Thép Cacbon: Tổng quan về tính chất và ứng dụng chính

Thép cacbon là một loại thép được sử dụng rộng rãi, chủ yếu bao gồm sắt và cacbon, với hàm lượng cacbon thường dao động từ 0,05% đến 2,0%. Thép cacbon được phân loại thành ba loại chính dựa trên hàm lượng cacbon: thép cacbon thấp (mềm), thép cacbon trung bình và thép cacbon cao. Nguyên tố hợp kim chính trong thép cacbon là cacbon, ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất cơ học của thép, chẳng hạn như độ bền, độ cứng và độ dẻo. Các nguyên tố khác, chẳng hạn như mangan, silic và đồng, cũng có thể có mặt với lượng nhỏ, góp phần tạo nên các đặc tính chung của thép.

Tổng quan toàn diện

Thép cacbon được biết đến với tính linh hoạt và được sử dụng trong nhiều ứng dụng, từ xây dựng đến sản xuất ô tô. Các đặc điểm quan trọng nhất của nó bao gồm độ bền kéo cao, khả năng gia công tốt và khả năng được xử lý nhiệt để tăng cường các đặc tính của nó. Các đặc tính vốn có của thép cacbon làm cho nó phù hợp với nhiều ứng dụng kỹ thuật khác nhau, bao gồm các thành phần kết cấu, bộ phận máy móc và công cụ.

Ưu điểm của thép cacbon:
- Hiệu quả về chi phí: Thép cacbon thường rẻ hơn thép hợp kim và thép không gỉ, khiến nó trở thành lựa chọn phổ biến cho các dự án có ngân sách eo hẹp.
- Độ bền và sức mạnh: Với quá trình xử lý nhiệt thích hợp, thép cacbon có thể đạt được độ bền và độ cứng cao, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe.
- Khả năng hàn: Đặc biệt, thép ít cacbon có khả năng hàn tuyệt vời, giúp chế tạo và lắp ráp dễ dàng.

Hạn chế của thép cacbon:
- Dễ bị ăn mòn: Thép cacbon dễ bị gỉ và ăn mòn khi tiếp xúc với độ ẩm và môi trường khắc nghiệt trừ khi được phủ hoặc xử lý đúng cách.
- Hiệu suất nhiệt độ cao hạn chế: Mặc dù thép cacbon có thể chịu được nhiệt độ vừa phải, nhưng nó có thể mất độ bền và độ cứng ở nhiệt độ cao so với thép hợp kim.
- Độ giòn ở thép có hàm lượng cacbon cao: Thép có hàm lượng cacbon cao có thể trở nên giòn nếu không được xử lý nhiệt đúng cách, hạn chế ứng dụng của chúng trong một số môi trường nhất định.

Trong lịch sử, thép cacbon đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển công nghiệp, là xương sống của ngành công nghiệp thép. Tính phổ biến và khả năng thích ứng của nó đã biến nó thành vật liệu chủ yếu trong nhiều lĩnh vực.

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	G10100	Hoa Kỳ	Tương đương gần nhất với AISI 1010
AISI/SAE	1010	Hoa Kỳ	Thép ít cacbon, tốt cho hàn
Tiêu chuẩn ASTM	A36	Hoa Kỳ	Thép kết cấu, được sử dụng rộng rãi trong xây dựng
VI	S235JR	Châu Âu	Tương đương với ASTM A36, phổ biến ở Châu Âu
ĐẠI HỌC	St37-2	Đức	Tương tự như S235JR, được sử dụng trong xây dựng
Tiêu chuẩn Nhật Bản	SS400	Nhật Bản	Tương đương với ASTM A36, được sử dụng trong xây dựng nói chung
Anh	Câu hỏi 235	Trung Quốc	Tương đương với S235JR, được sử dụng rộng rãi ở Trung Quốc
Tiêu chuẩn ISO	6301	Quốc tế	Cấp thép kết cấu chung

Bảng trên nêu bật các tiêu chuẩn và giá trị tương đương khác nhau cho thép cacbon. Mặc dù nhiều loại thép có vẻ tương đương, nhưng sự khác biệt nhỏ về thành phần và tính chất cơ học có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất trong các ứng dụng cụ thể. Ví dụ, thép A36 thường được sử dụng trong các ứng dụng kết cấu do khả năng hàn tuyệt vời, trong khi S235JR có thể có các đặc tính giới hạn chảy hơi khác nhau.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
C (Cacbon)	0,05 - 2,0
Mn (Mangan)	0,30 - 1,65
Si (Silic)	0,10 - 0,40
P (Phốt pho)	≤ 0,04
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,05

Nguyên tố hợp kim chính trong thép cacbon là cacbon, giúp tăng độ cứng và độ bền. Mangan được thêm vào để cải thiện độ cứng và độ bền kéo, trong khi silic hoạt động như chất khử oxy trong quá trình luyện thép và có thể cải thiện độ bền. Phốt pho và lưu huỳnh được coi là tạp chất có thể ảnh hưởng xấu đến độ dẻo và độ dai.

Tính chất cơ học

Tài sản	Tình trạng/Tính khí	Nhiệt độ thử nghiệm	Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị đo lường)	Giá trị/Phạm vi điển hình (Anh)	Tiêu chuẩn tham chiếu cho phương pháp thử nghiệm
Độ bền kéo	Ủ	Nhiệt độ phòng	370 - 700MPa	54 - 102 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Ủ	Nhiệt độ phòng	250 - 450MPa	36 - 65 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Ủ	Nhiệt độ phòng	20-30%	20-30%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (Brinell)	Ủ	Nhiệt độ phòng	120 - 200 HB	120 - 200 HB	Tiêu chuẩn ASTM E10
Sức mạnh tác động	Charpy V-notch	-20°C	20 - 40J	15 - 30 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Tính chất cơ học của thép cacbon thay đổi đáng kể dựa trên hàm lượng cacbon và xử lý nhiệt. Thép cacbon thấp thể hiện độ dẻo và khả năng hàn tốt, khiến chúng phù hợp cho các ứng dụng kết cấu. Thép cacbon trung bình cung cấp sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo, trong khi thép cacbon cao cung cấp độ cứng tăng nhưng độ dẻo giảm.

Tính chất vật lý

Tài sản	Điều kiện/Nhiệt độ	Giá trị (Đơn vị đo lường)	Giá trị (Anh)
Tỉ trọng	Nhiệt độ phòng	7,85g/cm³	0,284 lb/in³
Điểm nóng chảy	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Độ dẫn nhiệt	Nhiệt độ phòng	50 W/m·K	29 BTU·in/h·ft²·°F
Nhiệt dung riêng	Nhiệt độ phòng	0,49 kJ/kg·K	0,12 BTU/lb·°F
Điện trở suất	Nhiệt độ phòng	1,68 × 10⁻⁸ Ω·m	1,68 × 10⁻⁸ Ω·in

Mật độ của thép cacbon tương đối cao, góp phần tạo nên độ bền và độ cứng của thép. Điểm nóng chảy cho biết thép phù hợp với các ứng dụng nhiệt độ cao, trong khi độ dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng là yếu tố cần thiết cho các ứng dụng liên quan đến truyền nhiệt. Điện trở suất là yếu tố quan trọng trong các ứng dụng điện, trong đó điện trở suất thấp được ưa chuộng.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C/°F)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Khí quyển	Thay đổi	Môi trường xung quanh	Hội chợ	Dễ bị rỉ sét
Clorua	Thay đổi	Môi trường xung quanh	Nghèo	Nguy cơ ăn mòn rỗ
Axit	Thay đổi	Môi trường xung quanh	Nghèo	Không khuyến khích
kiềm	Thay đổi	Môi trường xung quanh	Hội chợ	Sức đề kháng vừa phải
Hữu cơ	Thay đổi	Môi trường xung quanh	Tốt	Nói chung là kháng cự

Thép cacbon có khả năng chống ăn mòn hạn chế, đặc biệt là trong môi trường có độ ẩm cao hoặc tiếp xúc với clorua, có thể dẫn đến rỗ. Mặc dù có thể xử lý bằng lớp phủ hoặc mạ kẽm để tăng khả năng chống ăn mòn, nhưng nhìn chung không nên sử dụng trong môi trường ăn mòn mà không có biện pháp bảo vệ. So với thép không gỉ, thép cacbon có khả năng chống ăn mòn kém hơn đáng kể, khiến chúng không phù hợp cho các ứng dụng chế biến hóa chất hoặc hàng hải.

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 nhiệt độ vừa phải
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
Cân nhắc về sức bền biến dạng	400 °C	752 °F	Bắt đầu mất sức

Thép cacbon có thể chịu được nhiệt độ vừa phải nhưng có thể bị oxy hóa và đóng cặn ở nhiệt độ cao hơn. Hiệu suất của nó ở nhiệt độ cao bị hạn chế so với thép hợp kim, được thiết kế cho các ứng dụng nhiệt độ cao. Cần cân nhắc cẩn thận trong các ứng dụng liên quan đến nhiệt để tránh làm suy giảm các đặc tính cơ học.

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	Hỗn hợp Argon + CO2	Tuyệt vời cho các phần mỏng
TIG	ER70S-2	Khí Argon	Tốt cho hàn chính xác
Dán	E7018	Không có	Thích hợp cho công việc ngoài trời

Thép cacbon thường dễ hàn, đặc biệt là các loại thép cacbon thấp, có thể hàn bằng nhiều quy trình khác nhau như hàn MIG, hàn TIG và hàn que. Có thể cần phải gia nhiệt trước cho các phần dày hơn để tránh nứt. Xử lý nhiệt sau khi hàn có thể tăng cường các đặc tính của mối hàn và giảm ứng suất dư.

Khả năng gia công

Thông số gia công	[Thép các bon]	AISI 1212	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	100	150	AISI 1212 dễ gia công hơn
Tốc độ cắt điển hình (Tiện)	30 m/phút	45 m/phút	Điều chỉnh dựa trên công cụ

Thép cacbon thường có khả năng gia công tốt, đặc biệt là ở các loại thép có hàm lượng cacbon thấp. Tuy nhiên, hàm lượng cacbon cao hơn có thể dẫn đến tăng độ mòn dụng cụ và giảm khả năng gia công. Điều kiện gia công và cắt thích hợp là điều cần thiết để có hiệu suất tối ưu.

Khả năng định hình

Thép cacbon có thể được tạo hình thông qua nhiều quy trình khác nhau, bao gồm tạo hình nguội và nóng. Thép cacbon thấp đặc biệt thích hợp để tạo hình nguội do độ dẻo tuyệt vời của chúng. Tuy nhiên, thép cacbon cao có thể cần tạo hình nóng để tránh nứt. Bán kính uốn cong nên được cân nhắc cẩn thận để tránh hỏng hóc trong quá trình tạo hình.

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	Làm mềm, cải thiện độ dẻo
Làm nguội	800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F	30 phút	Nước/Dầu	Làm cứng, tăng cường độ
Làm nguội	200 - 700 °C / 392 - 1292 °F	1 giờ	Không khí	Giảm độ giòn, tăng độ dai

Các quy trình xử lý nhiệt như ủ, làm nguội và ram có thể làm thay đổi đáng kể cấu trúc vi mô và tính chất của thép cacbon. Ủ làm mềm thép, trong khi làm nguội làm tăng độ cứng. Ram thường được thực hiện sau khi tôi để giảm độ giòn và cải thiện độ dẻo dai, làm cho nó phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.

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)
Sự thi công	Dầm và Cột	Độ bền cao, khả năng hàn	Tính toàn vẹn của cấu trúc
Ô tô	Khung và Khung gầm	Độ dẻo, độ bền	Nhẹ và bền
Chế tạo	Công cụ và khuôn mẫu	Độ cứng, khả năng chống mài mòn	Độ chính xác và độ bền
Dầu khí	Đường ống	Độ bền, khả năng chống ăn mòn	An toàn và độ tin cậy

Thép cacbon được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau do các đặc tính thuận lợi của nó. Trong xây dựng, nó cung cấp tính toàn vẹn và hỗ trợ về mặt cấu trúc. Trong ngành ô tô, bản chất nhẹ và độ bền của nó khiến nó trở nên lý tưởng cho khung xe. Các công cụ và khuôn được hưởng lợi từ độ cứng của thép cacbon, trong khi đường ống đòi hỏi độ bền và khả năng chống chịu các yếu tố môi trường.

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

Tính năng/Thuộc tính	Thép Cacbon	Tiêu chuẩn AISI 4140	Thép không gỉ 304	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Vừa phải	Cao	Vừa phải	4140 cung cấp sức mạnh cao hơn
Góc nhìn ăn mòn chính	Nghèo	Hội chợ	Xuất sắc	Thép không gỉ có khả năng chống chịu tốt hơn
Khả năng hàn	Tốt	Hội chợ	Tốt	Thép cacbon dễ hàn hơn
Khả năng gia công	Tốt	Hội chợ	Tốt	Thép cacbon dễ gia công hơn
Khả năng định hình	Xuất sắc	Tốt	Hội chợ	Thép cacbon dẻo hơn
Chi phí tương đối xấp xỉ	Thấp	Vừa phải	Cao	Thép cacbon có hiệu quả về mặt chi phí
Khả năng cung cấp điển hình	Cao	Vừa phải	Cao	Thép cacbon có sẵn rộng rãi

Khi lựa chọn thép cacbon cho một ứng dụng cụ thể, cần cân nhắc một số yếu tố, bao gồm tính chất cơ học, khả năng chống ăn mòn, khả năng hàn và chi phí. Mặc dù thép cacbon thường là lựa chọn kinh tế nhất, nhưng những hạn chế về khả năng chống ăn mòn của nó có thể đòi hỏi phải sử dụng lớp phủ hoặc vật liệu thay thế trong một số môi trường nhất định. Tính khả dụng của thép cacbon cũng khiến nó trở thành lựa chọn thiết thực cho nhiều dự án.

Tóm lại, thép cacbon vẫn là vật liệu cơ bản trong kỹ thuật và sản xuất do sự cân bằng giữa các đặc tính, hiệu quả về chi phí và tính linh hoạt. Hiểu được các đặc điểm và hạn chế của nó là rất quan trọng để đưa ra quyết định sáng suốt trong việc lựa chọn và ứng dụng vật liệu.