Tổng quan về tính chất và ứng dụng chính của thép hợp kim

Thép hợp kim là một loại thép được hợp kim hóa với nhiều nguyên tố khác nhau để tăng cường các đặc tính cơ học và đặc tính hiệu suất của nó. Không giống như thép cacbon, chủ yếu dựa vào cacbon làm nguyên tố hợp kim chính, thép hợp kim kết hợp nhiều nguyên tố khác, chẳng hạn như crom, niken, molypden, vanadi và mangan. Các nguyên tố hợp kim này ảnh hưởng đáng kể đến độ cứng, độ bền, độ dẻo và khả năng chống ăn mòn của thép.

Tổng quan toàn diện

Thép hợp kim có thể được phân loại thành nhiều loại dựa trên hàm lượng cacbon và loại nguyên tố hợp kim được sử dụng. Chúng thường được phân loại thành thép hợp kim thấp (với ít hơn 5% nguyên tố hợp kim) và thép hợp kim cao (với hơn 5% nguyên tố hợp kim). Các nguyên tố hợp kim chính và tác dụng của chúng bao gồm:

• Crom (Cr) : Tăng độ cứng, độ bền kéo và khả năng chống ăn mòn.
• Niken (Ni) : Tăng cường độ dẻo dai và khả năng chịu va đập, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp.
• Molypden (Mo) : Cải thiện khả năng làm cứng và chống mài mòn, ăn mòn.
• Vanadi (V) : Tăng cường độ bền và độ dẻo dai bằng cách tinh chỉnh cấu trúc hạt.

Các đặc tính quan trọng nhất của thép hợp kim bao gồm độ bền kéo cao, độ dẻo dai được cải thiện và khả năng chống mài mòn được tăng cường. Những đặc tính này làm cho thép hợp kim phù hợp với nhiều ứng dụng, từ các bộ phận ô tô đến dầm kết cấu trong các tòa nhà.

Ưu điểm của thép hợp kim:
- Tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng cao
- Khả năng chống mài mòn tuyệt vời
- Độ dẻo dai và độ dai được cải thiện
- Cải thiện khả năng tôi luyện và phản ứng xử lý nhiệt

Nhược điểm của thép hợp kim:
- Chi phí cao hơn so với thép cacbon
- Quy trình chế tạo phức tạp hơn
- Khả năng hàn giảm tùy thuộc vào thành phần

Thép hợp kim giữ vị trí quan trọng trên thị trường do tính linh hoạt và hiệu suất của chúng trong các ứng dụng đòi hỏi khắt khe. Trong lịch sử, sự phát triển của thép hợp kim đã tạo điều kiện cho những tiến bộ trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm hàng không vũ trụ, ô tô và xây dựng.

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	G41300	Hoa Kỳ	Tương đương gần nhất với AISI 4130
AISI/SAE	4130	Hoa Kỳ	Thường được sử dụng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ
Tiêu chuẩn ASTM	A519	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn kỹ thuật cho ống cơ khí bằng thép hợp kim và carbon liền mạch
VI	34CrMo4	Châu Âu	Tương tự như AISI 4130 với sự khác biệt nhỏ về thành phần
ĐẠI HỌC	1.7220	Đức	Tương đương với AISI 4130, được sử dụng trong các ứng dụng có độ bền cao
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SCM430	Nhật Bản	Tính chất tương tự, thường được sử dụng trong các ứng dụng ô tô
Anh	30CrMo	Trung Quốc	Tương đương với AISI 4130, được sử dụng trong máy móc

Sự khác biệt giữa các cấp độ tương đương này có thể ảnh hưởng đến việc lựa chọn dựa trên các đặc tính cơ học cụ thể, phản ứng xử lý nhiệt và tính khả dụng ở các khu vực khác nhau. Ví dụ, trong khi AISI 4130 và EN 34CrMo4 tương tự nhau, thì EN 34CrMo4 có thể có các yêu cầu nghiêm ngặt hơn đối với một số ứng dụng nhất định ở Châu Âu.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
C (Cacbon)	0,28 - 0,33
Cr (Crom)	0,8 - 1,1
Mo (Molipden)	0,15 - 0,25
Mn (Mangan)	0,4 - 0,6
Si (Silic)	0,15 - 0,4
P (Phốt pho)	≤ 0,035
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,04

Vai trò chính của các nguyên tố hợp kim quan trọng trong thép hợp kim bao gồm:
- Carbon : Ảnh hưởng đến độ cứng và độ bền; hàm lượng carbon cao hơn thường làm tăng độ bền nhưng làm giảm độ dẻo.
- Crom : Tăng khả năng chống ăn mòn và độ cứng, giúp thép phù hợp với những ứng dụng chịu ứng suất cao.
- Molypden : Cải thiện độ bền nhiệt độ cao và khả năng chống mềm, đặc biệt là trong điều kiện xử lý nhiệt.

Tính chất cơ học

Tài sản	Tình trạng/Tính khí	Nhiệt độ thử nghiệm	Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị mét - SI)	Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị Anh)	Tiêu chuẩn tham chiếu cho phương pháp thử nghiệm
Độ bền kéo	Ủ	Nhiệt độ phòng	620 - 850MPa	90 - 123 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Ủ	Nhiệt độ phòng	350 - 500MPa	51 - 73 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Ủ	Nhiệt độ phòng	20-25%	20-25%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng	Ủ	Nhiệt độ phòng	197 - 229 HB	95 - 103 HB	Tiêu chuẩn ASTM E10
Sức mạnh tác động	Làm nguội & tôi luyện	-20°C	27 tháng 1	20 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Sự kết hợp của các tính chất cơ học này làm cho thép hợp kim đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ dẻo dai cao, chẳng hạn như trong sản xuất bánh răng, trục và các thành phần cấu trúc. Khả năng xử lý nhiệt càng nâng cao hiệu suất của nó trong các môi trường khắc nghiệt.

Tính chất vật lý

Tài sản	Điều kiện/Nhiệt độ	Giá trị (Đơn vị mét - SI)	Giá trị (Đơn vị Anh)
Tỉ trọng	Nhiệt độ phòng	7,85g/cm³	0,284 lb/in³
Điểm nóng chảy/Phạm vi	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Độ dẫn nhiệt	Nhiệt độ phòng	45 W/m·K	31 BTU·in/(hr·ft²·°F)
Nhiệt dung riêng	Nhiệt độ phòng	0,49 kJ/kg·K	0,12 BTU/lb·°F
Điện trở suất	Nhiệt độ phòng	0,0000017 Ω·m	0,0000017 Ω·trong

Các tính chất vật lý chính như mật độ và điểm nóng chảy rất quan trọng đối với các ứng dụng liên quan đến môi trường nhiệt độ cao. Độ dẫn nhiệt cho biết vật liệu có thể tản nhiệt tốt như thế nào, điều này rất cần thiết trong các ứng dụng như thành phần động cơ.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C/°F)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Clorua	3-5	25°C/77°F	Hội chợ	Nguy cơ ăn mòn rỗ
Axit sunfuric	10-20	60°C/140°F	Nghèo	Dễ bị SCC
Khí quyển	-	-	Tốt	Nói chung là kháng cự

Thép hợp kim thể hiện mức độ chống ăn mòn khác nhau tùy thuộc vào môi trường. Trong môi trường giàu clorua, nó có thể dễ bị ăn mòn rỗ, trong khi nó cho thấy khả năng chống axit mạnh như axit sunfuric kém. So với thép không gỉ, thép hợp kim thường có khả năng chống ăn mòn thấp hơn, khiến chúng ít phù hợp với môi trường có tính ăn mòn cao.

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 các ứng dụng nhiệt độ cao
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 ở nhiệt độ cao hơn

Ở nhiệt độ cao, thép hợp kim vẫn giữ được độ bền và độ cứng, phù hợp với các ứng dụng như cánh tua bin và bình chịu áp suất. Tuy nhiên, quá trình oxy hóa có thể trở thành mối lo ngại vượt quá nhiệt độ nhất định, đòi hỏi phải có lớp phủ bảo vệ hoặc lựa chọn vật liệu cẩn thận.

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	Tốt cho các phần mỏng
TIG	ER80S-Ni	Khí Argon	Yêu cầu làm nóng trước
Dán	E7018	-	Thích hợp cho hàn tại hiện trường

Thép hợp kim có thể được hàn bằng nhiều quy trình khác nhau, nhưng thường được khuyến nghị là nên nung nóng trước để tránh nứt. Việc lựa chọn kim loại phụ rất quan trọng để duy trì tính toàn vẹn của mối hàn.

Khả năng gia công

Thông số gia công	[Thép hợp kim]	AISI 1212	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	70	100	Khả năng gia công vừa phải
Tốc độ cắt điển hình (Tiện)	50 m/phút	80 m/phút	Điều chỉnh dựa trên công cụ

Khả năng gia công có thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào thành phần hợp kim cụ thể. Điều kiện cắt và dụng cụ thích hợp là rất cần thiết để đạt được kết quả tối ưu.

Khả năng định hình

Thép hợp kim thể hiện khả năng định hình tốt, đặc biệt là trong điều kiện ủ. Các quy trình định hình lạnh và nóng thường được sử dụng, với các cân nhắc về độ cứng khi làm việc và bán kính uốn cong. Vật liệu có thể được định hình thành các hình dạng phức tạp, làm cho nó phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.

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	600 - 700 °C / 1112 - 1292 °F	1 - 2 giờ	Không khí hoặc nước	Làm mềm, cải thiện độ dẻo
Làm nguội	800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F	30 phút	Dầu hoặc nước	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 ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc vi mô và tính chất của thép hợp kim. Ví dụ, tôi làm tăng độ cứng, trong khi tôi làm giảm độ giòn, cho phép cân bằng giữa độ bền và 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 (Tóm tắt)
Hàng không vũ trụ	Bộ phận hạ cánh của máy bay	Độ bền cao, độ dẻo dai	Quan trọng đối với sự an toàn và hiệu suất
Ô tô	Trục truyền động	Khả năng chống mỏi, độ dẻo	Cần thiết cho độ bền
Sự thi công	Dầm kết cấu	Khả năng chịu tải, khả năng hàn	Hỗ trợ tải trọng nặng
Dầu khí	Mũi khoan	Khả năng chống mài mòn, độ bền	Hiệu suất cao trong môi trường khắc nghiệt

Các ứng dụng khác bao gồm:
- Linh kiện máy móc
- Bình chịu áp suất
- Dụng cụ và khuôn mẫu

Thép hợp kim được lựa chọn cho các ứng dụng này do có các đặc tính cơ học vượt trội, đảm bảo độ tin cậy và hiệu suất trong điều kiện khắc nghiệt.

Những cân nhắc quan trọng, Tiêu chí lựa chọn và những hiểu biết sâu sắc hơn

Tính năng/Thuộc tính	[Thép hợp kim]	[Lớp thay thế 1]	[Lớp thay thế 2]	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Độ bền cao	Sức mạnh vừa phải	Độ dẻo cao	Thép hợp kim mang lại sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai
Góc nhìn ăn mòn chính	Hội chợ	Xuất sắc	Tốt	Thép hợp kim có khả năng chống chịu kém hơn thép không gỉ
Khả năng hàn	Tốt	Xuất sắc	Hội chợ	Xem xét việc gia nhiệt trước cho thép hợp kim
Khả năng gia công	Vừa phải	Cao	Thấp	Thép hợp kim đòi hỏi phải gia công cẩn thận
Khả năng định hình	Tốt	Xuất sắc	Vừa phải	Thép hợp kim có thể được tạo thành các hình dạng phức tạp
Chi phí tương đối xấp xỉ	Vừa phải	Thấp	Cao	Chi phí thay đổi tùy theo thành phần hợp kim
Khả năng cung cấp điển hình	Chung	Chung	Hiếm	Thép hợp kim có sẵn rộng rãi

Khi lựa chọn thép hợp kim cho một ứng dụng cụ thể, các yếu tố như chi phí, tính khả dụng và các đặc tính cơ học và vật lý cụ thể cần thiết phải được xem xét. Sự đánh đổi giữa độ bền, độ dẻo và khả năng chống ăn mòn là rất quan trọng trong việc xác định loại phù hợp nhất cho một ứng dụng nhất định. Ngoài ra, các cân nhắc về an toàn, đặc biệt là trong môi trường ứng suất cao, nên hướng dẫn lựa chọn vật liệu để đảm bảo độ tin cậy và hiệu suất.