Thép siêu eutectoid: Tính chất và ứng dụng chính

Thép siêu eutectoid là một loại thép cacbon cụ thể được đặc trưng bởi hàm lượng cacbon, vượt quá 0,76% theo trọng lượng. Phân loại này đặt thép này cao hơn thành phần eutectoid trong biểu đồ pha sắt-cacbon, dẫn đến các đặc điểm cấu trúc vi mô và tính chất cơ học riêng biệt. Nguyên tố hợp kim chính trong thép siêu eutectoid là cacbon, ảnh hưởng đáng kể đến độ cứng, độ bền và khả năng chống mài mòn của thép. Ngoài cacbon, các nguyên tố hợp kim khác như mangan, crom và molypden có thể có mặt, tăng cường các tính chất cụ thể như độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn.

Tổng quan toàn diện

Thép siêu eutectoid được biết đến với độ cứng và độ bền cao do có sự hiện diện của cementite (Fe₃C) trong cấu trúc vi mô của chúng. Khi được làm nguội từ nhiệt độ austenit hóa, các loại thép này tạo thành hỗn hợp của pearlite và cementite, tạo ra cấu trúc vi mô cứng hơn và chống mài mòn tốt hơn so với thép cacbon thấp hơn.

Thuận lợi:
- Độ cứng và khả năng chống mài mòn cao: Hàm lượng carbon tăng dẫn đến tỷ lệ thể tích của cementite cao hơn, góp phần tạo nên độ cứng và khả năng chống mài mòn vượt trội.
- Độ bền được cải thiện: Các loại thép này có độ bền kéo và độ bền chảy cao hơn so với thép có hàm lượng cacbon thấp, khiến chúng phù hợp cho các ứng dụng chịu ứng suất cao.

Hạn chế:
- Độ giòn: Hàm lượng carbon cao có thể dẫn đến độ giòn, đặc biệt là ở những phần dày hơn, điều này có thể hạn chế việc sử dụng chúng trong một số ứng dụng nhất định.
- Khả năng gia công khó khăn: Độ cứng của thép quá eutectoid có thể làm phức tạp quá trình gia công, đòi hỏi các công cụ và kỹ thuật chuyên dụng.

Theo truyền thống, thép siêu eutectoid đã được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống mài mòn cao, chẳng hạn như trong các công cụ cắt, khuôn và các thành phần kết cấu có độ bền cao. Vị thế thị trường của chúng đã được khẳng định, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp đòi hỏi vật liệu hiệu suất cao.

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	G10500	Hoa Kỳ	Tương đương gần nhất với AISI 1095
AISI/SAE	1095	Hoa Kỳ	Hàm lượng cacbon cao, được sử dụng trong thép công cụ
Tiêu chuẩn ASTM	A681	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn cho thép cacbon cao
VI	1.3505	Châu Âu	Tính chất tương tự như AISI 1095
Tiêu chuẩn Nhật Bản	S58C	Nhật Bản	Những khác biệt nhỏ về thành phần cần lưu ý
Tiêu chuẩn ISO	1050	Quốc tế	Tiêu chuẩn chung cho thép cacbon cao

Sự khác biệt giữa các loại này thường nằm ở các thành phần hợp kim và tính chất cơ học cụ thể của chúng, có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của chúng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Ví dụ, trong khi AISI 1095 và EN 1.3505 có hàm lượng cacbon tương tự nhau, các thành phần hợp kim của chúng có thể dẫn đến sự khác biệt về độ bền và khả năng gia công.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
C (Cacbon)	0,76 - 1,4
Mn (Mangan)	0,3 - 1,0
Si (Silic)	0,1 - 0,4
Cr (Crom)	0,0 - 0,5
Mo (Molipden)	0,0 - 0,3
P (Phốt pho)	≤ 0,04
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,05

Vai trò chính của cacbon trong thép siêu eutectoid là tăng độ cứng và độ bền thông qua sự hình thành của cementit. Mangan tăng cường khả năng làm cứng và độ dẻo dai, trong khi crom và molypden cải thiện khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn.

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	600 - 900MPa	87 - 130 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Ủ	Nhiệt độ phòng	400 - 700MPa	58 - 102 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Ủ	Nhiệt độ phòng	10-20%	10-20%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (Rockwell C)	Làm nguội & tôi luyện	Nhiệt độ phòng	55 - 65HRC	55 - 65HRC	Tiêu chuẩn ASTM E18
Sức mạnh tác động	Làm nguội & tôi luyện	-20°C	20 - 50J	15 - 37 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Sự kết hợp giữa độ bền kéo và độ bền chảy cao, cùng với độ cứng đáng kể, làm cho thép siêu eutectoid phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi tải trọng cơ học cao và tính toàn vẹn của cấu trúc. Tuy nhiên, các giá trị độ giãn dài thấp hơn cho thấy xu hướng giòn, cần phải được xem xét trong thiết kế.

Tính chất vật lý

Tài sản	Điều kiện/Nhiệt độ	Giá trị (Đơn vị đo lường)	Giá trị (Anh)
Tỉ trọng	-	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/h·ft²·°F
Nhiệt dung riêng	Nhiệt độ phòng	0,46 kJ/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Điện trở suất	Nhiệt độ phòng	0,0006 Ω·m	0,00002 Ω·trong

Mật độ và điểm nóng chảy của thép siêu eutectoid cho thấy độ bền của nó, trong khi độ dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng rất quan trọng đối với các ứng dụng liên quan đến chu trình nhiệt. Điện trở suất tương đối thấp, làm cho nó phù hợp với các ứng dụng cần độ dẫn điện.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Clorua	3-10	20 - 60	Hội chợ	Nguy cơ rỗ
Axit sunfuric	10 - 30	25 - 50	Nghèo	Không khuyến khích
Natri Hydroxit	1 - 5	20 - 40	Tốt	Sức đề kháng vừa phải
Khí quyển	-	-	Hội chợ	Dễ bị rỉ sét

Thép siêu eutectoid có khả năng chống ăn mòn vừa phải, đặc biệt là trong môi trường có clorua và axit. Nó dễ bị ăn mòn rỗ, đặc biệt là trong điều kiện nước muối. So với thép cacbon thấp hơn, nó có khả năng chống mài mòn tốt hơn nhưng có thể không hoạt động tốt trong môi trường ăn mòn như thép không gỉ hoặc thép hợp kim được thiết kế để chống ăn mòn.

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	752	Trên mức này, sức mạnh có thể suy giảm
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	500	932	Chỉ tiếp xúc trong thời gian ngắn
Nhiệt độ đóng băng	600	1112	Nguy cơ oxy hóa ở nhiệt độ trên
Cân nhắc về sức bền biến dạng	300	572	Bắt đầu suy thoái đáng kể

Ở nhiệt độ cao, thép siêu eutectoid duy trì độ bền của nó ở một giới hạn nhất định, vượt quá giới hạn này có thể xảy ra quá trình oxy hóa và đóng cặn. Điều này làm cho nó phù hợp với các ứng dụng mà nhiệt độ cao xảy ra không liên tục, nhưng nên tránh tiếp xúc liên tục để ngăn ngừa sự xuống cấp.

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	-	Không khuyến khích cho các phần dày

Thép siêu eutectoid có thể hàn được, nhưng phải cẩn thận để quản lý nhiệt đầu vào và điều kiện gia nhiệt trước để tránh nứt. Xử lý nhiệt sau khi hàn thường là cần thiết để giảm ứng suất và cải thiện độ dẻo dai.

Khả năng gia công

Thông số gia công	Thép siêu eutectoid	AISI 1212	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	50	100	Yêu cầu tốc độ chậm hơn và công cụ sắc bén
Tốc độ cắt điển hình (Tiện)	30 m/phút	60 m/phút	Sử dụng dụng cụ cacbua để có kết quả tốt nhất

Khả năng gia công là một thách thức do độ cứng của thép siêu eutectoid. Các điều kiện tối ưu bao gồm sử dụng các công cụ sắc bén và tốc độ cắt thấp hơn để giảm thiểu hao mòn công cụ.

Khả năng định hình

Thép siêu eutectoid ít phù hợp để tạo hình nguội do độ giòn của chúng. Có thể sử dụng các quy trình tạo hình nóng, nhưng phải cẩn thận để tránh làm cứng quá mức. Bán kính uốn cong phải lớn hơn so với bán kính được sử dụng cho thép cacbon thấp hơn để tránh nứt.

Xử lý nhiệt

Quy trình điều trị	Phạm vi nhiệt độ (°C)	Thời gian ngâm điển hình	Phương pháp làm mát	Mục đích chính / Kết quả mong đợi
Ủ	700 - 800	1 - 2 giờ	Không khí	Giảm độ cứng, tăng độ dẻo
Làm nguội	800 - 900	30 phút	Dầu/Nước	Tăng độ cứng
Làm nguội	200 - 600	1 giờ	Không khí	Giảm độ giòn, tăng độ dai

Trong quá trình xử lý nhiệt, thép siêu eutectoid trải qua những thay đổi đáng kể về cấu trúc vi mô. Làm nguội biến đổi austenit thành martensite, tăng độ cứng, trong khi ram cho phép điều chỉnh độ cứng và độ dai bằng cách chuyển đổi một số martensite trở lại cấu trúc ram.

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
Ô tô	Dụng cụ cắt	Độ cứng cao, chống mài mòn	Cần thiết cho độ bền trong các ứng dụng cắt
Chế tạo	Khuôn và khuôn mẫu	Độ bền cao, độ dẻo dai	Cần thiết cho quá trình hình thành
Hàng không vũ trụ	Thành phần cấu trúc	Tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng cao	Quan trọng đối với hiệu suất và sự an toàn
Dầu khí	Mũi khoan	Khả năng chống mài mòn, độ bền	Cần thiết cho môi trường khắc nghiệt

Các ứng dụng khác bao gồm:
* - Bánh răng hiệu suất cao
* - Chốt có độ bền cao
* - Bề mặt chống mài mòn

Thép siêu eutectoid được lựa chọn cho các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống mài mòn và độ bền cao, đặc biệt là khi tải trọng cơ học là đáng kể.

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

Tính năng/Thuộc tính	Thép siêu eutectoid	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	Vừa phải	Vừa phải	Hypereutectoid cung cấp độ cứng 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	Vừa phải	Tốt	Tốt	Hypereutectoid đòi hỏi phải hàn cẩn thận
Khả năng gia công	Thấp	Vừa phải	Cao	AISI 1045 dễ gia công hơn
Khả năng định hình	Thấp	Vừa phải	Cao	AISI 1045 có tính định hình cao 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	Vừa phải	Cao	Cao	AISI 4140 và 1045 phổ biến hơn

Khi lựa chọn thép siêu eutectoid, cần cân nhắc đến các đặc tính cơ học, hiệu quả về chi phí và tính khả dụng của nó. Mặc dù nó có độ cứng và độ bền vượt trội, nhưng những thách thức về độ giòn và khả năng gia công có thể hạn chế việc sử dụng nó trong một số ứng dụng nhất định. Việc hiểu được sự đánh đổi với các cấp độ thay thế là điều cần thiết để lựa chọn vật liệu tối ưu.