Thép cứng: Tính chất và ứng dụng chính được giải thích

Thép cứng là thuật ngữ chung bao gồm nhiều loại thép có độ bền cao được đặc trưng bởi độ cứng và khả năng chống mài mòn. Thường được phân loại là thép có hàm lượng cacbon trung bình đến cao, thép cứng thường chứa các nguyên tố hợp kim như mangan, crom và molypden, giúp tăng cường các đặc tính cơ học của chúng. Các loại thép này chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi độ bền, độ bền cao và khả năng chống biến dạng khi chịu tải.

Tổng quan toàn diện

Thép cứng chủ yếu được phân loại là thép hợp kim cacbon trung bình, với hàm lượng cacbon thường dao động từ 0,3% đến 0,6%. Việc bổ sung các nguyên tố hợp kim như mangan (Mn), crom (Cr) và molypden (Mo) ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính của chúng. Ví dụ, mangan cải thiện khả năng làm cứng và độ bền kéo, trong khi crom tăng cường khả năng chống ăn mòn và độ dẻo dai.

Các đặc điểm quan trọng nhất của thép cứng bao gồm:

• Độ cứng cao : Đạt được thông qua quá trình xử lý nhiệt, phù hợp cho các ứng dụng chống mài mòn.
• Độ bền tốt : Độ bền kéo và độ bền chảy cao, cho phép chúng chịu được tải trọng lớn.
• Khả năng chống mài mòn : Hiệu suất tuyệt vời trong môi trường mài mòn, lý tưởng cho các công cụ cắt và thành phần máy móc.

Ưu điểm (Pros) :
- Khả năng chống mài mòn vượt trội, thích hợp làm dụng cụ cắt, khuôn mẫu và khuôn đúc.
- Tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao, cho phép thiết kế nhẹ hơn mà không ảnh hưởng đến hiệu suất.
- Ứng dụng đa dạng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm ô tô, hàng không vũ trụ và sản xuất.

Hạn chế (Nhược điểm) :
- Độ dẻo giảm so với thép có hàm lượng cacbon thấp hơn, có thể dẫn đến giòn.
- Khó hàn hơn do nguy cơ nứt, biến dạng.
- Chi phí cao hơn so với thép mềm, điều này có thể hạn chế việc sử dụng chúng trong các ứng dụng ít đòi hỏi hơn.

Trong lịch sử, thép cứng đóng vai trò quan trọng trong những tiến bộ công nghiệp, đặc biệt là trong các quy trình sản xuất đòi hỏi độ bền và độ chính xác tối quan trọng.

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	G10400	Hoa Kỳ	Tương đương gần nhất với AISI 1040
AISI/SAE	1045	Hoa Kỳ	Thép cacbon trung bình có khả năng gia công tốt
Tiêu chuẩn ASTM	A829	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn kỹ thuật cho tấm thép hợp kim
VI	1.0503	Châu Âu	Tương đương với AISI 1045 với sự khác biệt nhỏ về thành phần
Tiêu chuẩn Nhật Bản	S45C	Nhật Bản	Tính chất tương tự nhưng có thể khác nhau về phản ứng xử lý nhiệt
Tiêu chuẩn ISO	1045	Quốc tế	Tiêu chuẩn chỉ định cho thép cacbon trung bình

Sự khác biệt giữa các cấp độ tương đương thường nằm ở thành phần hóa học cụ thể và phản ứng xử lý nhiệt, có thể ảnh hưởng đến hiệu suất trong các ứng dụng cụ thể. Ví dụ, trong khi AISI 1045 và EN 1.0503 tương tự nhau, thì EN 1.0503 có thể có khả năng tôi tốt hơn một chút do các thành phần hợp kim cụ thể của nó.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
C (Cacbon)	0,40 - 0,50
Mn (Mangan)	0,60 - 0,90
Cr (Crom)	0,10 - 0,30
Mo (Molipden)	0,10 - 0,20
Si (Silic)	0,15 - 0,40
P (Phốt pho)	≤ 0,04
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,05

Vai trò chính của các nguyên tố hợp kim quan trọng trong thép cứng bao gồm:
- Cacbon (C) : Tăng độ cứng và độ bền thông qua xử lý nhiệt.
- Mangan (Mn) : Tăng cường khả năng làm cứng và độ bền kéo, cải thiện hiệu suất tổng thể của thép.
- Crom (Cr) : Cải thiện khả năng chống ăn mòn và độ dẻo dai, giúp thép bền hơn trong môi trường khắc nghiệt.

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	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	600 - 850MPa	87 - 123 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	400 - 600MPa	58 - 87 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	10-20%	10-20%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (Rockwell C)	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	30-50HRC	30-50HRC	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động (Charpy)	Nhiệt độ phòng	Nhiệt độ phòng	20 - 40J	15 - 30 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Sự kết hợp của các đặc tính cơ học này làm cho thép cứng đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng liên quan đến tải trọng cơ học cao, chẳng hạn như trong các thành phần kết cấu, phụ tùng ô tô và máy móc hạng nặng. Độ bền kéo và độ bền chảy cao đảm bảo rằng các thành phần có thể chịu được lực đáng kể mà không bị chảy hoặc gãy.

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	-	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	0,46 kJ/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Điện trở suất	Nhiệt độ phòng	0,000001Ω·m	0,000001 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. Điểm nóng chảy cao cho thấy thép cứng có thể duy trì tính toàn vẹn của nó ở nhiệt độ cao, làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng trong quy trình làm việc nóng.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C/°F)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Clorua	Thay đổi	Môi trường xung quanh	Hội chợ	Nguy cơ ăn mòn rỗ
Axit	Thấp	Môi trường xung quanh	Nghèo	Dễ bị ăn mòn nói chung
Dung dịch kiềm	Thay đổi	Môi trường xung quanh	Hội chợ	Sức đề kháng vừa phải
Khí quyển	-	Môi trường xung quanh	Tốt	Lớp oxit bảo vệ hình thành

Thép cứng thể hiện mức độ chống ăn mòn khác nhau tùy thuộc vào môi trường. Nhìn chung, thép cứng có khả năng chống ăn mòn trong khí quyển ở mức trung bình, nhưng dễ bị rỗ trong môi trường giàu clorua. So với thép không gỉ, thép cứng thường có khả năng chống ăn mòn thấp hơn, khiến chúng ít phù hợp hơn cho các ứng dụng trong 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 vượt quá nhiệt độ này

Ở nhiệt độ cao, thép cứng duy trì các đặc tính cơ học của nó ở một giới hạn nhất định. Tuy nhiên, tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ trên 400 °C có thể dẫn đến giảm độ bền và các vấn đề oxy hóa tiềm ẩn. Do đó, cần cân nhắc cẩn thận khi lựa chọn thép cứng cho các ứng dụng nhiệt độ cao.

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	Nên làm nóng trước
TIG	ER70S-2	Khí Argon	Yêu cầu xử lý nhiệt sau khi hàn
Dán	E7018	-	Thích hợp cho các phần dày hơn

Thép cứng có thể hàn được, nhưng phải đặc biệt cẩn thận để tránh nứt. Làm nóng trước vật liệu và sử dụng kim loại phụ thích hợp có thể giúp giảm thiểu những rủi ro này. Xử lý nhiệt sau khi hàn thường được khuyến nghị để giảm ứng suất dư.

Khả năng gia công

Thông số gia công	[Thép cứng]	AISI 1212	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	60	100	Thép cứng khó gia công hơn AISI 1212
Tốc độ cắt điển hình	20 m/phút	40 m/phút	Tốc độ thấp hơn được khuyến nghị cho thép cứng

Gia công thép cứng có thể là một thách thức do độ cứng của nó. Sử dụng thép tốc độ cao hoặc dụng cụ cacbua và tối ưu hóa tốc độ cắt có thể cải thiện khả năng gia công.

Khả năng định hình

Thép cứng có khả năng định hình hạn chế do độ bền và độ cứng cao. Các quy trình tạo hình nguội khả thi nhưng có thể đòi hỏi lực đáng kể và có thể dẫn đến quá trình làm cứng khi gia công. Tạo hình nóng được ưa chuộng cho các hình dạng phức tạp.

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 dầu	Giảm độ cứng, tăng độ dẻo
Làm nguội	800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F	30 phút	Nước hoặc dầu	Tăng độ cứng và sức mạnh
Làm nguội	200 - 600 °C / 392 - 1112 °F	1 giờ	Không khí	Giảm độ giòn, tăng độ dai

Các quy trình xử lý nhiệt làm thay đổi đáng kể cấu trúc vi mô của thép cứng, tăng cường độ cứng và độ bền trong khi cân bằng độ dẻo. Làm nguội sau đó là ram là một phương pháp phổ biến để đạt được các tính chất cơ học tối ưu.

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)
Ô tô	Bánh răng và trục	Độ bền cao, chống mài mòn	Độ bền dưới tải
Chế tạo	Dụng cụ cắt	Độ cứng, độ dai	Độ chính xác và độ bền
Hàng không vũ trụ	Thành phần cấu trúc	Tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng cao	Nhẹ và mạnh mẽ
Sự thi công	Thanh cốt thép	Độ bền kéo, độ dẻo	Tính toàn vẹn của cấu trúc

Các ứng dụng khác bao gồm:
* - Linh kiện máy móc hạng nặng
* - Khuôn và khuôn ép nhựa
* - Thiết bị nông nghiệp

Trong ứng dụng ô tô, thép cứng thường được chọn làm bánh răng và trục vì khả năng chịu được ứng suất cao và chống mài mòn, đảm bảo độ bền và độ tin cậy.

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

Tính năng/Thuộc tính	Thép cứng	Tiêu chuẩn AISI 4140	Tiêu chuẩn AISI 1045	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Độ cứng cao	Độ cứng vừa phải	Độ cứng vừa phải	Thép cứng có khả năng chống mài mòn vượt trội
Góc nhìn ăn mòn chính	Hội chợ	Tốt	Hội chợ	AISI 4140 có khả năng chống ăn mòn tốt hơn
Khả năng hàn	Thách thức	Vừa phải	Tốt	Thép cứng đòi hỏi kỹ thuật đặc biệt
Khả năng gia công	Vừa phải	Tốt	Xuất sắc	AISI 1045 dễ gia công hơn
Khả năng định hình	Giới hạn	Vừa phải	Tốt	AISI 1045 cung cấp khả năng định hình tốt hơn
Chi phí tương đối xấp xỉ	Vừa phải	Vừa phải	Thấp	Chi phí thay đổi tùy theo thành phần hợp kim
Khả năng cung cấp điển hình	Chung	Chung	Rất phổ biến	AISI 1045 có sẵn rộng rãi

Khi lựa chọn thép cứng cho một ứng dụng cụ thể, điều cần thiết là phải xem xét các yếu tố như tính chất cơ học, khả năng chống ăn mòn và đặc điểm chế tạo. Mặc dù thép cứng có khả năng chống mài mòn vượt trội, nhưng nó có thể không phải là lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng đòi hỏi độ dẻo cao hoặc dễ gia công. Hiểu được sự đánh đổi giữa các cấp độ khác nhau có thể giúp các kỹ sư đưa ra quyết định sáng suốt phù hợp với yêu cầu về hiệu suất và cân nhắc về chi phí.