Thép các bon trung bình: Tính chất và ứng dụng chính

Thép cacbon trung bình là một loại thép thường chứa hàm lượng cacbon từ 0,3% đến 0,6%. Phân loại này xếp thép này vào giữa thép cacbon thấp, có hàm lượng cacbon dưới 0,3% và thép cacbon cao, có hàm lượng cacbon vượt quá 0,6%. Thép cacbon trung bình chủ yếu được hợp kim hóa với mangan, giúp tăng khả năng tôi và độ bền. Các nguyên tố khác như silic, crom và niken cũng có thể có mặt với hàm lượng nhỏ hơn, góp phần tạo nên nhiều tính chất cơ học khác nhau.

Tổng quan toàn diện

Thép cacbon trung bình được biết đến với sự cân bằng giữa độ bền, độ dẻo và khả năng chống mài mòn, khiến nó phù hợp với nhiều ứng dụng kỹ thuật. Các tính chất cơ học của nó có thể được điều chỉnh thông qua các quy trình xử lý nhiệt, cho phép đạt được nhiều mức độ cứng và độ dẻo dai. Các đặc điểm quan trọng nhất của thép cacbon trung bình bao gồm:

• Độ bền và độ cứng : Hàm lượng carbon cho phép độ bền kéo và độ cứng cao hơn so với thép có hàm lượng carbon thấp, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ bền.
• Độ dẻo : Mặc dù bền hơn thép cacbon thấp, thép cacbon trung bình vẫn duy trì được độ dẻo hợp lý, cho phép định hình mà không bị nứt.
• Khả năng chống mài mòn : Các nguyên tố hợp kim góp phần cải thiện khả năng chống mài mòn, lý tưởng cho các bộ phận chịu ma sát và mài mòn.

Thuận lợi :
- Khả năng gia công và hàn tốt.
- Tỷ lệ sức bền trên trọng lượng tuyệt vời.
- Đa năng cho nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm các thành phần ô tô và kết cấu.

Hạn chế :
- Dễ bị ăn mòn nếu không được xử lý hoặc phủ lớp phủ đúng cách.
- Hàm lượng carbon cao hơn có thể dẫn đến giòn nếu không được xử lý nhiệt đúng cách.

Theo truyền thống, thép cacbon trung bình được sử dụng rộng rãi trong sản xuất bánh răng, trục và các thành phần khác đòi hỏi sự kết hợp giữa độ bền và độ dẻo. Vị thế thị trường của nó vẫn vững chắc nhờ tính linh hoạt và hiệu quả về chi phí.

Tên thay thế, Tiêu chuẩn và Tương đương

Tổ chức tiêu chuẩn	Chỉ định/Cấp bậc	Quốc gia/Khu vực xuất xứ	Ghi chú/Nhận xét
Liên Hiệp Quốc	G10400	Hoa Kỳ	Tương đương gần nhất với AISI 1040
AISI/SAE	1040	Hoa Kỳ	Thường được sử dụng cho các ứng dụng kết cấu
Tiêu chuẩn ASTM	A36	Hoa Kỳ	Thép kết cấu có hàm lượng cacbon thấp hơn
VI	S235JR	Châu Âu	Có thể so sánh được nhưng có độ bền kéo thấp hơn
ĐẠI HỌC	C45	Đức	Tính chất tương tự, nhưng có các nguyên tố hợp kim khác nhau
Tiêu chuẩn Nhật Bản	S45C	Nhật Bản	Tương đương với sự khác biệt nhỏ về thành phần
Anh	Câu 345B	Trung Quốc	Độ bền kéo cao hơn, phù hợp cho các ứng dụng kết cấu
Tiêu chuẩn ISO	1.0503	Quốc tế	Thép kết cấu mục đích chung

Lưu ý : Trong khi nhiều loại được coi là tương đương, sự khác biệt nhỏ trong thành phần có thể ảnh hưởng đến hiệu suất. Ví dụ, AISI 1040 có hàm lượng mangan cao hơn một số loại tương đương của Châu Âu, có thể tăng cường khả năng tôi luyện.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
C (Cacbon)	0,3 - 0,6
Mn (Mangan)	0,6 - 1,65
Si (Silic)	0,15 - 0,4
Cr (Crom)	0,0 - 0,5
Ni (Niken)	0,0 - 0,5
P (Phốt pho)	≤ 0,04
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,05

Vai trò chính của cacbon trong thép cacbon trung bình là tăng cường độ cứng và độ bền. Mangan cải thiện khả năng làm cứng và độ bền kéo, trong khi silic góp phần khử oxy trong quá trình luyện thép và tăng cường độ bền. Crom và niken có thể cải thiện khả năng chống ăn mòn và độ dẻo dai, đặc biệt là trong các ứng dụng cụ thể.

Tính chất cơ học

Tài sản	Tình trạng/Tính khí	Nhiệt độ thử nghiệm	Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị đo lường)	Giá trị/Phạm vi điển hình (Anh)	Tiêu chuẩn tham chiếu cho phương pháp thử nghiệm
Độ bền kéo	Ủ	Nhiệt độ phòng	400 - 700MPa	58 - 102 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Ủ	Nhiệt độ phòng	250 - 450MPa	36 - 65 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Ủ	Nhiệt độ phòng	20-30%	20-30%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (Brinell)	Ủ	Nhiệt độ phòng	150 - 250 HB	150 - 250 HB	Tiêu chuẩn ASTM E10
Sức mạnh tác động (Charpy)	Làm nguội & tôi luyện	-20 °C	30 - 50J	22 - 37 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Sự kết hợp của các tính chất cơ học này làm cho thép cacbon trung bình phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ dẻo dai cao, chẳng hạn như các bộ phận ô tô và các bộ phận kết cấu. Khả năng xử lý nhiệt của nó cho phép tùy chỉnh các tính chất để đáp ứng các điều kiện tải cụ thể.

Tính chất vật lý

Tài sản	Điều kiện/Nhiệt độ	Giá trị (Đơn vị đo lường)	Giá trị (Anh)
Tỉ trọng	Nhiệt độ phòng	7,85g/cm³	0,284 lb/in³
Điểm nóng chảy/Phạm vi	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Độ dẫn nhiệt	Nhiệt độ phòng	50 W/m·K	29 BTU·in/h·ft²·°F
Nhiệt dung riêng	Nhiệt độ phòng	0,46 kJ/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Điện trở suất	Nhiệt độ phòng	0,0000017 Ω·m	0,0000017 Ω·ft
Hệ số giãn nở nhiệt	Nhiệt độ phòng	11,5 x 10⁻⁶/K	6,4 x 10⁻⁶/°F

Các đặc tính vật lý chính như mật độ và điểm nóng chảy rất quan trọng đối với các ứng dụng liên quan đến môi trường nhiệt độ cao. Độ dẫn nhiệt rất quan trọng đối với các thành phần có thể trải qua những thay đổi nhiệt độ nhanh chóng, trong khi nhiệt dung riêng ảnh hưởng đến cách vật liệu phản ứng với tải nhiệt.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Clorua	Thay đổi	Môi trường xung quanh	Hội chợ	Nguy cơ ăn mòn rỗ
Axit sunfuric	Thấp	Môi trường xung quanh	Nghèo	Không khuyến khích
Nước biển	Thay đổi	Môi trường xung quanh	Hội chợ	Yêu cầu lớp phủ bảo vệ
Dung dịch kiềm	Thay đổi	Môi trường xung quanh	Tốt	Nói chung là kháng cự

Thép cacbon trung bình có khả năng chống ăn mòn vừa phải, đặc biệt là trong điều kiện khí quyển. Tuy nhiên, thép này dễ bị rỗ trong môi trường clorua và cần được bảo vệ trong điều kiện axit hoặc kiềm cao. So với thép không gỉ, thép cacbon trung bình cần các biện pháp bảo vệ bổ sung để ngăn ngừa ăn mòn.

Khả năng chịu nhiệt

Tài sản/Giới hạn	Nhiệt độ (°C)	Nhiệt độ (°F)	Nhận xét
Nhiệt độ dịch vụ liên tục tối đa	400 °C	752 °F	Thích hợp cho các ứng dụng kết cấu
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	500 °C	932 °F	Tiếp xúc ngắn hạn
Nhiệt độ đóng băng	600 °C	1112 °F	Nguy cơ oxy hóa
Bắt đầu xem xét về sức bền kéo dài	400 °C	752 °F	Quan trọng cho các ứng dụng dài hạn

Ở nhiệt độ cao, thép cacbon trung bình có thể duy trì các đặc tính cơ học của nó, nhưng phải cẩn thận để tránh bị oxy hóa và đóng cặn. Hiệu suất của vật liệu có thể giảm nếu tiếp xúc với nhiệt độ cao trong thời gian dài, đặc biệt là trong các ứng dụng liên quan đến tải trọng tuần hoàn.

Tính chất chế tạo

Khả năng hàn

Quy trình hàn	Kim loại phụ gia được đề xuất (Phân loại AWS)	Khí/Nhiệt che chắn điển hình	Ghi chú
MIG	ER70S-6	Argon + CO2	Tốt cho các phần mỏng
TIG	ER70S-2	Khí Argon	Thích hợp cho công việc chính xác
Gậy (SMAW)	E7018	-	Yêu cầu làm nóng trước cho các phần dày

Thép cacbon trung bình thường có thể hàn được, nhưng có thể cần phải gia nhiệt trước để giảm nguy cơ nứt. Xử lý nhiệt sau khi hàn có thể cải thiện độ bền của mối hàn. Các khuyết tật thường gặp bao gồm độ xốp và cắt rãnh, có thể giảm thiểu bằng kỹ thuật phù hợp.

Khả năng gia công

Thông số gia công	Thép Cacbon Trung Bình	AISI 1212	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	70	100	Thép cacbon trung bình có thể gia công được nhưng đòi hỏi phải lựa chọn dụng cụ cẩn thận.
Tốc độ cắt điển hình (Tiện)	30-50 m/phút	60-90 m/phút	Điều chỉnh dựa trên dụng cụ và thiết lập.

Thép cacbon trung bình có khả năng gia công tốt, nhưng sự hiện diện của cacbon có thể dẫn đến mòn dụng cụ. Nên sử dụng dụng cụ thép tốc độ cao hoặc cacbua để có hiệu suất tối ưu.

Khả năng định hình

Thép cacbon trung bình có thể được tạo hình thông qua cả quá trình nguội và nóng. Tạo hình nguội là khả thi, nhưng phải cẩn thận để tránh làm cứng khi gia công. Bán kính uốn tối thiểu nên được xem xét trong quá trình tạo hình để tránh nứt.

Xử lý nhiệt

Quy trình điều trị	Phạm vi nhiệt độ (°C/°F)	Thời gian ngâm điển hình	Phương pháp làm mát	Mục đích chính / Kết quả mong đợi
Ủ	600 - 700 °C / 1112 - 1292 °F	1 - 2 giờ	Không khí	Giảm độ cứng, tăng độ dẻo
Làm nguội	800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F	30 phút	Dầu hoặc Nước	Tăng độ cứng
Làm nguội	200 - 600 °C / 392 - 1112 °F	1 giờ	Không khí	Giảm độ giòn, tăng độ dai

Các quy trình xử lý nhiệt làm thay đổi đáng kể cấu trúc vi mô của thép cacbon trung bình, tăng cường các tính chất cơ học của nó. Làm nguội làm tăng độ cứng, trong khi ram làm giảm độ giòn, làm cho vật liệu phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.

Ứng dụng điển hình và mục đích sử dụng cuối cùng

Ngành/Lĩnh vực	Ví dụ ứng dụng cụ thể	Các tính chất chính của thép được sử dụng trong ứng dụng này	Lý do lựa chọn
Ô tô	Bánh răng	Độ bền cao, chống mài mòn	Độ bền dưới tải
Sự thi công	Dầm kết cấu	Sức mạnh, độ dẻo dai	Khả năng chịu tải
Máy móc	Trục	Độ bền, khả năng gia công	Linh kiện chính xác
Công cụ	Dụng cụ cắt	Độ cứng, khả năng chống mài mòn	Hiệu suất lâu dài

• Các ứng dụng khác bao gồm:
• Chốt
• lò xo
• Trục khuỷu
• Thiết bị nông nghiệp

Thép cacbon trung bình được lựa chọn cho các ứng dụng này vì khả năng chịu được ứng suất cơ học và tính linh hoạt trong quy trình sản xuất.

Những cân nhắc quan trọng, Tiêu chí lựa chọn và những hiểu biết sâu sắc hơn

Tính năng/Thuộc tính	Thép Cacbon trung bình	Tiêu chuẩn AISI 4140	AISI 1018	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Sức mạnh vừa phải	Độ bền cao	Sức mạnh thấp	4140 có độ bền cao hơn nhưng độ dẻo thấp hơn
Góc nhìn ăn mòn chính	Sức đề kháng công bằng	Sức đề kháng tốt	Sức đề kháng kém	4140 tốt hơn cho môi trường ăn mòn
Khả năng hàn	Tốt	Hội chợ	Xuất sắc	1018 dễ hàn hơn
Khả năng gia công	Vừa phải	Hội chợ	Tốt	1018 dễ gia công hơn
Khả năng định hình	Tốt	Hội chợ	Xuất sắc	1018 có khả năng định hình vượt trội
Chi phí tương đối xấp xỉ	Vừa phải	Cao hơn	Thấp hơn	Chi phí thay đổi tùy theo thành phần hợp kim
Khả năng cung cấp điển hình	Chung	Ít phổ biến hơn	Rất phổ biến	1018 có sẵn rộng rãi

Khi lựa chọn thép cacbon trung bình, cần cân nhắc đến hiệu quả về chi phí, tính khả dụng và các đặc tính cơ học cụ thể cần thiết cho ứng dụng. Mặc dù nó cung cấp sự cân bằng tốt giữa độ bền và độ dẻo, các loại thép thay thế có thể phù hợp hơn với các môi trường hoặc ứng dụng cụ thể.

Tóm lại, thép cacbon trung bình là vật liệu đa năng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau do các đặc tính cơ học và vật lý thuận lợi của nó. Hiểu được các đặc điểm, tính chất chế tạo và ứng dụng của nó có thể giúp các kỹ sư và nhà thiết kế đưa ra quyết định sáng suốt khi lựa chọn vật liệu cho các dự án của họ.