SAE1020 so với SAE1045 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

SAE1020 và SAE1045 là hai loại thép các-bon thường được chỉ định phổ biến nhất trong bản vẽ kỹ thuật và mua sắm. Vấn đề nan giải trong việc lựa chọn thường nảy sinh khi các nhà thiết kế và chuyên gia mua sắm phải cân bằng giữa khả năng sản xuất và chi phí so với hiệu suất cơ học cần thiết: thép các-bon thấp dễ tạo hình và hàn hơn, trong khi thép các-bon trung bình có độ bền và khả năng chống mài mòn cao hơn nhưng cần xử lý nhiệt và kiểm soát chế tạo cẩn thận hơn.

Sự khác biệt thực tế chính giữa hai loại thép này là hàm lượng carbon và các tác động hạ nguồn của nó: SAE1045 có hàm lượng carbon cao hơn đáng kể so với SAE1020, điều này làm thay đổi cán cân về độ bền và khả năng tôi luyện cao hơn, đánh đổi bằng độ dẻo và khả năng hàn. Vì chúng nằm liền kề nhau trên phổ carbon-thép, các loại thép này thường được so sánh khi xác định trục, bánh răng, chốt và các bộ phận cơ khí nói chung, nơi cần tối ưu hóa sự cân bằng giữa độ bền, độ dẻo dai và chi phí.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• SAE/AISI: SAE 1020 (AISI 1020), SAE 1045 (AISI 1045)
• ASTM/ASME: Thường được tham chiếu theo ký hiệu SAE/AISI trong quá trình mua sắm; các tiêu chuẩn sản phẩm cụ thể (thanh, tấm, rèn) có thể tham chiếu đến các cấp ASTM có tính chất hóa học tương tự.
• EN: Thép EN tương đương là C20 (đối với 1020) và C45 (đối với 1045) trong một số tiêu chuẩn Châu Âu (hệ thống ký hiệu khác nhau tùy theo tiêu chuẩn).
• JIS/GB: Các tiêu chuẩn JIS và GB sử dụng thuật ngữ khác nhau nhưng vẫn có phạm vi carbon tương đương (ví dụ: JIS S20C / S45C).
• Phân loại: Cả hai đều là thép cacbon thông thường (không phải thép hợp kim, không phải thép không gỉ, không phải HSLA theo mặc định). Chúng không phải là thép dụng cụ.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	SAE 1020 (điển hình, wt%)	SAE 1045 (điển hình, wt%)
C	0,18–0,23	0,43–0,50
Mn	0,30–0,60	0,60–0,90
Si	0,10–0,35	0,10–0,35
P	≤ 0,040 (tối đa)	≤ 0,040 (tối đa)
S	≤ 0,050 (tối đa)	≤ 0,050 (tối đa)
Cr	dấu vết (≤0,25)	dấu vết (≤0,30)
Ni	dấu vết (≤0,25)	dấu vết (≤0,30)
Mo, V, Nb, Ti, B, N	thường theo dõi hoặc không được chỉ định	thường theo dõi hoặc không được chỉ định

Ghi chú: - Cả hai loại thép đều là thép cacbon thông thường; việc bổ sung hợp kim rất ít và chủ yếu là ngẫu nhiên. SAE1045 chứa hàm lượng cacbon cao hơn và thường chứa hàm lượng mangan cao hơn để giúp duy trì độ bền và khả năng tôi luyện. - Hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng độ bền kéo và độ cứng tiềm năng; mangan hỗ trợ độ bền và khả năng khử oxy nhưng cũng làm tăng khả năng tôi luyện. Silic là chất khử oxy và góp phần nhỏ vào độ bền. - Chiến lược hợp kim rất đơn giản: kiểm soát cacbon để đạt được độ bền mong muốn và sử dụng phương pháp xử lý nhiệt để có được cấu trúc vi mô mong muốn thay vì dựa vào các nguyên tố hợp kim.

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

• Cán/ủ: SAE1020 thường có cấu trúc vi mô ferit-perlit với tỷ lệ ferit mềm cao hơn so với perlit. SAE1045 có nhiều perlit hơn và ít ferit hơn do hàm lượng carbon cao hơn.
• Chuẩn hóa: Cả hai loại đều phản ứng với quá trình chuẩn hóa bằng vi cấu trúc ferit/pearlit tinh chế; SAE1045 tạo ra ma trận perlit cứng hơn và có độ bền cao hơn sau khi chuẩn hóa so với SAE1020.
• Làm nguội và ram: SAE1045 có khả năng làm cứng cao hơn và đạt độ cứng cũng như độ bền cao hơn đáng kể sau khi làm nguội và ram so với SAE1020. SAE1020 khó làm cứng đồng đều ở các phần dày hơn do hàm lượng cacbon thấp hơn và khả năng làm cứng thấp.
• Xử lý vi hợp kim và nhiệt cơ: Thông thường, không loại nào được cung cấp với vi hợp kim trừ khi có yêu cầu cụ thể; xử lý nhiệt cơ có thể cải thiện một chút kích thước hạt và cải thiện độ bền cũng như độ dẻo dai ở cả hai loại, nhưng hàm lượng cacbon vẫn là yếu tố chi phối.
• Ý nghĩa thực tiễn: SAE1045 cung cấp khả năng điều chỉnh xử lý nhiệt rộng hơn (ví dụ, độ bền kéo và độ chảy cao hơn sau khi tôi-rau) trong khi SAE1020 chủ yếu được sử dụng trong điều kiện ủ hoặc chuẩn hóa vì độ dẻo và khả năng tạo hình.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	SAE 1020 (phạm vi điển hình, ủ/chuẩn hóa)	SAE 1045 (phạm vi điển hình, ủ/chuẩn hóa/làm cứng)
Độ bền kéo (MPa)	~350–450	~500–700 (có thể vượt quá 800 sau khi tôi cứng và ram)
Giới hạn chảy (MPa)	~250–350	~300–550 (tùy thuộc vào xử lý nhiệt)
Độ giãn dài (%)	~25–35	~10–20 (thấp hơn với phương pháp điều trị có cường độ cao hơn)
Độ bền va đập	Trung bình; độ dẻo dai nhìn chung tốt ở trạng thái ủ	Thấp hơn 1020 trong điều kiện cường độ cao; trung bình khi chuẩn hóa
Độ cứng (HB)	~100–140	~150–250 (cao hơn sau khi làm nguội và tôi)

Ghi chú: - Giá trị là phạm vi điển hình. Giá trị thực tế phụ thuộc nhiều vào hình dạng sản phẩm, kích thước mặt cắt và chu trình xử lý nhiệt. - SAE1045 bền hơn đáng kể trong hầu hết các điều kiện xử lý nhiệt; SAE1020 dẻo dai hơn và dễ gia công hơn. Độ bền tăng lên của 1045 đi kèm với việc giảm độ giãn dài và độ dẻo dai sau khi tôi, trừ khi được ram đúng cách. - Đối với các ứng dụng quan trọng về va đập, trong đó độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp là yếu tố quan trọng, thì thép 1020 ở điều kiện thích hợp hoặc thép hợp kim thấp có độ dẻo dai tốt có thể được ưu tiên.

5. Khả năng hàn

• Hàm lượng cacbon và độ cứng quyết định khả năng hàn. Hàm lượng cacbon cao hơn làm tăng nguy cơ nứt nguội và hình thành martensite ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt.
• Công thức tương đương cacbon thường được sử dụng để đánh giá định tính. Ví dụ về chỉ số:
• $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• Diễn giải (định tính): SAE1020 có $CE$ và $P_{cm}$ thấp và dễ dàng hàn bằng các quy trình tiêu chuẩn và gia nhiệt sơ bộ tối thiểu. SAE1045 có hàm lượng carbon cao hơn, do đó, $CE/P_{cm}$ cao hơn — thường yêu cầu gia nhiệt sơ bộ, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn và có thể xử lý nhiệt sau hàn cho các mối hàn quan trọng để giảm thiểu nứt do hydro và hiện tượng cứng vùng HAZ.
• Hướng dẫn thực tế: Sử dụng điện cực có hàm lượng hydro thấp, gia nhiệt trước có kiểm soát và ram cho các phần dày hơn của 1045; đối với 1020, vật tư tiêu hao hàn và quy trình tiêu chuẩn thường là đủ.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cả SAE1020 và SAE1045 đều không phải thép không gỉ; chúng dễ bị ăn mòn trong khí quyển và cần được bảo vệ bề mặt ở những nơi có nguy cơ ăn mòn.
• Các biện pháp bảo vệ thông thường: làm sạch bằng dung môi, hệ thống sơn lót/sơn, phosphat hóa, mạ kẽm nhúng nóng, mạ điện (nếu có) hoặc lớp phủ bảo vệ (polymer/epoxy).
• PREN (số tương đương khả năng chống rỗ) không áp dụng cho thép cacbon thông thường; nó được sử dụng cho thép không gỉ:
• $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Lưu ý lựa chọn: Đối với môi trường ăn mòn, hãy cân nhắc sử dụng thép không gỉ hoặc lớp phủ chống ăn mòn thay vì dựa vào thành phần hóa học của thép cacbon.

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

• Khả năng định hình: SAE1020 dẻo hơn, dễ uốn, kéo và định hình trong quá trình gia công nguội. SAE1045 có khả năng định hình hạn chế trong điều kiện cường độ cao và dễ bị nứt hơn trong quá trình định hình.
• Khả năng gia công: SAE1045, do có độ bền và độ cứng cao hơn, nhìn chung khó gia công hơn SAE1020. Tuy nhiên, cả hai loại thép này đều có khả năng cắt gọt tự do; khả năng gia công ở mức trung bình, trừ khi có chỉ định các biến thể gia công tự do đặc biệt.
• Mài và hoàn thiện: 1045 tạo ra độ mài mòn dụng cụ cao hơn và đòi hỏi dụng cụ chắc chắn hơn hoặc tốc độ cắt thấp hơn để đạt được tuổi thọ dụng cụ tương tự so với 1020.
• Làm cứng bề mặt: SAE1045 phản ứng tốt với quá trình thấm cacbon, làm cứng cảm ứng và thông qua các phương pháp làm cứng để tăng khả năng chống mài mòn và tuổi thọ chịu mỏi của các bộ phận như trục và bánh răng; 1020 không phải là ứng cử viên tốt cho quá trình làm cứng vỏ đáng kể do hàm lượng cacbon thấp.

8. Ứng dụng điển hình

SAE 1020	SAE 1045
Các thành phần kết cấu đa năng, các bộ phận tạo hình nguội, cụm hàn, trục cường độ thấp, vỏ, chế tạo chung trong đó khả năng tạo hình/khả năng hàn được ưu tiên	Trục, trục xe, bánh răng (dịch vụ trung bình), chốt, bu lông (yêu cầu độ bền cao hơn), bánh xích, các bộ phận gia công yêu cầu độ bền cao hơn hoặc bề mặt có thể làm cứng

Cơ sở lựa chọn: - Chọn 1020 khi yếu tố chính là dễ tạo hình, hàn và kiểm soát chi phí, đồng thời tải trọng dịch vụ ở mức vừa phải. - Chọn 1045 khi cần độ bền linh kiện, khả năng chống mài mòn và khả năng đạt độ cứng cao hơn thông qua xử lý nhiệt.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: SAE1020 thường có giá thành tính theo kilôgam thấp hơn SAE1045 do hàm lượng carbon thấp hơn và nhu cầu chế biến đơn giản hơn; giá thị trường thay đổi tùy theo nguồn cung theo khu vực và biến động trong sản xuất thép.
• Tính khả dụng: Cả hai loại thép này đều có sẵn trên toàn thế giới ở dạng thanh, tấm và cuộn. SAE1020 rất phổ biến cho các sản phẩm tấm và kết cấu; SAE1045 được dự trữ rộng rãi cho trục, thanh và vật liệu rèn.
• Dạng sản phẩm: 1045 thường được cung cấp dưới dạng thanh cán nóng và phôi rèn, và thường được chỉ định khi cần các đặc tính sau xử lý nhiệt. 1020 thường được sử dụng trong các cụm hàn và tạo hình nguội.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Đặc điểm	SAE1020	SAE1045
Khả năng hàn	Cao (dễ hàn)	Trung bình đến Thấp (cần làm nóng trước/kiểm soát)
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền thấp hơn, độ dẻo/độ dai cao hơn ở trạng thái ủ	Tiềm năng cường độ cao hơn, độ dẻo thấp hơn ở cường độ cao
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Chọn SAE1020 nếu: - Bạn cần loại thép dễ hàn, dễ định hình và tiết kiệm cho tải trọng vừa phải. - Các bộ phận sẽ trải qua quá trình tạo hình nguội đáng kể hoặc yêu cầu độ dẻo dai và độ bền tốt ở trạng thái chế tạo. - Các kết cấu hoặc cụm hàn lớn chỉ cần làm nóng trước tối thiểu và quy trình hàn đơn giản.

Chọn SAE1045 nếu: - Thiết kế yêu cầu độ bền tĩnh cao hơn, khả năng chống mài mòn tốt hơn hoặc bộ phận sẽ được làm cứng bề mặt hoặc làm cứng xuyên suốt. - Bạn đang sản xuất các bộ phận quay chịu tải trung bình (trục, trục xe, bánh răng) cần độ bền kéo và độ cứng cao hơn. - Bạn có thể kiểm soát các thông số hàn hoặc giảm thiểu quá trình hàn để tập trung vào gia công/lắp ráp và xử lý nhiệt.

Lưu ý cuối cùng: Việc lựa chọn vật liệu luôn phải được xác thực dựa trên tải trọng thiết kế của linh kiện, yêu cầu về độ bền mỏi, phương pháp ghép nối, phương pháp xử lý nhiệt dự kiến, xử lý bề mặt và các ràng buộc về chi phí. Khi nghi ngờ các linh kiện quan trọng hoặc liên quan đến an toàn, hãy cân nhắc việc chỉ định các đặc tính (ví dụ: độ bền kéo/giới hạn chảy tối thiểu, độ cứng hoặc độ dai) thay vì chỉ dựa vào tên mác thép, và tham khảo ý kiến ​​chuyên gia về xử lý nhiệt và hàn để thiết lập các quy trình phù hợp.