Thép các bon thường: Tính chất và ứng dụng chính
Chia sẻ
Table Of Content
Table Of Content
Thép các-bon thường là một loại thép cơ bản được đặc trưng chủ yếu bởi hàm lượng các-bon, thường dao động từ 0,05% đến 2,0%. Phân loại này bao gồm nhiều loại phụ khác nhau, bao gồm thép các-bon thấp, các-bon trung bình và các-bon cao, mỗi loại được xác định theo tỷ lệ phần trăm các-bon cụ thể và các đặc tính tương ứng. Nguyên tố hợp kim chính trong thép các-bon thường là bản thân các-bon, ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính cơ học, độ cứng và độ dẻo của nó.
Tổng quan toàn diện
Thép cacbon thường được phân loại dựa trên hàm lượng cacbon thành ba loại chính:
- Thép cacbon thấp : Chứa khoảng 0,05% đến 0,25% cacbon. Thép này được biết đến với độ dẻo và khả năng hàn tuyệt vời, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi phải tạo hình và định hình rộng rãi.
- Thép các-bon trung bình : Chứa khoảng 0,25% đến 0,60% các-bon. Loại này tạo ra sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo, làm cho nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng như linh kiện ô tô và bộ phận máy móc.
- Thép cacbon cao : Chứa 0,60% đến 2,0% cacbon. Nó có đặc điểm là độ cứng và độ bền cao nhưng độ dẻo thấp hơn, làm cho nó phù hợp để làm dụng cụ cắt và lò xo.
Các đặc điểm quan trọng của thép cacbon thông thường bao gồm:
- Độ bền : Hàm lượng carbon cao hơn làm tăng độ bền kéo.
- Độ dẻo : Hàm lượng carbon thấp hơn làm tăng độ dẻo, cho phép định hình và tạo hình dễ dàng hơn.
- Khả năng hàn : Nhìn chung là tốt, nhưng có thể bị ảnh hưởng bởi hàm lượng cacbon và xử lý nhiệt.
Thuận lợi :
- Tiết kiệm chi phí và có sẵn rộng rãi.
- Có thể sử dụng linh hoạt cho nhiều mục đích khác nhau do có nhiều hàm lượng carbon khác nhau.
- Có thể điều chỉnh tính chất cơ học tốt thông qua xử lý nhiệt.
Hạn chế :
- Dễ bị ăn mòn nếu không có lớp phủ bảo vệ.
- Thép có hàm lượng cacbon cao hơn có thể giòn và kém dẻo hơn.
- Khả năng chịu nhiệt độ cao hạn chế so với thép hợp kim.
Trong lịch sử, thép cacbon thông thường là nền tảng của ngành công nghiệp thép, là nền tảng cho nhiều ứng dụng kỹ thuật do tính sẵn có và dễ chế tạo.
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 | Thép ít cacbon |
| AISI/SAE | 1010 | Hoa Kỳ | Tương đương gần nhất với UNS G10100 |
| Tiêu chuẩn ASTM | A36 | Hoa Kỳ | Thép kết cấu có hàm lượng cacbon thấp |
| VI | S235JR | Châu Âu | Tương đương với A36, với sự khác biệt nhỏ về thành phần |
| ĐẠI HỌC | St37-2 | Đức | Tương tự như S235JR, được sử dụng trong các ứng dụng kết cấu |
| Tiêu chuẩn Nhật Bản | SS400 | Nhật Bản | Tương đương với S235JR, thường được sử dụng trong xây dựng |
| Anh | Câu hỏi 235 | Trung Quốc | Tương tự như A36, được sử dụng rộng rãi trong xây dựng |
Các ghi chú trong bảng nêu bật rằng mặc dù các loại thép này có thể được coi là tương đương, nhưng sự khác biệt nhỏ về thành phần và tính chất cơ học có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của chúng trong các ứng dụng cụ thể. Ví dụ, thép A36 có giới hạn chảy được chỉ định, trong khi S235JR có thành phần hóa học hơi khác có thể ảnh hưởng đến khả năng hàn.
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 |
Vai trò chính của các nguyên tố hợp kim quan trọng trong thép cacbon thông thường bao gồm:
- Cacbon (C) : Tăng độ cứng và độ bền nhưng giảm độ dẻo.
- Mangan (Mn) : Tăng cường khả năng làm cứng và độ bền, đồng thời cải thiện độ dẻo dai của thép.
- Silic (Si) : Hoạt động như chất khử oxy trong quá trình luyện thép và có thể cải thiện độ bền.
- Phốt pho (P) : Với hàm lượng nhỏ, nó có thể cải thiện khả năng gia công nhưng ở nồng độ cao hơn có thể dẫn đến giòn.
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 | 20-40% | 20-40% | 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 |
Sự kết hợp của các đặc tính cơ học này làm cho thép cacbon thông thường phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau, đặc biệt là khi cần độ bền và độ dẻo vừa phải. Ví dụ, thép cacbon thấp thường được sử dụng trong các tấm thân xe ô tô, trong khi thép cacbon trung bình được ưa chuộng cho các thành phần kết cấu do sự cân bằng giữa độ bền và khả năng gia công.
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/Phạm vi | - | 1425 - 1540 °C | 2600 - 2800 °F |
| Độ dẫn nhiệt | Nhiệt độ phòng | 50 W/m·K | 29 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·ft |
| Hệ số giãn nở nhiệt | Nhiệt độ phòng | 11,0 x 10⁻⁶ /°C | 6,1 x 10⁻⁶ /°F |
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 của thép cacbon thông thường làm cho nó phù hợp với các ứng dụng cần tản nhiệt, trong khi nhiệt dung riêng của nó cho biết nó sẽ phản ứng như thế nào với những thay đổi nhiệt độ trong quá trình xử lý.
Chống ăn mòn
| Chất ăn mòn | Sự tập trung (%) | Nhiệt độ (°C) | 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 | Không khuyến khích | Rất dễ bị tổn thương |
| kiềm | Thay đổi | Môi trường xung quanh | Hội chợ | Sức đề kháng vừa phải |
| Dung môi hữu cơ | Thay đổi | Môi trường xung quanh | Tốt | Nói chung là kháng cự |
Thép cacbon thông thường có khả năng chống ăn mòn hạn chế, đặc biệt là trong môi trường có độ ẩm cao hoặc tiếp xúc với clorua. Thép cacbon thông thường dễ bị gỉ khi tiếp xúc với độ ẩm và cần lớp phủ bảo vệ hoặc mạ kẽm cho các ứng dụng ngoài trời. So với thép không gỉ có chứa crom để tăng khả năng chống ăn mòn, thép cacbon thông thường kém bền hơn đáng kể trong môi trường 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 °C | 752 °F | Ngoài ra, quá trình oxy hóa xảy ra |
| Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa | 500 °C | 932 °F | Chỉ tiếp xúc trong thời gian ngắn |
| Nhiệt độ thang đo | 600 °C | 1112 °F | Nguy cơ mở rộng vượt quá nhiệt độ này |
| Cân nhắc về sức bền kéo dài bắt đầu từ khoảng | 400 °C | 752 °F | Có thể xảy ra hiện tượng biến dạng ở nhiệt độ cao |
Ở nhiệt độ cao, thép cacbon thông thường có thể bị oxy hóa và đóng cặn, có thể làm giảm tính toàn vẹn của cấu trúc. Nhiệt độ làm việc liên tục tối đa rất quan trọng đối với các ứng dụng liên quan đến nhiệt, vì vượt quá giới hạn này có thể dẫn đến sự suy giảm đáng kể các đặc tính của vật liệu.
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 | ER70S-2 | Khí Argon | Tuyệt vời cho công việc chính xác |
| Dán | E7018 | Không có | Thích hợp cho công việc ngoài trời |
Thép cacbon thường được coi là có khả năng hàn tốt, đặc biệt là trong phạm vi cacbon thấp. 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 độ dẻo dai của khu vực hàn.
Khả năng gia công
| Thông số gia công | [Thép cacbon thường] | [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 | 50 m/phút | Tốc độ cao hơn cho AISI 1212 |
Thép cacbon thông thường có khả năng gia công hợp lý, đặc biệt là ở các loại cacbon thấp. Tuy nhiên, hàm lượng cacbon cao hơn có thể dẫn đến tăng độ mài mòn dụng cụ và giảm tốc độ cắt.
Khả năng định hình
Thép cacbon thông thường có khả năng định hình tốt, đặc biệt là trong phạm vi cacbon thấp. Thép này có thể dễ dàng được định hình nguội thành nhiều hình dạng khác nhau, trong khi định hình nóng cũng khả thi ở nhiệt độ cao. Hiệu ứng làm cứng khi gia công nên được xem xét trong quá trình định hình, vì nó có thể làm tăng độ bền của vật liệu nhưng cũng có thể dẫn đến nứt nếu không được quản lý đúng cách.
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 | Cải thiện độ dẻo và giảm độ cứng |
| Làm nguội | 800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F | 30 phút | Nước hoặc dầu | Tăng độ cứng |
| Làm nguội | 400 - 700 °C / 752 - 1292 °F | 1 giờ | Không khí | Giảm độ giòn và tăng độ dẻo dai |
Các quy trình xử lý nhiệt làm thay đổi đáng kể cấu trúc vi mô của thép cacbon thông thường, ảnh hưởng đến các tính chất cơ học của nó. Ví dụ, làm nguội làm tăng độ cứng nhưng có thể dẫn đến giòn, có thể giảm bớt thông qua quá trình tôi luyện.
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 | Tấm thân xe | Khả năng định hình tốt, khả năng hàn | Tiết kiệm chi phí, dễ định hình |
| Sự thi công | Dầm kết cấu | Độ bền cao, khả năng hàn tốt | Cần thiết cho các kết cấu chịu lực |
| Chế tạo | Linh kiện máy móc | Sự cân bằng giữa sức mạnh và độ dẻo dai | Đa năng cho nhiều thành phần khác nhau |
| Công cụ | Dụng cụ cầm tay | Độ cứng cao (trong các biến thể có hàm lượng carbon cao) | Độ bền và khả năng chống mài mòn |
Các ứng dụng khác bao gồm:
- Ống và ống dẫn : Được sử dụng trong các ứng dụng hệ thống ống nước và kết cấu.
- Vật liệu lắp ghép : Bu lông, đai ốc, ốc vít có độ bền tốt.
- Thiết bị nông nghiệp : Các linh kiện đòi hỏi độ bền và khả năng chống mài mòn.
Thép cacbon thông thường được lựa chọn cho các ứng dụng này vì tính sẵn có, hiệu quả về chi phí và khả năng tùy chỉnh thông qua xử lý nhiệt và chế biến.
Những cân nhắc quan trọng, Tiêu chí lựa chọn và những hiểu biết sâu sắc hơn
| Tính năng/Thuộc tính | [Thép cacbon thường] | [AISI 4140] | [Thép không gỉ 304] | Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi |
|---|---|---|---|---|
| Tính chất cơ học chính | Sức mạnh vừa phải | Độ bền cao | Sức mạnh vừa phải | AISI 4140 có độ bền cao hơn nhưng giá thành cao hơn |
| Góc nhìn ăn mòn chính | Nghèo | Hội chợ | Xuất sắc | Thép không gỉ vượt trội trong môi trường ăn mòn |
| Khả năng hàn | Tốt | Hội chợ | Tốt | Thép cacbon thông thường dễ hàn hơn AISI 4140 |
| Khả năng gia công | Vừa phải | Hội chợ | Tốt | Thép cacbon thông thường dễ gia công hơn AISI 4140 |
| Khả năng định hình | Tốt | Hội chợ | Tốt | Thép cacbon thông thường dễ định hình hơn AISI 4140 |
| Chi phí tương đối xấp xỉ | Thấp | Trung bình | Cao | Thép cacbon thông thường là lựa chọn tiết kiệm chi phí nhất |
| Khả năng cung cấp điển hình | Cao | Trung bình | Cao | Có sẵn rộng rãi ở nhiều dạng khác nhau |
Khi lựa chọn thép cacbon thông thường, cần cân nhắc đến hiệu quả về chi phí, tính khả dụng và các đặc tính cơ học cụ thể cần thiết cho ứng dụng. Tính linh hoạt của nó làm cho nó phù hợp với nhiều mục đích sử dụng, nhưng khả năng bị ăn mòn của nó đòi hỏi phải có các biện pháp bảo vệ trong một số môi trường nhất định.
Tóm lại, thép cacbon thông thường vẫn là vật liệu nền tảng trong kỹ thuật và sản xuất, mang lại sự cân bằng về các đặc tính có thể được điều chỉnh để đáp ứng nhiều nhu cầu ứng dụng khác nhau.