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

Thép cacbon trung bình, thường được gọi là thép trung bình, được phân loại là loại thép cacbon có hàm lượng cacbon thường dao động từ 0,3% đến 0,6%. Loại thép này chủ yếu được đặc trưng bởi sự cân bằng giữa độ bền, độ dẻo và khả năng chống mài mòn, khiến nó phù hợp với nhiều ứng dụng kỹ thuật. Nguyên tố hợp kim chính trong thép cacbon trung bình là cacbon, có ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính cơ học và hiệu suất tổng thể của nó.

Tổng quan toàn diện

Thép cacbon trung bình được công nhận rộng rãi vì tính linh hoạt của nó và thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi sự kết hợp giữa độ bền và độ dẻo dai. Sự hiện diện của cacbon làm tăng độ cứng và độ bền của thép, trong khi hàm lượng cacbon vừa phải cho phép khả năng hàn và gia công tốt. Loại thép này thường được sử dụng trong sản xuất các bộ phận ô tô, máy móc và các ứng dụng kết cấu.

Ưu điểm của thép cacbon trung bình:
- Độ bền và độ dẻo dai: Hàm lượng carbon mang lại độ bền kéo và khả năng chống va đập tuyệt vời.
- Khả năng chống mài mòn: Thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu khả năng chống mài mòn.
- Hiệu quả về mặt chi phí: Nhìn chung có giá cả phải chăng hơn so với thép hợp kim cao cấp nhưng vẫn mang lại hiệu suất tốt.

Hạn chế của thép cacbon trung bình:
- Khả năng chống ăn mòn: Thép cacbon trung bình dễ bị ăn mòn hơn so với thép không gỉ.
- Giòn ở nhiệt độ cao: Có thể trở nên giòn nếu không được xử lý nhiệt đúng cách.
- Độ dẻo hạn chế: Mặc dù có độ dẻo tốt hơn thép cacbon cao nhưng có thể không phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi biến dạng lớn.

Trong lịch sử, thép cacbon trung bình đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển công nghiệp, đặc biệt là trong sự phát triển của ngành ô tô và sản xuất. Sự cân bằng các đặc tính của nó đã khiến nó trở thành vật liệu chính trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật.

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 trục và bánh răng
Tiêu chuẩn ASTM	A36	Hoa Kỳ	Thép kết cấu có hàm lượng cacbon thấp hơn
VI	C40E	Châu Âu	Sự khác biệt nhỏ về thành phần
ĐẠI HỌC	C45	Đức	Tính chất tương tự, hàm lượng carbon cao hơn một chút
Tiêu chuẩn Nhật Bản	S45C	Nhật Bản	Tương đương với AISI 1045
Anh	Câu 345B	Trung Quốc	Thép kết cấu có ứng dụng tương tự

Bảng trên nêu bật các tiêu chuẩn và giá trị tương đương khác nhau cho thép cacbon trung bình. Đáng chú ý, trong khi các cấp như AISI 1040 và DIN C45 thường được coi là tương đương, chúng có thể biểu hiện sự khác biệt tinh tế về thành phần và tính chất cơ học có thể ảnh hưởng đến hiệu suất trong các ứng dụng cụ thể.

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
P (Phốt pho)	≤ 0,04
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,05

Các nguyên tố hợp kim chính trong thép cacbon trung bình bao gồm cacbon và mangan. Cacbon rất quan trọng để tăng độ cứng và độ bền, trong khi mangan cải thiện khả năng tôi và độ bền kéo. Silic đóng vai trò là chất khử oxy trong quá trình sản xuất thép, và phốt pho và lưu huỳnh được kiểm soát để giảm thiểu tác động có hại của chúng đối với độ dẻo và độ dai.

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	15-25%	15-25%	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 V-notch	-20°C	20 - 50J	15 - 37 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Tính chất cơ học của thép cacbon trung bình làm cho nó phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ dẻo dai cao. Sự kết hợp giữa độ bền kéo và độ bền chảy cho phép hoạt động hiệu quả dưới tải trọng cơ học, trong khi tỷ lệ giãn dài cho thấy độ dẻo tốt, cho phép vật liệu biến dạng mà không bị gãy.

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	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Độ dẫn nhiệt	Nhiệt độ phòng	50 W/m·K	34,5 BTU·in/(hr·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·trong

Mật độ của thép cacbon trung bình góp phần vào tổng trọng lượng và tính toàn vẹn về mặt cấu trúc của nó, trong khi điểm nóng chảy cho biết tính phù hợp của nó đối với các ứng dụng nhiệt độ cao. Độ dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng rất quan trọng đối với các ứng dụng liên quan đến truyền nhiệt, chẳng hạn như trong các bộ phận ô tô.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C/°F)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Khí quyển	Thay đổi	Môi trường xung quanh	Hội chợ	Dễ bị rỉ sét
Clorua	Thay đổi	Môi trường xung quanh	Nghèo	Nguy cơ ăn mòn rỗ
Axit	Thay đổi	Môi trường xung quanh	Nghèo	Không khuyến khích
Kiềm	Thay đổi	Môi trường xung quanh	Hội chợ	Sức đề kháng vừa phải

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 rỉ sét và rỗ trong môi trường giàu clorua, chẳng hạn như vùng ven biển hoặc muối phá băng. So với thép không gỉ, thép cacbon trung bình cần lớp phủ bảo vệ hoặc xử lý trong môi trường ăn mòn để tăng tuổi thọ.

Khi so sánh với các loại thép không gỉ như AISI 304, có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, thép cacbon trung bình ít phù hợp hơn cho các ứng dụng tiếp xúc với môi trường khắc nghiệt. Tuy nhiên, nó có thể vượt trội hơn thép cacbon thấp về khả năng chống mài mòn và độ bền.

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 nhiệt độ vừa phải
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	500 °C	932 °F	Chỉ tiếp xúc trong thời gian ngắn
Nhiệt độ đóng băng	600 °C	1112 °F	Nguy cơ oxy hóa vượt quá nhiệt độ này
Cân nhắc về sức bền kéo dài bắt đầu từ khoảng	400 °C	752 °F	Khả năng biến dạng

Thép cacbon trung bình có thể chịu được nhiệt độ vừa phải, phù hợp cho các ứng dụng như linh kiện ô tô và máy móc. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao, thép có thể bị oxy hóa và mất các đặc tính cơ học, đòi hỏi phải cân nhắc cẩn thận trong thiết kế và ứng dụng.

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	Sự kết hợp và thâm nhập tốt
TIG	ER70S-2	Khí Argon	Mối hàn sạch, cần phải gia nhiệt trước
Dán	E7018	Không có	Thích hợp cho các phần dày hơn

Thép cacbon trung bình thường có thể hàn được, nhưng có thể cần phải gia nhiệt trước để tránh nứt, đặc biệt là ở các phần dày hơn. Xử lý nhiệt sau khi hàn có thể tăng cường các đặc tính của vùng hàn, giảm ứng suất dư và cải thiện độ dẻo dai.

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	Khả năng gia công tốt, nhưng cứng hơn thép cacbon thấp
Tốc độ cắt điển hình (Tiện)	30-50 m/phút	60-80 m/phút	Sử dụng công cụ thép tốc độ cao

Thép cacbon trung bình có khả năng gia công tốt, mặc dù khó gia công hơn thép cacbon thấp. Tốc độ cắt và dụng cụ tối ưu phải được lựa chọn để đạt được độ hoàn thiện bề mặt và dung sai mong muốn.

Khả năng định hình

Thép cacbon trung bình có khả năng định hình vừa phải. Có thể định hình nguội hoặc nóng, nhưng phải cẩn thận để tránh làm cứng quá mức. Cần cân nhắc bán kính uốn tối thiểu trong quá trình định 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	700 - 800 °C / 1292 - 1472 °F	1 - 2 giờ	Không khí hoặc lò sưởi	Làm mềm, cải thiện độ dẻo
Làm nguội	800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F	30 phút	Nước hoặc dầu	Làm cứng, tăng cường độ
Làm nguội	400 - 600 °C / 752 - 1112 °F	1 giờ	Không khí	Giảm độ giòn, tăng độ dai

Các quy trình xử lý nhiệt như ủ, tôi và ram là cần thiết để tối ưu hóa các tính chất cơ học của thép cacbon trung bình. Các phương pháp xử lý này làm thay đổi cấu trúc vi mô, tăng cường độ cứng và độ bền trong khi cân bằng độ dẻo.

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 và trục	Độ bền cao, chống mài mòn	Cần thiết cho độ bền và hiệu suất
Sự thi công	Dầm kết cấu	Sức mạnh, độ bền	Hỗ trợ tải trọng nặng trong các kết cấu
Máy móc	Trục khuỷu	Độ bền, khả năng chống mỏi	Chịu được điều kiện tải trọng tuần hoàn

Thép cacbon trung bình thường được sử dụng trong các ứng dụng ô tô, xây dựng và máy móc do các đặc tính cơ học thuận lợi của nó. Độ bền và độ dẻo dai của nó làm cho nó trở nên lý tưởng cho các bộ phận chịu ứng suất và mài mòn đáng kể.

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 đắt 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	Vừa phải	Xuất sắc	1018 dễ hàn hơn
Khả năng gia công	Vừa phải	Vừa phải	Xuất sắc	1018 dễ gia công hơn
Khả năng định hình	Vừa phải	Nghèo	Tốt	1018 có thể định hình được nhiều hơn
Chi phí tương đối xấp xỉ	Vừa phải	Cao hơn	Thấp hơn	Những cân nhắc về chi phí có thể ảnh hưởng đến việc lựa chọn
Khả năng cung cấp điển hình	Có sẵn rộng rãi	Ít phổ biến hơn	Có sẵn rộng rãi	1018 được lưu trữ phổ biến hơn

Khi lựa chọn thép cacbon trung bình, cần cân nhắc đến các đặc tính cơ học, khả năng chống ăn mòn, khả năng hàn và chi phí. Mặc dù thép này cân bằng giữa độ bền và độ dẻo, nhưng các lựa chọn thay thế như AISI 4140 có thể được ưu tiên cho các ứng dụng đòi hỏi độ bền cao hơn, mặc dù chi phí cao hơn. Ngược lại, AISI 1018 có thể được lựa chọn cho các ứng dụng mà tính dễ gia công và hàn là tối quan trọng.

Tóm lại, thép cacbon trung bình là vật liệu đa năng đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng kỹ thuật khác nhau. Sự cân bằng các đặc tính của nó khiến nó trở thành lựa chọn phổ biến, nhưng việc cân nhắc cẩn thận các hạn chế và phương án thay thế của nó là điều cần thiết để có hiệu suất tối ưu trong các ứng dụng cụ thể.