim siêu nhỏ có độ bền cao có thể cho phản ứng mài/đánh bóng hơi khác nhau.

8. Ứng dụng điển hình

SD390 – Công dụng điển hình	SD490 – Công dụng điển hình
Thanh và lưới gia cố cho bê tông khi cường độ tiêu chuẩn đủ lớn	Thanh gia cố và các thành phần kết cấu có cường độ chịu kéo cao hơn làm giảm kích thước tiết diện
Các thành phần kết cấu trong các tòa nhà có tải trọng tiêu chuẩn, trong đó độ dẻo và khả năng hàn dễ dàng được ưu tiên	Cầu, các phần kết cấu có độ bền cao và các dự án mà việc giảm trọng lượng là rất quan trọng
Các phần được tạo hình nguội và các ứng dụng kết cấu chung trong đó việc tạo hình và uốn cong thường xuyên	Các ứng dụng yêu cầu khả năng chịu tải cao hơn trên mỗi mặt cắt ngang hoặc khi mã thiết kế yêu cầu cấp độ bền cao hơn
Chế tạo nhấn mạnh khả năng hàn và yêu cầu gia nhiệt trước thấp	Chế tạo trong đó quá trình xử lý nhiệt cơ học tiên tiến mang lại cả độ bền cao hơn và độ dẻo dai chấp nhận được

Cơ sở lựa chọn: - Chọn SD390 khi độ phức tạp của quá trình chế tạo, độ dẻo cao và khả năng hàn dễ dàng được ưu tiên và khi loại thép 390 MPa đáp ứng các yêu cầu về kết cấu. - Chọn SD490 khi thiết kế yêu cầu giới hạn chảy cao hơn để giảm độ dày của tiết diện hoặc khi thông số kỹ thuật của dự án yêu cầu cấp độ cao hơn, với điều kiện nhóm mua sắm và chế tạo có thể quản lý được các tác động liên quan đến hàn/tạo hình.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: SD490 thường có giá thành đơn vị cao hơn SD390 do phải trải qua quá trình xử lý bổ sung (TMCP, hợp kim vi mô, kiểm soát chặt chẽ hơn) và đôi khi do sản lượng nhỏ hơn. Tuy nhiên, chi phí vật liệu cho mỗi chi tiết có thể được bù đắp bằng trọng lượng giảm hoặc tiết diện nhỏ hơn.
• Tính khả dụng: SD390 thường được cung cấp rộng rãi hơn ở nhiều dạng sản phẩm (thép thanh, thép thanh, một số hình dạng kết cấu). Tính khả dụng của SD490 phụ thuộc vào nhu cầu thị trường khu vực và năng lực của nhà máy; loại thép này thường được cung cấp cho thép thanh và một số sản phẩm kết cấu nhưng có thể có thời gian giao hàng hoặc yêu cầu về đơn hàng tối thiểu.
• Hình thức sản phẩm: Cả hai loại thép này thường được bán dưới dạng thanh cốt thép, thanh thép thương mại và đôi khi là dạng cán nóng; hãy kiểm tra hàng tồn kho và chứng nhận của nhà máy tại địa phương.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	SD390	SD490
Khả năng hàn	Tốt hơn (CE thấp hơn)	Có thể chấp nhận được nhưng cần kiểm soát nhiều hơn
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai và độ bền tốt cho mục đích sử dụng chung	Độ bền cao hơn; độ dẻo dai phụ thuộc vào quá trình xử lý
Trị giá	Thấp hơn (cơ sở vật chất)	Cao hơn (xử lý và kiểm soát chặt chẽ hơn)

Sự giới thiệu: - Chọn SD390 nếu: - Tải trọng thiết kế của bạn có thể đạt được bằng vật liệu có giới hạn chảy ~390 MPa. - Ưu tiên hàng đầu là dễ hàn, dễ tạo hình và độ dẻo cao. - Bạn thích sự sẵn có rộng rãi hơn và chi phí vật liệu thấp hơn. - Chọn SD490 nếu: - Tối ưu hóa kết cấu đòi hỏi cường độ chịu kéo cao hơn để giảm kích thước hoặc trọng lượng tiết diện. - Dự án chấp nhận kiểm soát chế tạo chặt chẽ hơn (hàn, uốn) hoặc nhà cung cấp cung cấp sản phẩm TMCP/hợp kim siêu nhỏ có độ bền đã được chứng minh. - Bạn có quy trình hàn đạt chuẩn và đội ngũ chế tạo giàu kinh nghiệm để quản lý các vấn đề về HAZ.

Lưu ý cuối cùng: SD390 và SD490 đều là những loại thép hữu ích trong nhóm thép kết cấu carbon/HSLA. Lựa chọn phù hợp phụ thuộc vào đánh giá toàn diện về yêu cầu kết cấu, khả năng chế tạo, quy trình hàn, nhu cầu sơn phủ và tổng chi phí dự án. Đối với các dự án quan trọng, hãy luôn xin giấy chứng nhận nhà máy, thông số kỹ thuật quy trình hàn (WPS), và nếu cần, hãy tham khảo ý kiến ​​của nhà sản xuất thép để lựa chọn chính xác thành phần hóa học và quy trình xử lý nhằm đạt được sự cân bằng giữa độ bền và độ dai cần thiết.