10# so với 20# – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

10# và 20# là hai loại thép cacbon thường được sử dụng rộng rãi trong sản xuất và xây dựng, thường được chỉ định trong chuỗi cung ứng của Trung Quốc và khu vực. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc giữa chi phí, khả năng hàn, khả năng định hình và độ bền khi lựa chọn giữa chúng. Bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc một chi tiết cần độ dẻo cao và dễ ghép nối (ưu tiên lựa chọn hàm lượng cacbon thấp) hay độ bền và khả năng chống mài mòn cao hơn (ưu tiên lựa chọn hàm lượng cacbon cao hơn).

Sự khác biệt kỹ thuật chính giữa các loại thép này là hàm lượng carbon: loại thép có hàm lượng carbon thấp hơn tạo ra vật liệu mềm hơn, dẻo hơn với khả năng hàn và tạo hình vượt trội, trong khi loại thép có hàm lượng carbon cao hơn làm tăng độ bền và khả năng tôi cứng, nhưng lại giảm một phần độ dẻo và dễ hàn. Vì cả hai đều là thép carbon thông thường với các nguyên tố vi lượng tương tự nhau, chúng thường được so sánh cho các chi tiết cần cân bằng giữa khả năng gia công, phản ứng xử lý nhiệt và chi phí.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• GB (Trung Quốc): 10# và 20# là các ký hiệu thép cacbon thông thường trong các tiêu chuẩn của Trung Quốc (thường được sử dụng trong thông số kỹ thuật sản phẩm GB/T).
• JIS (Nhật Bản): Các cấp danh nghĩa tương đương trong JIS sử dụng tên dựa trên carbon số (ví dụ: S10C, S20C là các cấp tương đương phổ biến).
• ASTM/ASME: Các tiêu chuẩn của Hoa Kỳ thường sử dụng danh pháp cấp A36, A106 hoặc SAE; không phải lúc nào cũng có các giá trị tương đương trực tiếp vì cấp ASTM chỉ rõ các yêu cầu về tính chất cơ học thay vì cách đặt tên đơn giản là “10#”.
• EN (Châu Âu): Cấp EN phân loại thép theo yêu cầu về hóa học và cơ học (ví dụ: C10, C20 về mặt khái niệm có thể so sánh được nhưng phải tham chiếu chéo).
• Phân loại: Cả thép 10# và 20# đều là thép cacbon thông thường (không phải hợp kim, không phải thép không gỉ, không phải HSLA, không phải thép dụng cụ). Chúng thường được sử dụng làm thép cacbon thấp (10#) và thép cacbon trung bình thấp (20#) trong sản xuất.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	Phạm vi điển hình cho 10# (xấp xỉ)	Phạm vi điển hình cho 20# (xấp xỉ)
Cacbon (C)	0,06–0,12% khối lượng	0,17–0,24% khối lượng
Mangan (Mn)	0,25–0,60% khối lượng	0,25–0,65% khối lượng
Silic (Si)	0,02–0,35% khối lượng	0,02–0,35% khối lượng
Phốt pho (P)	≤ 0,035 wt% (tối đa)	≤ 0,035 wt% (tối đa)
Lưu huỳnh (S)	≤ 0,035 wt% (tối đa)	≤ 0,035 wt% (tối đa)
Crom (Cr)	thường ≤ 0,30 wt%	thường ≤ 0,30 wt%
Niken (Ni)	thường ≤ 0,30 wt%	thường ≤ 0,30 wt%
Molypden (Mo)	thường ≤ 0,08 wt%	thường ≤ 0,08 wt%
Vanadi (V)	theo dõi nếu có	theo dõi nếu có
Niobi (Nb)	theo dõi nếu có	theo dõi nếu có
Titan (Ti)	theo dõi nếu có	theo dõi nếu có
Bo (B)	thường không được thêm vào	thường không được thêm vào
Nitơ (N)	dấu vết	dấu vết

Lưu ý: Đây là các ngưỡng thành phần điển hình cho thép cacbon trơn thương mại thông thường 10# và 20#; tiêu chuẩn sản phẩm và nhà sản xuất có thể quy định các giới hạn hơi khác nhau. Chiến lược hợp kim cho cả hai loại thép này tập trung vào hàm lượng các nguyên tố hợp kim thấp: cacbon chủ yếu chi phối độ bền và khả năng tôi cứng, mangan điều chỉnh độ bền và khả năng khử oxy, và silic là chất khử oxy giúp tăng nhẹ độ bền.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Carbon: kiểm soát chính độ bền kéo, độ cứng và khả năng tôi luyện; hàm lượng carbon cao hơn làm tăng độ bền và khả năng chống mài mòn nhưng làm giảm độ dẻo và khả năng hàn. - Mangan: tăng độ bền kéo, độ cứng và độ dẻo dai khi kéo; giảm thiểu tác hại của lưu huỳnh (tạo thành MnS). - Silic: chất tăng cường và khử oxy dạng dung dịch rắn nhỏ; Si quá nhiều có thể làm giảm chất lượng bề mặt trong một số quy trình. - Các nguyên tố vi lượng (Cr, Ni, Mo): khi có hàm lượng nhỏ, chúng làm tăng độ cứng và độ bền một chút nhưng không phải là đặc trưng của các loại thép này.

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

Cấu trúc vi mô điển hình: - 10#: Trong điều kiện cán hoặc chuẩn hóa, cấu trúc vi mô chủ yếu là ferit với sự phân tán perlit mịn. Hàm lượng cacbon thấp hạn chế thành phần perlit và ngăn ngừa lượng lớn martensite sau khi làm nguội ở tốc độ vừa phải. - 20#: Hàm lượng carbon cao hơn tạo ra hàm lượng perlit lớn hơn khi cán và làm tăng khả năng hình thành martensite hoặc bainit khi làm nguội hoặc tôi nhanh hơn.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Ủ/Ủ hoàn toàn: Cả hai cấp độ đều sẽ làm mềm, giảm ứng suất dư và tạo ra hỗn hợp ferit-perlit thô. Cấp độ 10 đạt trạng thái mềm dễ dàng và nhanh hơn do hàm lượng carbon thấp hơn. - Chuẩn hóa: Tạo ra cấu trúc vi mô ferit-pearlit mịn hơn và độ dẻo dai được cải thiện so với khi cán; có lợi cho cả hai loại nhưng mang lại độ bền chuẩn hóa cao hơn cho loại 20# do hàm lượng carbon cao hơn. - Làm nguội và ram (Q&T): Thép 20# phản ứng tốt hơn với Q&T vì hàm lượng cacbon cao hơn và khả năng làm cứng cao hơn một chút cho phép phát triển các cấu trúc martensitic có độ bền cao hơn sau khi làm nguội và ram có kiểm soát. Thép 10# có khả năng làm cứng hạn chế—việc sản xuất martensitic có độ cứng cao đồng đều khó hơn và thường không hiệu quả về mặt chi phí. - Xử lý nhiệt cơ: Cán có kiểm soát và làm nguội nhanh có thể tăng cường độ cho cả hai loại; hàm lượng cacbon quyết định sự kết hợp có thể đạt được giữa độ bền và độ dẻo dai.

4. Tính chất cơ học

Thuộc tính (điển hình, phụ thuộc vào quá trình xử lý)	10# (phạm vi xấp xỉ)	20# (phạm vi xấp xỉ)
Độ bền kéo (MPa)	~320–470	~380–540
Giới hạn chảy (MPa)	~140–310	~200–370
Độ giãn dài (%)	~20–40	~12–30
Độ bền va đập (Charpy V-notch, J)	thường cao hơn ở nhiệt độ thấp trong 10# (tùy thuộc vào quy trình)	thấp hơn 10# ở cùng một phương pháp xử lý, nhưng có thể cải thiện bằng cách xử lý
Độ cứng (HB hoặc HRC)	thấp hơn ở điều kiện danh nghĩa (mềm hơn)	cao hơn ở điều kiện danh nghĩa (khó hơn)

Ghi chú: Các giá trị chỉ mang tính chất tham khảo và chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi hình dạng sản phẩm (tấm, thanh, que), độ dày và lịch sử nhiệt-cơ học. Nhìn chung, thép 20# có độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn do hàm lượng carbon cao hơn và tỷ lệ perlit lớn hơn; thép 10# có độ dẻo cao hơn và thường có độ dai ở nhiệt độ thấp vượt trội khi được xử lý tương tự.

Giải thích: - Độ bền: 20# > 10# do hàm lượng carbon cao hơn và tăng cường độ bền của perlit/cấu trúc vi mô. - Độ dẻo dai/Độ dai: 10# > 20# trong điều kiện tương đương vì hàm lượng carbon thấp hơn làm giảm độ giòn và cho phép nhiều ferit hơn. - Độ cứng/Khả năng chống mài mòn: 20# thường cứng hơn và tốt hơn đối với các bộ phận dễ bị mài mòn sau khi xử lý nhiệt tối thiểu.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép cacbon chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng cacbon, cacbon tương đương (độ tôi) và các nguyên tố còn lại. Hai chỉ số thực nghiệm thường được sử dụng là cacbon tương đương IIW và tham số Pcm:

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

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

Giải thích định tính: - 10# sẽ có $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp hơn do hàm lượng carbon thấp hơn, cho thấy khả năng hàn nhìn chung tuyệt vời với yêu cầu gia nhiệt trước thấp và nguy cơ nứt nguội tối thiểu khi sử dụng các quy trình thích hợp. - Thép 20# có hàm lượng cacbon cao hơn, làm tăng $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$, do đó làm tăng nguy cơ cứng hóa martensitic ở vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (HAZ). Đối với các tiết diện dày hơn hoặc mối nối bị hạn chế, có thể khuyến nghị gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) phù hợp. - Hợp kim vi mô và hàm lượng mangan cao hơn ảnh hưởng khiêm tốn đến khả năng làm cứng; tuy nhiên, các loại cacbon thông thường này hiếm khi chứa đủ hợp kim để thay đổi đáng kể quy trình hàn ngoài những quy trình được xác định bởi hàm lượng cacbon và độ dày của mặt cắt.

Thực hành tốt nhất: sử dụng đầu vào nhiệt thấp hơn và làm mát có kiểm soát trong 20# ở các phần dày hơn và chỉ định nung nóng trước hoặc PWHT theo thông số kỹ thuật của quy trình hàn khi vượt quá ngưỡng tương đương cacbon.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả thép 10# và 20# đều là thép cacbon không gỉ; khả năng chống ăn mòn nội tại của hai loại thép này khá hạn chế và tương đương nhau. Việc lựa chọn giữa chúng nên cân nhắc đến nhu cầu bảo vệ trong môi trường ăn mòn.
• Các biện pháp giảm thiểu điển hình: mạ kẽm, phủ lớp bảo vệ (sơn, sơn tĩnh điện), mạ điện hoặc chất ức chế ứng dụng cụ thể. Đối với các bộ phận kết cấu ngoài trời, mạ kẽm nhúng nóng hoặc hệ thống sơn bền chắc là phổ biến.
• PREN (Số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho thép cacbon thông thường; nó có liên quan đến các loại thép không gỉ:

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

• Mức độ ăn mòn, bảo vệ catốt và lựa chọn hệ thống phủ phải dựa trên môi trường, tuổi thọ dự kiến ​​và chế độ kiểm tra thay vì dựa trên sự khác biệt nhỏ về thành phần giữa 10# và 20#.

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

• Cắt và gia công: 20# cứng hơn và thường đòi hỏi lực cắt cao hơn, đồng thời có thể làm giảm tuổi thọ dụng cụ so với 10#. Tuy nhiên, sự khác biệt là không đáng kể đối với phạm vi hàm lượng carbon thấp; chiến lược gia công và tốc độ gia công nên được điều chỉnh để tăng hàm lượng carbon.
• Tạo hình và uốn cong: 10# thích hợp cho việc tạo hình nguội, kéo sâu và uốn bán kính hẹp vì độ dẻo cao hơn. 20# dễ bị bật trở lại và cần bán kính uốn lớn hơn hoặc lực mạnh hơn.
• Nối và cố định: 10# dễ tạo ren nguội và dễ nối bằng hàn hơn; 20# cho phép cố định chắc chắn hơn nhưng có thể cần xử lý nhiệt sau khi nối trong các ứng dụng quan trọng, có độ bền cao.
• Hoàn thiện bề mặt: cả hai loại đều chấp nhận các thao tác hoàn thiện thông thường (mài, đánh bóng, phủ); 20# có thể có độ cứng cao hơn, ảnh hưởng đến chất lượng hoàn thiện cuối cùng đối với dung sai rất chặt chẽ.

8. Ứng dụng điển hình

10# (ít carbon)	20# (carbon cao hơn)
Các thành phần được tạo hình nguội, các bộ phận kết cấu chung, tấm ốp bên trong ô tô, giá đỡ nhẹ, các cụm lắp ráp hàn trong đó độ dẻo và khả năng hàn là quan trọng	Trục, trục xe, đinh tán, bu lông (nơi cần độ bền hoặc khả năng chống mài mòn cao hơn), các bộ phận kết cấu có yêu cầu tải trọng cao hơn, các bộ phận máy được hưởng lợi từ thép có thể tôi cứng
Trục ứng suất thấp, kết nối đinh tán hoặc bu lông, đường ống áp suất thấp (không quan trọng)	Các bộ phận được dùng để xử lý nhiệt nhằm tăng độ bền (tôi/ram hoặc chuẩn hóa)
Dây kéo, ống định hình, ốc vít cần định hình đáng kể	Các bộ phận dễ bị mài mòn (sau khi xử lý nhiệt thích hợp), các bộ phận rèn có độ bền trung bình

Cơ sở lựa chọn: - Chọn loại 10# khi tạo hình, hàn và hoàn thiện bề mặt vì dễ gia công và yêu cầu về độ bền ở mức vừa phải. - Chọn 20# khi cần độ bền cao hơn khi sản xuất hoặc có khả năng tăng độ bền thông qua xử lý nhiệt.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Cả hai loại thép này đều là thép cacbon thông dụng và nằm trong số những lựa chọn có chi phí thấp nhất. Thép 10# thường rẻ hơn một chút do hàm lượng cacbon thấp hơn và quy trình xử lý đơn giản hơn, nhưng giá thị trường bị chi phối bởi cơ cấu sản phẩm nhà máy thép và nhu cầu thay vì chi phí cố hữu của loại thép đó.
• Tính khả dụng: Cả hai đều được cung cấp rộng rãi dưới dạng thanh, que, tấm và dây. Thép 10# và 20# có chuỗi cung ứng rộng khắp ở các khu vực sử dụng danh pháp GB/JIS. Thời gian giao hàng thường ngắn đối với các kích thước tiêu chuẩn; các dạng đặc biệt (đường kính lớn, thanh có dung sai chặt chẽ hoặc báo cáo thử nghiệm nhà máy được chứng nhận) có thể làm tăng chi phí và thời gian giao hàng.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	10#	20#
Khả năng hàn	Xuất sắc (CE thấp hơn)	Tốt đến trung bình (cần làm nóng trước/PWHT ở các phần dày hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền thấp hơn, độ dẻo dai/độ bền cao hơn	Độ bền cao hơn, ít dẻo hơn trừ khi được xử lý đặc biệt
Chi phí tương đối	Thấp hơn một chút hoặc tương đương	Cao hơn một chút hoặc tương đương

Khuyến nghị: - Chọn 10# nếu bạn cần khả năng định hình vượt trội, hàn dễ hơn, độ dẻo cao hơn, nguy cơ nứt vùng HAZ thấp hơn hoặc chế tạo khối lượng lớn với chi phí nhạy cảm khi không mong muốn xử lý sau khi hàn. - Chọn 20# nếu bạn yêu cầu độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn khi sản xuất, khả năng chống mài mòn được cải thiện hoặc tùy chọn xử lý nhiệt các thành phần để đạt mức độ bền cao hơn và kế hoạch chế tạo có thể xử lý nhiệt trước, làm mát có kiểm soát hoặc PWHT.

Lưu ý cuối cùng: Việc lựa chọn vật liệu cần xem xét hình dạng chi tiết, độ dày tiết diện, tải trọng dự kiến, phương pháp ghép nối và bất kỳ quy trình xử lý nhiệt hậu sản xuất nào cần thiết. Khi còn nghi ngờ, hãy nêu rõ các yêu cầu về đặc tính vật liệu (độ bền kéo, độ chảy dẻo, độ giãn dài, độ dai) và các hạn chế sản xuất thay vì chỉ dựa vào tên mác thép, và tham khảo chứng chỉ nhà máy hoặc dữ liệu luyện kim đủ tiêu chuẩn cho các ứng dụng quan trọng.