So sánh tính năng thép tấm A572 Grade 50 và Grade 60

Khi thiết kế kết cấu thép, việc lựa chọn vật liệu phù hợp đóng vai trò then chốt để đảm bảo an toàn, hiệu quả và tiết kiệm chi phí. Bài viết này so sánh tính năng thép tấm A572 Grade 50 và Grade 60. Qua đó, giúp kỹ sư, nhà thiết kế và chủ đầu tư đưa ra quyết định chính xác nhất cho công trình của mình.

Tổng quan về thép tấm A572 Grade 50 và Grade 60

Giới thiệu chung

Thép tấm thuộc tiêu chuẩn ASTM A572 là dòng thép kết cấu High‑Strength Low‑Alloy (HSLA) tức thép hợp kim thấp mạnh cao, sử dụng trong các kết cấu chịu lực lớn như cầu, nhà cao tầng, khung thép, kết cấu công nghiệp.

Theo tiêu chuẩn, ASTM A572 gồm 5 cấp độ chính: Grade 42, 50, 55, 60 và 65 (tương ứng với giới hạn chảy tối thiểu 42 ksi, 50 ksi, 55 ksi, 60 ksi và 65 ksi – 1 ksi = 1000 psi) (≈ 290 MPa, 345 MPa, 379 MPa, 414 MPa, 448 MPa). Trong đó, Grade 50 và Grade 60 thường được lựa chọn nhiều cho kết cấu đòi hỏi ứng suất lớn hoặc để giảm tiết diện thép, giảm trọng lượng.

Vị trí của Grade 50 và Grade 60

• Grade 50: Là cấp phổ biến, cân bằng giữa khả năng chịu lực, tính thi công và chi phí. Ví dụ: Leeco Steel ghi rằng A572‑50 là “the most common A572 grade”.
• Grade 60: Là cấp cao hơn, với giới hạn chảy tối thiểu ~60 ksi (~414 MPa) và kéo rất cao, thường được dùng khi yêu cầu thiết kế kết cấu nặng hơn, chi tiết chịu lực lớn hơn hoặc khi muốn giảm khối lượng thép.

Cơ sở vật liệu – thành phần hóa học và quy định tiêu chuẩn

Tiêu chuẩn ASTM A572/A572M quy định hóa học và cơ tính như sau: carbon tối đa, mangan tối đa, phosphor & lưu huỳnh tối đa, silicon giới hạn, và bổ sung vi hợp kim như columbium (Nb) và vanadium (V) nhằm tăng cường độ và khả năng chịu va đập mà vẫn đảm bảo hàn được.
Ví dụ: theo SteelWarehouse, với Grade 60 carbon max ≤ 0.26 %, Mn ≤ 1.35 %, P ≤ 0.030 %, S ≤ 0.030 %, Si ≤ 0.40 %.

Ứng dụng phổ biến

Các ứng dụng của A572 nói chung và Grade 50 / 60 nói riêng bao gồm: khung nhà công nghiệp, nhà cao tầng, cầu đường, chân tháp, kết cấu chịu tải lớn, kết nối bulông/hàn, thùng xe tải – cần thép có độ bền cao và khả năng chịu lực tốt hơn thép carbon thông thường (như ASTM A36).
Do vậy, khi xem xét hai cấp độ Grade 50 và Grade 60 về cơ bản: Grade 60 có khả năng chịu lực cao hơn, nhưng cũng có thể đi kèm chi phí, thi công và gia công khó khăn hơn. Trong các dự án kết cấu, lựa chọn giữa chúng phải dựa trên yêu cầu thiết kế (lớn nhỏ), chế tạo–hàn–lắp, chi phí, vật liệu sẵn có và yêu cầu đặc biệt (ví dụ: va đập, nhiệt độ).

Đọc thêm: Các cấp độ của thép A572 và ứng dụng từng cấp

So sánh tính năng thép tấm A572 Grade 50 và Grade 60

Dưới đây là chi tiết theo nhiều khía cạnh: cơ tính, gia công/hàn, khả năng chịu va đập/nhiệt, kinh tế, ứng dụng và ưu nhược điểm.

Cơ tính – Giới hạn chảy, giới hạn kéo, độ dãn

• Theo dữ liệu tiêu chuẩn: Grade 50 tối thiểu giới hạn chảy ~50 ksi (~345 MPa), giới hạn kéo ~65 ksi (~448 MPa) ở mẫu 8 inch.
• Grade 60: theo SSAB: yield (min) 60 ksi, tensile min 75 ksi. SSAB Tương ứng khoảng 414 MPa và 517 MPa. Dữ liệu khác (matweb) cho yield ~415 MPa, tensile ~520 MPa.
• MDPI (2021) thử nghiệm A572 Gr 50 và Gr 60 trên mẫu dày 6 mm, cho thấy yield strengths ở nhiệt độ phòng lần lượt ~345 MPa (Gr50) và ~415 MPa (Gr60).  => Như vậy, Grade 60 nhỉnh hơn khoảng ~20% ở giới hạn chảy và hơn chút ở kéo so với Grade 50.

Khả năng gia công, hàn và chế tạo

• Vì Grade 60 chứa phần hợp kim cao hơn (có thể carbon, Nb, V cao hơn) nên mặc dù vẫn được xem là có khả năng hàn tốt (vì HSLA thường tinh chỉnh để hàn được) nhưng có thể yêu cầu kỹ thuật hàn cao hơn: kiểm soát nhiệt vùng hàn, điện cực thấp hydro, pre‑heating/ post‑heating nếu dày lớn, đặc biệt để tránh nứt vùng HAZ (Heat Affected Zone). Đây là lưu ý chung khi sử dụng HSLA cao hơn. Ví dụ: SteelWarehouse nói rằng “Increased carbon content is associated with increased hardenability, leading to the risk of cracking after welding” trong ASTM A572.
• Grade 50 có nhiều ưu điểm cân bằng: độ bền tốt, vẫn có khả năng hàn – chế tạo thuận lợi, chi phí không quá cao.
• Về uốn, định hình: thép càng cao độ bền (như Grade 60) thì lực uốn lớn hơn, bán kính uốn phải lớn hơn, độ dẻo thấp hơn một chút – dẫn đến khi chế tạo chi tiết phức tạp có thể khó hơn.
• Như vậy, nếu chi tiết yêu cầu gia công, uốn, hàn đơn giản Grade 50 thường “dễ” hơn, trong khi Grade 60 cần lưu ý thêm kỹ thuật.

Khả năng chịu va đập, nhiệt độ, môi trường đặc biệt

• A572 Gr50 & Gr60 tại nhiệt độ cao, kết quả cho thấy khi tăng nhiệt độ đến 600 °C, hệ số giảm sức bền (yield/tensile) tăng; sự khác biệt giữa Gr50 và Gr60 tại một số mức strain lớn xuất hiện rõ. Điều này nghĩa là trong điều kiện nhiệt độ cao, Gr60 có lợi thế nhất định, nhưng cũng phải thiết kế cẩn trọng.
• Trong điều kiện thông thường (nhiệt độ phòng, môi trường kết cấu) HSLA như A572 vốn đã có khả năng tốt hơn so với carbon steel thông thường về va đập và độ dẻo vì có thành phần hợp kim.
• Về môi trường ăn mòn, HSLA không tự động là loại chống ăn mòn như các thép weathering đặc biệt, nhưng vì tiết diện nhỏ hơn với cùng khả năng chịu lực nên khi kết cấu bị ăn mòn sẽ bị ảnh hưởng nhỏ hơn. Tuy nhiên, đối với môi trường cực kỳ ăn mòn hay biển/muối thì vẫn cần lớp bảo vệ – điều này không phải khác nhau hoàn toàn giữa Gr50 vs Gr60.

 => Kết luận: nếu ứng dụng chịu nhiệt độ cao hoặc va đập lớn, Gr60 có lợi thế; nếu môi trường thông thường thì Gr50 đã rất tốt và thi công thuận lợi hơn.

Khối lượng tối thiểu – tiết kiệm vật liệu và chi phí dự án

• Vì Gr60 có giới hạn chảy và kéo cao hơn, nên cho phép thiết kế tiết diện nhỏ hơn để chịu cùng mức tải trọng. Ví dụ nếu một dầm chịu lực xác định, dùng thép có fy cao hơn thì có thể chọn bản dày/khung nhẹ hơn => giảm trọng lượng, giảm vật liệu, giảm chi phí vận chuyển, lắp đặt.
• Một số nhà chế tạo/thiết kế cho biết: trong thực tế, chênh lệch giá giữa A36 và A572 Grade50 không lớn (theo Eng‑Tips: “We don’t see any price difference between A36 and A572 Grade 50 (and grade 65 is only a few cents more than grade 50 per pound).” ).
• Do đó, việc chọn Gr60 có thể mang lại lợi ích kinh tế dài hạn khi xét tổng chi phí – vật liệu + thi công + vận chuyển + bảo trì. Tuy nhiên, điều này phụ thuộc vào giá thép tại địa phương, độ sẵn có vật liệu, chi phí gia công/hàn.
• Một nghiên cứu của KGS Steel (Comparing Structural Steel Grades) cũng nhấn mạnh: “HSLA như A572–50/60 … tăng strength and better performance … giúp giảm lượng thép cần dùng”.

Khả năng sẵn có và chi phí vật liệu

• Theo Leeco Steel: A572 Grade 50 là cấp “most common”, trong khi Grade 60 tuy khả dụng nhưng độ đa dạng về kích thước/thickness có thể nhỏ hơn (ví dụ: Grade 60 tại Leeco có chiều dày tối đa 1¼” cho tấm thông thường).
• Việc sẵn có vật liệu ảnh hưởng tới chi phí, thời gian giao hàng – nếu Gr60 phải đặt riêng, thời gian lâu hơn, chi phí cao hơn.
• Bên cạnh đó, chi phí gia công/hàn có thể cao hơn với Gr60 do yêu cầu cao hơn về kiểm soát nhiệt/hàn.
• Vì vậy, mặc dù Gr60 có ưu thế về cơ tính, nếu trên công trình không thực sự cần đến sức bền cao hơn rất nhiều so với Gr50, việc chọn Gr50 có thể hợp lý hơn về tổng chi phí.

Ưu và nhược điểm

Ưu điểm Grade 50

• Đủ mạnh cho nhiều kết cấu kết hợp chịu lực lớn (yield ~50 ksi)
• Khả năng gia công/hàn tốt hơn (vì hợp kim ít hơn so với Gr60)
• Thường sẵn có hơn, chi phí tổng thể thấp hơn
• Thiết kế tiết diện thuận lợi, dễ thi công – đặc biệt khi không chỉ yêu cầu cực kỳ cao

Nhược điểm Grade 50

• Không tận dụng được tối đa thanh mảnh hóa tiết diện như Gr60 nếu thiết kế yêu cầu tối ưu khối lượng rất lớn
• Trong các ứng dụng chịu lực rất lớn, va đập mạnh hoặc nhiệt độ cao, có thể hụt so với Gr60

Ưu điểm Grade 60

• Giới hạn chảy (~60 ksi) và kéo (~75 ksi) cao hơn rõ – cho phép tiết diện nhỏ hơn, kết cấu nhẹ hơn đối với cùng tải trọng.
• Tăng khả năng chịu lực và chịu va đập, đặc biệt trong ứng dụng cầu, tháp, kết cấu công nghiệp lớn.
• Có lợi thế trong thiết kế tối ưu hóa vật liệu, tiết kiệm khối lượng và vận chuyển/lắp đặt.
• Gr60 có phần vượt trội hơn Gr50 trong khả năng chịu biến dạng.

Nhược điểm Grade 60

• Chi phí vật liệu có thể cao hơn (hàm lượng hợp kim lớn hơn, xử lý vật liệu nghiêm ngặt hơn)
• Gia công/hàn có thể khó hơn, yêu cầu kỹ thuật cao hơn (kiểm soát nhiệt, điện cực, pre‑/post‑heat)
• Sẵn có vật liệu (kích thước, độ dày) có thể hạn chế hơn – có thể dẫn đến thời gian giao hàng lâu hơn hoặc phải đặt riêng
• Trong các công trình không cần đến sức bền cao như vậy, lựa chọn Gr60 có thể dẫn đến chi phí không cần thiết

Khi nào nên chọn Grade 50, khi nào chọn Grade 60?

Chọn Grade 50 nếu:

• Kết cấu chịu tải trọng nằm trong mức thiết kế mà Grade 50 đáp ứng dư dả (ví dụ: dầm, khung nhà, kết cấu trung bình)
• Kinh phí vật liệu hoặc thi công cần được kiểm soát chặt
• Gia công/hàn có yêu cầu đơn giản, độ uốn/sản xuất chi tiết phức tạp với bán kính nhỏ
• Vật liệu sẵn có và thời gian giao hàng là yếu tố quan trọng

Chọn Grade 60 nếu:

• Kết cấu chịu lực lớn, tiết diện cần được tối ưu hóa (ví dụ: cầu, chân tháp, kết cấu cao tầng đặc biệt)
• Muốn giảm khối lượng thép, giảm vật liệu, giảm vận chuyển/lắp đặt – đặc biệt trong các công trình lớn hoặc nơi vận chuyển vật liệu phức tạp
• Ứng dụng có yêu cầu va đập, môi trường khắc nghiệt, tải trọng động hoặc chịu nhiệt độ cao
• Nhà chế tạo có khả năng hàn/gia công tốt, vật liệu Gr60 sẵn có hoặc đặt được trong thời gian phù hợp

Những lưu ý khi thiết kế và thi công

• Khi sử dụng Grade 60, cần thông báo rõ cho thợ gia công/hàn về yêu cầu: kiểm soát nhiệt hàn, điện cực phù hợp, khả năng uốn/bẻ, kiểm tra khuyết tật.
• Đảm bảo vật liệu cung cấp có chứng chỉ Mill Test Report (MTR) theo tiêu chuẩn ASTM A572, chứng minh cấp Grade và cơ tính.
• Nếu khung có yêu cầu chống chịu nhiệt hoặc môi trường khắc nghiệt (nhiệt độ cao, va đập, môi trường biển) thì nên xem xét thông số khả năng va đập, thử nhiệt độ.
• Đối với tiết diện lớn hoặc chiều dày tấm lớn, cần xem giới hạn độ dày tối đa của mỗi grade (ví dụ Leeco cho Grade 60 tối đa dày 1¼” trong kho hàng thường) để đảm bảo vật liệu đáp ứng.
• Chi phí tổng dự án nên được xem xét: vật liệu + gia công + vận chuyển + bảo trì. Đôi khi chọn Grade 60 chính xác sẽ tiết kiệm được khối lượng và vận chuyển, nhưng nếu hiệu quả tiết kiệm nhỏ thì chọn Grade 50 là hợp lý hơn.
• Tài liệu thiết kế (ví dụ tiêu chuẩn AISC) nên tính đến hệ số an toàn, điều kiện hàn và khả năng kiểm tra, giám sát chất lượng theo yêu cầu cấp kết cấu.
• Nếu có yêu cầu đặc biệt về va đập, vùng biên hoặc cần thử Charpy – cần yêu cầu nhà cung cấp hoặc tính thêm thông số đặc biệt (ASTM A572 chỉ là yêu cầu tối thiểu, nhưng trong thực tế có thể cần thêm đặc tính về va đập).

Kết luận

Qua thông tin trên, có thể rút ra những điểm chính như sau:

• Cả hai cấp thép tấm ASTM A572 Grade 50 và Grade 60 đều là lựa chọn tốt cho kết cấu chịu lực lớn, vượt trội hơn thép carbon thông thường như A36 về độ bền, khả năng chịu lực và ứng dụng kết cấu.
• Grade 60 có lợi thế mạnh hơn về cơ tính (giới hạn chảy và kéo cao hơn) giúp tiết kiệm vật liệu, giảm khối lượng, phù hợp cho các dự án đặc biệt lớn hoặc có yêu cầu cao về chịu lực/va đập/kinh tế kết cấu.
• Tuy nhiên, Grade 60 đi kèm chi phí vật liệu có thể cao hơn, yêu cầu gia công/hàn phức tạp hơn, sẵn có vật liệu có thể hạn chế hơn, vì vậy không phải lúc nào Grade 60 là lựa chọn tối ưu nếu yêu cầu thiết kế không quá lớn.
• Grade 50 trở thành lựa chọn “an toàn” và hiệu quả cho nhiều kết cấu trung bình, với chi phí hợp lý, gia công thuận lợi và sẵn có vật liệu tốt.
• Việc lựa chọn giữa hai cấp độ này nên dựa trên: yêu cầu chịu lực của kết cấu, thiết kế tiết diện, khối lượng vật liệu và vận chuyển, khả năng thi công/hàn, chi phí tổng thể, và sẵn có vật liệu tại địa phương.
• Để đảm bảo tuân thủ và an toàn, cần có MTR cho vật liệu, kiểm soát gia công/hàn, đảm bảo bề dày/tấm/thông số phù hợp theo tiêu chuẩn ASTM A572 và thiết kế kết cấu.

Với vai trò là chuyên gia nội dung, tôi lưu ý rằng khi triển khai thực tế tại Việt Nam hoặc các công trình quốc tế, cần kiểm tra thêm tiêu chuẩn địa phương (ví dụ JIS, EN, Việt Nam) tương đương với A572 và thảo luận với nhà vật liệu để xác minh khả năng cung ứng, xử lý chống gỉ, bảo trì.

Để tối ưu hiệu quả triển khai và đảm bảo nguồn thép đúng chuẩn, doanh nghiệp và nhà thầu có thể tham khảo các đơn vị cung ứng uy tín như Nam Việt Steel  – nơi cung cấp đa dạng chủng loại thép tấm, trong đó có các dòng thép tiêu chuẩn ASTM dùng cho kết cấu công nghiệp và xây dựng.