45# so với T8 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường lựa chọn giữa thép xây dựng carbon trung bình và thép công cụ carbon cao khi chỉ định các chi tiết cân bằng giữa chi phí, độ bền, khả năng gia công và khả năng chống mài mòn. Bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc nên ưu tiên thép rẻ hơn, dễ hàn hơn cho trục và chi tiết rèn so với thép cứng hơn, chống mài mòn hơn cho lưỡi cắt, khuôn và dụng cụ tạo hình.

Ở cấp độ cao hơn, sự khác biệt chính là thép 45# là thép kết cấu carbon trung bình được tối ưu hóa về độ bền và độ dẻo dai sau khi xử lý nhiệt đơn giản, trong khi T8 là thép công cụ carbon cao được thiết kế để đạt được độ cứng và khả năng chống mài mòn cao sau khi tôi và ram. Những khác biệt này dẫn đến những lựa chọn tương phản về thiết kế, chế tạo và chi phí vòng đời.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• 45#: Ký hiệu phổ biến trong tiêu chuẩn GB của Trung Quốc (thường tương đương với AISI/SAE 1045). Được phân loại là thép cacbon trung bình, dùng làm trục, bánh răng và các bộ phận cơ khí nói chung.
• T8: Thuộc dòng thép dụng cụ “T” (thép dụng cụ các-bon) được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới; được chỉ định cho các ứng dụng dụng cụ có hàm lượng các-bon cao. Nó được phân loại là thép dụng cụ các-bon (nhóm thép dụng cụ), không phải thép không gỉ hoặc HSLA.

Các tiêu chuẩn liên quan khác mà bạn có thể gặp phải: - ASTM/ASME: Dòng AISI/SAE 10xx dành cho thép dụng cụ và thép cacbon trung bình (ví dụ: SAE 1045; SAE 1095 dành cho dụng cụ có hàm lượng cacbon cao hơn). - EN: Các loại thép tương tự EN mô tả các loại thép tương tự (ví dụ: C45 cho loại thép có hàm lượng cacbon trung bình). - JIS: Tiêu chuẩn Nhật Bản bao gồm các loại thép công cụ cacbon trong dòng T. - GB: Tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc sử dụng danh pháp 45# và T8 cho các cấp phổ biến được thảo luận ở đây.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là bảng thành phần đại diện. Đây là các phạm vi điển hình được sử dụng để minh họa sự khác biệt; hãy luôn xác nhận thành phần thực tế bằng giấy chứng nhận của nhà máy cho từng lô và tiêu chuẩn cụ thể.

Nguyên tố (wt%)	45# (đại diện)	T8 (đại diện)
C	0,42–0,50	0,70–0,95
Mn	0,50–0,80	0,20–0,60
Si	0,17–0,37	0,10–0,40
P	≤0,035	≤0,03–0,04
S	≤0,035	≤0,03–0,04
Cr	≤0,25 (thường là dấu vết)	dấu vết–0,50 (tùy thuộc vào thông số kỹ thuật)
Ni	dấu vết	dấu vết
Mo	dấu vết	dấu vết
V, Nb, Ti, B, N	dấu vết/tạp chất được kiểm soát	thường là dấu vết; một số biến thể có thể bao gồm V hoặc Cr

Ghi chú: - Thép 45# chủ yếu được gia cường bằng carbon với hàm lượng Mn và Si vừa phải để cải thiện khả năng làm cứng và độ bền; đây không phải là loại thép hợp kim được cố ý tạo ra. - T8 là thép công cụ có hàm lượng cacbon cao; cơ chế gia cường chính của nó là hàm lượng cacbon cao, cho phép đạt được độ cứng martensitic sau khi tôi. Một số biến thể dòng T có bổ sung một lượng nhỏ Cr, V hoặc W tùy thuộc vào loại thép công cụ cụ thể, nhưng thành phần T8 cổ điển chủ yếu là C cao với hàm lượng hợp kim hạn chế.

Hiệu ứng hợp kim (định tính): - Carbon: yếu tố chính quyết định khả năng tôi luyện và độ cứng; hàm lượng C cao hơn làm tăng độ cứng và khả năng chống mài mòn nhưng làm giảm khả năng hàn và độ dẻo. - Mangan và silic: tăng độ cứng và độ bền, khử oxy trong quá trình luyện thép. - Crom, vanadi, molypden: tăng khả năng làm cứng, khả năng chống mài mòn và khả năng chịu nhiệt nếu có hàm lượng đáng kể. - Các nguyên tố vi lượng và hợp kim vi mô (Nb, Ti, B) ảnh hưởng đến kích thước hạt, độ dẻo dai và khả năng tôi cứng khi sử dụng có chủ đích.

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

Cấu trúc vi mô: - 45#: Ở trạng thái cán hoặc chuẩn hóa, 45# thường thể hiện cấu trúc vi mô ferit-pearlit. Sau khi tôi và ram, hỗn hợp martensite/ferit ram thu được. Kích thước hạt và khoảng cách giữa các hạt perlit phụ thuộc vào quá trình làm nguội và nhiệt độ. - T8: Trong điều kiện ủ, T8 được hình cầu hóa hoặc perlit hóa với các hạt cementite để dễ gia công. Sau khi tôi cứng (làm nguội), nó tạo thành martensite với các cacbua còn lại; sau khi ram, một nền martensite ram với các cacbua phân bố tạo ra độ cứng và khả năng chống mài mòn cao.

Phản ứng xử lý nhiệt: - 45#: - Ủ: làm mềm để gia công (ferit + perlit). - Chuẩn hóa: làm mịn hạt, tăng độ bền và độ dẻo dai một chút. - Làm nguội và ram: có thể đạt độ bền từ trung bình đến cao với độ dẻo dai hợp lý; thường được sử dụng cho trục và bánh răng cần khả năng chống mài mòn. - T8: - Ủ cầu hóa: trạng thái mềm để gia công (carbide cầu hóa). - Làm cứng (austenitize + tôi): tạo ra độ cứng martensitic cao. - Tôi luyện: được thiết kế để mang lại phạm vi độ cứng rộng (nhiệt độ cao hơn → độ cứng thấp hơn và độ dẻo dai được cải thiện); ứng dụng điển hình yêu cầu độ cứng cao để cắt/chống mài mòn các thành phần.

Ý nghĩa thực tiễn: Cấu trúc vi mô của T8 sau khi tôi luyện thích hợp được tối ưu hóa để có độ cứng cao và khả năng chống mài mòn nhưng lại giảm độ dẻo và khả năng hàn; 45# có thể được thiết kế để cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai với độ dẻo dai tốt hơn và xử lý nhiệt dễ dàng hơn.

4. Tính chất cơ học

Các đặc tính cơ học tiêu biểu sẽ thay đổi tùy theo phương pháp xử lý nhiệt và nhà cung cấp. Bảng dưới đây so sánh các phạm vi ứng xử điển hình; hãy kiểm tra dữ liệu nhà cung cấp để thiết kế.

Tài sản	45# (điển hình, chuẩn hóa/điều chỉnh)	T8 (điển hình, ủ so với làm cứng)
Độ bền kéo	Trung bình: thường ở giữa hàng trăm MPa lên đến ~700–900 MPa sau khi xử lý nhiệt	Phạm vi rộng: thấp trong điều kiện ủ; rất cao (>1000 MPa) sau khi làm cứng/rau
Sức chịu lực	Trung bình: độ bền kéo tốt phù hợp với trục và bánh răng	Ủ ở nhiệt độ thấp; tôi luyện cho năng suất cao nhưng độ dẻo giảm
Độ giãn dài (%)	Độ dẻo tốt (thường là ~10–20% tùy thuộc vào phương pháp xử lý)	Thấp sau khi tôi cứng (một chữ số %), cao hơn khi ủ
Độ bền va đập	Độ dẻo dai hợp lý khi được chuẩn hóa hoặc tôi luyện	Thấp trong điều kiện tôi luyện; cải thiện khi tôi luyện ở nhiệt độ cao
Độ cứng	Trung bình: 150–250 HB (ủ đến nhiệt độ tôi luyện)	Rộng: ủ ~180–240 HB; cứng lên đến HRC 55–65 tùy thuộc vào nhiệt độ

Cái nào bền hơn, cứng hơn hay dẻo hơn? - Độ bền: Ở trạng thái tôi luyện, T8 có thể đạt được độ bền cực đại cao hơn và độ cứng cao hơn đáng kể so với 45#. - Độ dẻo dai/Độ dai: 45# có độ dẻo dai và độ dai cao hơn ở cùng một mức độ bền nhất định, khiến nó trở nên thích hợp hơn khi quan tâm đến khả năng chống va đập và chống mỏi. - Khả năng chống mài mòn: T8 (đã tôi) vượt trội hơn 45# rất nhiều do có độ cứng và cacbua cao hơn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc rất nhiều vào hàm lượng cacbon, khả năng làm cứng và hợp kim vi mô.

Các chỉ số liên quan: - Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Diễn giải (định tính): - 45#: Hàm lượng cacbon trung bình (≈0,45%) cho khả năng hàn chấp nhận được với quá trình gia nhiệt trước và xử lý nhiệt sau hàn thích hợp cho các tiết diện dày hơn. Giá trị CE và Pcm thường nằm trong phạm vi cho phép thực hiện các phương pháp hàn thông thường với khả năng kiểm soát nứt hydro và độ cứng trong vùng HAZ. - T8: Hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng CE và Pcm, tăng nguy cơ xuất hiện vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) cứng, giòn và nứt hydro. Việc nung nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và ram sau hàn (PWHT) thường là bắt buộc. Đối với nhiều ứng dụng dụng cụ, hàn thường được tránh hoặc giới hạn ở các quy trình chuyên biệt (ví dụ: hàn đồng thau, hàn phủ cứng) thay vì hàn nóng chảy thông thường.

Tóm lại: 45# dễ hàn và dễ chế tạo hơn; T8 yêu cầu kiểm soát chặt chẽ hoặc các chiến lược nối thay thế.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả thép công cụ 45# và T8 cổ điển đều không phải thép không gỉ. Khả năng chống ăn mòn chỉ ở mức trung bình; việc lựa chọn thép cho môi trường ăn mòn đòi hỏi phải bảo vệ bề mặt.
• Các phương pháp bảo vệ thông thường: sơn, tra dầu, phủ phosphate, mạ kẽm (cho các bộ phận kết cấu 45#), mạ điện hoặc phủ lớp chống ăn mòn cho dụng cụ.
• PREN (đối với khả năng áp dụng cho thép không gỉ) không áp dụng cho thép cacbon/thép dụng cụ không phải thép không gỉ, nhưng để hoàn thiện: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số này chỉ áp dụng cho hợp kim thép không gỉ có hàm lượng Cr, Mo và N đáng kể.

Lời khuyên lựa chọn: Nếu khả năng chống ăn mòn là yếu tố quyết định trong thiết kế, hãy chọn loại thép không gỉ hoặc áp dụng lớp phủ bảo vệ thay vì dựa vào loại 45# hoặc T8.

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

• 45#: Khả năng gia công hợp lý sau khi ủ; khả năng định hình và uốn tốt ở trạng thái ủ hoặc chuẩn hóa. Quy trình sản xuất điển hình bao gồm rèn, gia công và tạo hình nguội vừa phải.
• T8: Ở trạng thái ủ (hình cầu hóa), T8 có thể gia công được, nhưng vẫn cứng hơn thép cacbon thấp. Sau khi tôi, gia công khó khăn hơn và thường phải mài. Việc tạo hình bị hạn chế; nhiều chi tiết dụng cụ được hoàn thiện bằng cách mài hoặc EDM sau khi xử lý nhiệt.

Hoàn thiện: Dụng cụ T8 thường yêu cầu quy trình mài tối ưu và vật liệu dụng cụ (CBN, kim cương) để có độ cứng cao; 45# có thể được gia công bằng dụng cụ HSS hoặc carbide tiêu chuẩn tùy thuộc vào điều kiện.

8. Ứng dụng điển hình

45# (carbon trung bình)	T8 (thép công cụ có hàm lượng cacbon cao)
Trục, trục, chốt, đinh tán	Dụng cụ cắt, đục, lưỡi cắt
Bánh răng (sau khi xử lý nhiệt)	Khuôn định hình, dụng cụ gia công nguội
Các bộ phận máy đòi hỏi độ bền và độ dẻo dai vừa phải	Các bộ phận mài mòn đòi hỏi độ cứng cao và khả năng giữ cạnh
Linh kiện rèn, bộ phận kết cấu	Dụng cụ cắt, dao, lưỡi cắt

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 45# khi các bộ phận yêu cầu độ bền, độ dẻo dai, khả năng chống mỏi cân bằng và chế tạo tiết kiệm chi phí. - Chọn T8 khi cần độ cứng cao và khả năng chống mài mòn, và thiết kế cho phép xử lý nhiệt và hoàn thiện chuyên biệt.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Thép 45# thường rẻ hơn tính theo kilôgam so với thép công cụ như T8 do hàm lượng carbon thấp hơn và hợp kim tối thiểu. Thép công cụ có giá cao hơn do hàm lượng carbon cao hơn và quá trình xử lý bổ sung.
• Tính khả dụng: Thép 45# có sẵn rộng rãi ở dạng thanh, rèn, tấm và lá. Thép T8 có sẵn ở dạng phôi thép công cụ (thanh, phôi) và thường có kích thước hạn chế; thời gian giao hàng có thể lâu hơn đối với các loại thép công cụ chuyên dụng hoặc thép đã qua xử lý nhiệt.
• Hình thức sản phẩm: Nếu bạn cần vật liệu đã được làm cứng trước hoặc xử lý nhiệt đặc biệt, chi phí và thời gian hoàn thành sẽ tăng lên—đặc biệt là đối với T8.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính)

Thuộc tính	45#	T8
Khả năng hàn	Tốt (với các biện pháp phòng ngừa tiêu chuẩn)	Kém đến hạn chế; cần kiểm soát chặt chẽ
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Cân bằng tốt; sức mạnh vừa phải, độ dẻo dai tốt	Độ cứng/độ bền cao; độ dẻo dai thấp hơn khi được tôi luyện
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Khuyến nghị: - Chọn 45# nếu bộ phận yêu cầu sự cân bằng hiệu quả về chi phí giữa độ bền, độ dẻo dai, khả năng chống mỏi, khả năng hàn và tính linh hoạt trong sản xuất (trục, trục xe, các bộ phận cơ khí nói chung). - Chọn T8 nếu yêu cầu chính là độ cứng cao và khả năng chống mài mòn cho dụng cụ, lưỡi cắt hoặc các bộ phận sẽ được mài và xử lý nhiệt để đạt tuổi thọ cao khi chịu mài mòn hoặc tiếp xúc nhiều, và khi chế tạo có thể đáp ứng được xử lý nhiệt và hoàn thiện chuyên biệt.

Lưu ý thực tế cuối cùng: Luôn ghi rõ tiêu chuẩn chính xác và điều kiện xử lý nhiệt cần thiết trên đơn đặt hàng, đồng thời yêu cầu chứng chỉ nhà máy về thành phần và độ cứng. Đối với các chi tiết hàn quan trọng hoặc có độ tin cậy cao, hãy thực hiện kiểm tra chất lượng quy trình hàn và độ bền đại diện cho vùng chịu ảnh hưởng nhiệt của chi tiết.