20# so với 25# – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

20# và 25# là hai nhãn hiệu phổ biến được sử dụng trong một số tiêu chuẩn khu vực (đặc biệt là tiêu chuẩn GB/GB/T của Trung Quốc) để xác định thép cacbon thường được sử dụng trong kỹ thuật nói chung, trục, ốc vít và kết cấu hàn. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường phải đối mặt với tình huống khó xử khi lựa chọn giữa hai loại: vật liệu có chi phí thấp hơn, dễ uốn hơn so với loại có hàm lượng cacbon cao hơn một chút, mang lại độ bền và khả năng chống mài mòn tốt hơn. Việc lựa chọn thường được quyết định bởi khả năng chịu tải yêu cầu, nhu cầu tạo hình hoặc hàn, khả năng gia công và các ràng buộc về chi phí.

Sự khác biệt chính giữa thép 20# và 25# nằm ở hàm lượng carbon và các hệ quả luyện kim của sự khác biệt về carbon đó — những yếu tố quyết định độ bền, độ dẻo và khả năng tôi. Vì hai loại thép này về mặt hóa học khá đơn giản (thép hợp kim thấp hoặc thép cacbon thông thường), các nhà thiết kế so sánh chúng trực tiếp khi chỉ định vật liệu cho các bộ phận cần cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai với khả năng chế tạo dễ dàng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• GB / GB/T (Trung Quốc): 20# (còn được viết là 20G trong một số ngữ cảnh), 25# (25G, v.v.) — thép cacbon thông thường được sử dụng cho mục đích kết cấu và cơ khí nói chung.
• JIS (Nhật Bản): Tương đương với cấp JIS-SC hoặc SCr tùy thuộc vào thành phần hóa học chính xác và mục đích sử dụng, nhưng phép ánh xạ trực tiếp một-một thì không chính xác.
• ASTM/ASME (Hoa Kỳ): Không có cấp ASTM trực tiếp nào có ký hiệu “#”; thép tương đương sẽ là thép mềm ít cacbon như A36 hoặc AISI 1020/1025 tùy thuộc vào hàm lượng C và Mn chính xác cũng như các yêu cầu về tính chất.
• EN (Châu Âu): Các loại thép tương đương được phân loại thành thép kết cấu không hợp kim như họ S235/S275 tùy thuộc vào mức độ tính chất cơ học.
• Phân loại: Cả thép 20# và 25# đều là thép cacbon thông thường (không gỉ, không phải hợp kim thấp có độ bền cao) trong thực tế thông thường; chúng không phải là thép dụng cụ, thép không gỉ hoặc HSLA ở dạng tiêu chuẩn của chúng.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	Điển hình 20# (phạm vi xấp xỉ)	Điển hình 25# (phạm vi xấp xỉ)
C (Cacbon)	0,17 – 0,24% khối lượng	0,22 – 0,30% khối lượng
Mn (Mangan)	0,25 – 0,60% khối lượng	0,25 – 0,70% khối lượng
Si (Silic)	≤ 0,35 wt% (thường là 0,02–0,30)	≤ 0,35 wt% (thường là 0,02–0,30)
P (Phốt pho)	≤ 0,035 wt% (tối đa)	≤ 0,035 wt% (tối đa)
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,035 wt% (tối đa)	≤ 0,035 wt% (tối đa)
Cr (Crom)	thường ≤ 0,30 wt%	thường ≤ 0,30 wt%
Ni (Niken)	dấu vết / không xác định	dấu vết / không xác định
Mo, V, Nb, Ti, B, N	không được cố ý thêm vào các cấp độ tiêu chuẩn; có thể có mức vết	giống như 20#

Lưu ý: Các giá trị là phạm vi điển hình thường thấy trong các thông số kỹ thuật thông dụng theo kiểu GB và quy trình sản xuất tại nhà máy. Giới hạn chính xác và các yếu tố bổ sung sẽ thay đổi tùy theo tiêu chuẩn, nhà máy và sản phẩm được thiết kế để rèn, xử lý nhiệt hay phục vụ đặc biệt.

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào - Carbon: Kiểm soát chính độ bền và độ cứng. Hàm lượng carbon cao hơn làm tăng độ bền kéo, độ bền chảy và độ cứng, nhưng làm giảm độ dẻo và khả năng hàn. - Mangan: Cải thiện độ cứng, độ bền kéo và khử oxy của thép. Mn cũng làm giảm độ giòn của lưu huỳnh ở một mức độ nào đó. - Silic, Cr, Ni, Mo: Khi có hàm lượng nhỏ, chúng làm thay đổi khả năng tôi luyện và độ dẻo dai; ở các cấp độ này, chúng thường ở mức thấp và không phải là chiến lược tôi luyện chính. - Tạp chất (P, S): Giữ ở mức thấp để duy trì độ dẻo dai và khả năng chống mỏi; lưu huỳnh có thể cải thiện khả năng gia công nếu được tăng lên một cách cố ý trong các biến thể cắt tự do.

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

Cấu trúc vi mô điển hình khi cán: - 20#: Chủ yếu là ferit với perlit phân tán. Hàm lượng cacbon thấp hơn đồng nghĩa với thành phần ma trận ferit lớn hơn và cấu trúc vi mô mềm hơn, dẻo hơn. - 25#: Tỷ lệ perlit tăng so với 20#, tạo ra cấu trúc dạng phiến mịn hơn khi làm nguội trong điều kiện tương tự; mật độ sai lệch cao hơn sau khi biến dạng.

Phản ứng xử lý nhiệt: - Chuẩn hóa: Cả hai loại đều phản ứng với quá trình chuẩn hóa bằng cách tinh chỉnh hạt; 25# sẽ tạo ra tỷ lệ thể tích perlit cao hơn và độ bền cao hơn một chút sau khi chuẩn hóa so với 20#. - Làm nguội và ram: Vì cả hai đều là thép cacbon thông thường hợp kim thấp nên khả năng làm cứng của chúng bị hạn chế. Thép 25# đạt độ cứng cao hơn sau khi làm nguội so với thép 20# trong điều kiện làm nguội tương đương do hàm lượng cacbon cao hơn, nhưng không đạt được khả năng làm cứng của thép hợp kim trung bình không có hợp kim bổ sung. - Xử lý nhiệt cơ học: Cán có kiểm soát và làm nguội nhanh có thể tăng cường độ bền và tinh chỉnh cấu trúc vi mô; 25# thường đạt mức độ bền cao hơn thông qua quá trình xử lý này nhưng độ dẻo sẽ giảm đi một phần.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	20# điển hình (đã cán/đã chuẩn hóa)	25# điển hình (đã cán/đã chuẩn hóa)
Độ bền kéo (MPa)	~350 – 500 MPa (phạm vi hoạt động điển hình)	~400 – 560 MPa (trung bình cao hơn)
Giới hạn chảy (MPa)	~215 – 315 MPa	~245 – 370 MPa
Độ giãn dài (%)	~26 – 40%	~18 – 30% (giảm so với 20#)
Độ bền va đập (J, định tính)	Nói chung tốt ở nhiệt độ môi trường xung quanh; độ bền ở nhiệt độ thấp tốt hơn 25#	Tốt ở nhiệt độ môi trường xung quanh; thấp hơn 20# trong điều kiện xử lý tương tự
Độ cứng (HB)	~110 – 160 HB	~130 – 180 HB

Lưu ý: Đây là các phạm vi đại diện cho điều kiện cán nóng hoặc chuẩn hóa. Các giá trị cụ thể phụ thuộc vào thành phần hóa học chính xác, độ dày tiết diện và quá trình xử lý nhiệt/cơ học. Thép 25# thường cứng hơn và bền hơn do hàm lượng carbon cao hơn và hàm lượng perlit cao hơn, trong khi thép 20# thường dẻo hơn và bền hơn trong điều kiện tương đương.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn của thép cacbon thường chủ yếu được kiểm soát bởi hàm lượng cacbon và độ tôi. Hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng nguy cơ hình thành mactenxit cứng, giòn trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và do đó làm tăng khả năng nứt nguội.

Công thức đánh giá hữu ích (hướng dẫn định tính): - Carbon tương đương (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (bảo thủ hơn): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích: - 20# (C thấp hơn) thường sẽ cho giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp hơn 25#, ngụ ý khả năng hàn dễ hơn, yêu cầu làm nóng trước ít hơn và nguy cơ nứt vùng HAZ thấp hơn. - 25# (cao hơn C) thường đòi hỏi phải thực hành hàn cẩn thận hơn — làm nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các đường hàn và xử lý nhiệt sau khi hàn trong các ứng dụng quan trọng — đặc biệt là đối với các phần dày hơn. - Hợp kim vi mô có thể nâng cao khả năng tôi luyện ngay cả khi hàm lượng hợp kim tổng thể thấp; vì cả hai loại thép này thường là cacbon thông thường nên hiệu ứng hợp kim bị hạn chế so với thép HSLA.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả thép 20# và 25# đều không phải thép không gỉ; khả năng chống ăn mòn tương đương nhưng kém hơn so với thép không gỉ. Các biện pháp bảo vệ bao gồm sơn/phủ, mạ kẽm nhúng nóng, mạ điện, tra dầu hoặc sơn lót chống ăn mòn.
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho các loại thép không gỉ này, nhưng công thức để so sánh thép không gỉ là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Lưu ý khi lựa chọn: Nếu cần khả năng chống ăn mòn hơn là thép cacbon tối ưu hóa chi phí, thì việc chỉ định loại thép không gỉ hoặc hợp kim chống ăn mòn là cách tiếp cận đúng đắn hơn là dựa vào loại thép 20# hoặc 25# có lớp phủ khi cần hiệu suất lâu dài hoặc trong môi trường khắc nghiệt.

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

• Tạo hình và uốn cong: 20# dễ tạo hình hơn do có giới hạn chảy thấp hơn và độ giãn dài cao hơn; lực tạo hình thấp hơn và độ đàn hồi thấp hơn là đặc trưng.
• Làm việc nguội: Thép 25# cứng lại nhanh hơn và có thể cần lực tạo hình cao hơn cũng như kiểm soát dụng cụ chặt chẽ hơn.
• Khả năng gia công: Việc tăng hàm lượng carbon và perlit trong thép 25# thường làm tăng độ bền và độ cứng; khả năng gia công phụ thuộc vào cấu trúc vi mô và hàm lượng lưu huỳnh/phốt pho. Nhìn chung, thép 25# có thể khó gia công hơn một chút (lực cắt cao hơn, dụng cụ mài mòn nhanh hơn) so với thép 20# trong cùng điều kiện.
• Hoàn thiện bề mặt: Cả hai loại đều có thể được mài bề mặt, đánh bóng hoặc mạ. Độ cứng cao hơn 25# có thể yêu cầu lựa chọn dụng cụ mài mạnh hơn.

8. Ứng dụng điển hình

20# (sử dụng phổ biến)	25# (sử dụng phổ biến)
Các thành phần cấu trúc, ống có đường kính nhỏ, chế tạo chung trong đó độ dẻo và khả năng hàn được ưu tiên	Trục, trục xe, đinh tán, bu lông và các bộ phận cần độ bền hoặc khả năng chống mài mòn cao hơn
Khung máy, cụm hàn, rèn đa năng	Bánh răng chịu tải trung bình và các bộ phận chịu mài mòn nhẹ (khi không cần hợp kim)
Các bộ phận chế tạo giá rẻ, các thành phần được sơn hoặc phủ	Các thành phần đòi hỏi độ cứng cao hơn sau khi xử lý nhiệt hoặc làm cứng

Cơ sở lựa chọn: - Chọn thép 20# khi tạo hình, hàn, độ dẻo và chi phí là những mối quan tâm chính. - Chọn 25# khi cần cường độ cao hơn, khả năng chống mài mòn tăng vừa phải hoặc tiết diện nhỏ hơn đòi hỏi khả năng chịu tải cao hơn và có thể thực hiện các biện pháp hàn có kiểm soát.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Loại 20# thường rẻ hơn một chút so với loại 25# tính theo tấn do hàm lượng carbon thấp hơn (chi phí sản xuất chênh lệch không đáng kể nhưng giá thị trường thường ưu tiên loại C thấp hơn). Chênh lệch chi phí không đáng kể.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều được cung cấp rộng rãi dưới dạng thanh, tấm, lá và rèn tại các khu vực bán thép GB/Trung Quốc. Thép 20# có thể được dự trữ phổ biến hơn trong kho hàng đa dụng; thép 25# thường được sử dụng cho các ứng dụng cơ khí.
• Dạng sản phẩm: Thanh tròn, tấm cán nóng và ống hàn là phổ biến. Thời gian giao hàng và tình trạng sẵn có phụ thuộc vào ưu tiên sản xuất của nhà máy và nhu cầu của khu vực.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	20#	25#
Khả năng hàn	Tốt (C thấp hơn, dễ hơn)	Trung bình (C cao hơn, cẩn thận hơn)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ dẻo dai/dẻo dai tốt hơn ở cường độ thấp hơn	Độ bền cao hơn, độ dẻo thấp hơn so với 20#
Trị giá	Thấp hơn / tiết kiệm	Cao hơn một chút

Chọn 20# nếu: - Thiết kế đòi hỏi khả năng hàn tốt và độ dẻo cao (ví dụ, kết cấu hàn rộng, tạo hình phức tạp). - Ưu tiên hàng đầu là tính nhạy cảm về chi phí và tính dễ chế tạo. - Các bộ phận chịu tải trọng va đập hoặc yêu cầu độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp tốt hơn trong các ứng dụng thép cacbon đơn giản.

Chọn 25# nếu: - Cần độ bền hoặc độ cứng cao hơn mà không cần chuyển sang thép hợp kim trung bình. - Kích thước hoặc hình dạng của linh kiện đòi hỏi khả năng chịu tải cao hơn với trọng lượng tăng hạn chế. - Kế hoạch chế tạo bao gồm các quy trình hàn được kiểm soát (làm nóng trước, vật tư tiêu hao phù hợp) hoặc bộ phận sẽ được xử lý nhiệt/ram để đạt được đặc tính mục tiêu.

Lưu ý kết luận: Quyết định chọn thép 20# so với 25# chủ yếu là sự đánh đổi về hàm lượng carbon: độ bền và độ cứng cao hơn một chút nhưng lại giảm độ dẻo và khả năng hàn. Đối với các ứng dụng quan trọng đòi hỏi cả độ bền cao hơn và độ dẻo dai đáng tin cậy, hãy cân nhắc sử dụng vật liệu hợp kim trung bình hoặc HSLA được thiết kế với các đặc tính đã được ghi nhận thay vì chỉ dựa vào hàm lượng carbon cao hơn.