Lợi ích sức mạnh của thép carbon giảm xuống ba tính chất cơ học chính: sức kéo, sức chịu và mức độ cứng. Khi nói về sức bền kéo, chúng ta nhìn vào sức mạnh mà vật liệu có thể chịu đựng trước khi nó vỡ ra. Thép carbon cao thực sự có thể đạt trên 800 MPa theo một số nghiên cứu gần đây được công bố năm ngoái. Độ bền của kim loại là khi kim loại bắt đầu thay đổi hình dạng vĩnh viễn thay vì chỉ uốn cong. Các phiên bản carbon thấp thường nằm xung quanh mốc 350 MPa, trong khi những phiên bản được xử lý bằng quá trình nhiệt có thể vượt quá 1.000 MPa dễ dàng. Về độ cứng, nó được đo bằng cách sử dụng thứ gọi là thang Rockwell C. Năng lượng carbon càng cao, thép càng cứng vì có nhiều khiếm khuyết vi mô trong cấu trúc lưới tinh thể làm cho nó chống trầy xước và mòn tốt hơn.
Sức mạnh kéo về cơ bản cho chúng ta biết bao nhiêu trọng lượng thép carbon có thể giữ trước khi vỡ, điều này rất quan trọng đối với những thứ như cầu và các bộ phận máy móc nặng. Ví dụ như thép cấu trúc ASTM A36 thường dao động giữa 400 và 550 MPa về độ bền kéo. Nhưng khi chúng ta nhìn vào thép dụng cụ như 1095, chúng thực sự có thể vượt quá 1.000 MPa một khi chúng đã được xử lý nhiệt đúng cách. Bây giờ sức mạnh của sản phẩm là một yếu tố quan trọng khác đặt ra giới hạn cho những gì vật liệu có thể xử lý trong quá trình hoạt động thường xuyên. Crankshafts ô tô được làm từ thép carbon trung bình 1045 thường sẽ không bị hư hại dưới áp suất lên đến khoảng 450 MPa. Về độ cứng, có một sự nhảy vọt từ khoảng 70 HRB cho các giống carbon thấp lên đến 65 HRC cho các loại carbon cao. Điều này làm cho thép carbon cao là lựa chọn đặc biệt tốt cho các công cụ cắt nơi chúng cần chống mòn theo thời gian.
Việc điều chỉnh mức carbon từ khoảng 0,05 phần trăm lên tới 1,0 phần trăm cho phép các nhà sản xuất điều chỉnh các tính chất bền mà họ cần. Theo nghiên cứu được công bố trong ấn bản năm 2023 của Materials Science Review, tăng hàm lượng carbon từ 0,2% lên 0,8% làm tăng độ bền kéo gần 60%, mặc dù nó có chi phí vì độ dẻo dai giảm khoảng 70% trong khoảng thời gian này. Những hậu quả thực tế khá đơn giản. Các loại thép carbon thấp chứa từ 0,05 đến 0,3% carbon rất tốt cho những thứ như tấm thân xe cần được định hình mà không bị nứt. Ở đầu kia của quang phổ, thép có hàm lượng carbon cao hơn từ 0,6 đến 1,0% trở nên rất cứng và cứng, làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các công cụ cắt, dao và những lò xo hạng nặng được sử dụng trong máy móc.
Khi có nhiều carbon hơn trong thép, nó trở nên mạnh hơn bởi vì sắt cacbít (Fe3C) hình thành bên trong, mà về cơ bản ngăn chặn những chuyển động nhỏ được gọi là trục trặc. Khoảng 0,8% hàm lượng carbon cho chúng ta cái được gọi là cấu trúc hoàn toàn ngọc trai. Hãy nghĩ về nó như là các lớp ferrite trộn với xi măng, tạo ra một cái gì đó vừa đủ mạnh mẽ vừa có một chút linh hoạt. Nhưng nếu chúng ta vượt qua điểm ngọt ngào đó, quá nhiều carbide bắt đầu tạo thành những mạng lưới mong manh trên khắp kim loại. Đó là lý do tại sao xử lý nhiệt thích hợp rất quan trọng để có được những thứ tốt nhất từ vật liệu. Ngày nay, các nhà sản xuất sử dụng các phương pháp như cuộn kiểm soát để làm cho hạt nhỏ hơn, làm tăng độ bền ngay cả khi không thêm carbon vào hỗn hợp. Cách tiếp cận này giúp đạt được các tính chất tốt hơn trong khi giữ cho mọi thứ hiệu quả chi phí trong các thiết lập sản xuất.
Với hàm lượng carbon từ 0,05% đến 0,32%, thép carbon thấp đạt độ bền kéo 20,30034,700 psi (ASTM A36 2023). Thể loại này ưu tiên độ dẻo dai và khả năng hàn cho các vạch xây dựng, khung ô tô và các ứng dụng kim loại. Độ cứng gãy 30 105 ksi-in1⁄2 cho phép uốn cong và hình thành mà không bị nứt cấp trong các cấu trúc chống động đất.
| Bất động sản | Thấp carbon | Carbon trung bình | Cao carbon |
|---|---|---|---|
| Cường độ chịu kéo (psi) | 20.300 34.700 | 39.90072.000 | 48.400101.000 |
| Độ cứng (Brinell) | 111150 | 170210 | 230375 |
| Độ dẻo dai (% dài) | 2340 | 15–25 | 512 |
Bao gồm 0,30 0,60% carbon, các loại trung bình như AISI 1045 cung cấp độ bền kéo 72,000 psi 78% mạnh hơn so với các đối tác carbon thấp. Điều trị nhiệt thông qua làm nguội và làm nóng làm tăng độ cứng lên 210 HB trong khi duy trì độ kéo dài 18% (ASM International 2024). Cân bằng này hỗ trợ trục bánh, bánh răng và các thành phần thủy lực đòi hỏi khả năng chịu mệt mỏi dưới tải trọng chu kỳ.
Thép có hàm lượng carbon 0,61 1,5% đạt độ cứng 230+ Brinell và độ bền kéo vượt quá 100.000 psi. Sự đánh đổi? Độ kéo dài giảm xuống ≤12%, làm cho các loại như 1095 không phù hợp với tải năng động. Các ứng dụng tận dụng các thuộc tính này:
Một phân tích năm 2023 về lưỡi máy đấm cho thấy thép carbon 1060 (0,60% C) duy trì biến dạng cạnh ≤0,01 mm sau 50.000 chu kỳ vượt trội hơn các loại thép thay thế bằng 27% trong tỷ lệ chi phí-bình bền. Độ cứng sau khi dập 62 HRC cho phép chế biến kim loại bằng tấm nhanh hơn 19% mà không cần phải sơn (Journal of Manufacturing Systems).
Các phương pháp xử lý nhiệt khác nhau bao gồm làm nguội, làm nóng và nướng đều làm việc để cải thiện đặc điểm độ bền của thép cacbon. Khi chúng ta nói về làm nguội, điều xảy ra là thép nóng được làm mát rất nhanh bằng cách sử dụng nước hoặc dầu. Điều này tạo ra cấu trúc martensitic cứng bên trong kim loại. Một số nghiên cứu từ ASM International vào năm 2023 cho thấy thép carbon cao có thể đạt độ bền kéo trên 2000 MPa sau khi dập tắt đúng cách. Sau khi làm nguội, thép sẽ được làm nóng lại ở khoảng 300 đến 600 độ C. Bước này làm cho kim loại ít dễ vỡ hơn nhưng giữ phần lớn độ cứng của nó nguyên vẹn, thường khoảng 85 đến 90 phần trăm. Và còn có việc nướng nướng, hoạt động khác. Thay vì làm cho mọi thứ khó khăn hơn, nó thực sự làm mềm thép bằng cách làm mát nó từ từ. Quá trình này giúp tăng độ kéo dài của vật liệu trước khi vỡ, điều này rất quan trọng khi làm việc với các bộ phận thép carbon trung bình cần phải được định hình sau khi chúng được sản xuất.
Khi thép carbon bị làm nóng, nó thay đổi từ austenite thành martensite bão hòa, tạo ra những biến dạng lưới làm cho kim loại cứng hơn. Nhưng có một vấn đề ở đây bởi vì cấu trúc mới này không ổn định và tạo ra rất nhiều căng thẳng bên trong vật liệu. Đó là nơi làm nóng trở nên hữu ích, vì nó giúp giảm căng thẳng này thông qua sự kết tủa cacbua. Hãy làm nóng ở nhiệt độ 450 độ C trong khoảng một hoặc hai giờ, và những gì xảy ra là các nguyên tử carbon bắt đầu phân phối lại bản thân, tạo thành các hạt xi măng ổn định. Những hạt này sau đó cải thiện độ dẻo dai của thép mà không thực sự hy sinh nhiều về sức mạnh. Kết quả là gì? Martensite được làm nóng trở nên khá hoàn hảo để làm những thứ như khoan, vì những công cụ này cần cả khả năng chống mòn tốt và khả năng chịu được gãy khi chúng bị áp lực trong khi sử dụng thực tế.
Các nhà sản xuất ngày nay đang đạt được kết quả tốt hơn từ thép carbon bằng cách tinh chỉnh các quy trình làm mát của họ. Những hệ thống tiên tiến này có thể kiểm soát tốc độ làm mát trong khoảng 5 độ C mỗi giây, điều này tạo ra sự khác biệt lớn. So với các kỹ thuật dập tắt trường học cũ, các phương pháp hiện đại này tạo ra các cấu trúc hạt mịn hơn nhiều. Lợi nhuận? Thép cấu trúc cho thấy độ bền năng suất cao hơn khoảng 12 đến 15 phần trăm sau khi chế biến. Để kiểm soát chất lượng, hầu hết các cửa hàng tuân theo hướng dẫn ASTM A255-20 khi kiểm tra độ cứng. Điều này giúp duy trì sự nhất quán trong các bộ phận như bánh răng xe hơi và các vật cố định xây dựng cần phải chịu được căng thẳng theo thời gian. Khi kết hợp với lò xử lý nhiệt thông minh được kết nối với internet, những cải tiến này giảm tiêu thụ năng lượng khoảng 20% mà không ảnh hưởng đến tính toàn vẹn cơ học của sản phẩm cuối cùng.
Hành vi cơ học của thép carbon thực sự là tìm kiếm sự cân bằng đúng giữa các đặc điểm vật liệu khác nhau. Khi hàm lượng carbon tăng khoảng 0,6 đến 1,5%, chúng ta thấy cả độ bền kéo và độ cứng tăng lên, nhưng đồng thời độ dẻo dai bị ảnh hưởng nặng nề. Ví dụ như thép carbon cực cao, những loại có hàm lượng carbon khoảng 1% thường đạt độ bền kéo trên 1500 MPa, nhưng khả năng kéo dài của chúng trước khi vỡ chỉ giảm dưới 10%. Hiệu ứng ngược lại xảy ra bởi vì carbon tạo ra những cấu trúc xi măng cứng mà về cơ bản cản trở cách các nguyên tử di chuyển trong kim loại. Tuy nhiên, một số nghiên cứu gần đây về thiết kế cấu trúc dị tính đã cho thấy kết quả hứa hẹn. Bằng cách kiểm soát cẩn thận kích thước hạt trong quá trình sản xuất, các kỹ sư đã tăng độ dẻo dai khoảng 15% trong thép carbon cao, điều này cho thấy có những cách để làm việc xung quanh những hạn chế truyền thống này thông qua các kỹ thuật kỹ thuật vật liệu thông minh.
Các yếu tố tăng cường sức mạnh cũng làm giảm độ dẻo dai của gãy xương:
Sự mong manh này trở nên quan trọng trong các ứng dụng tải năng động như khớp xây dựng địa chấn. Các nhà sản xuất bù đắp bằng cách trộn các phương pháp điều trị nhiệt nên để làm cứng tiếp theo là làm nóng ở 400600 °C để khôi phục độ cứng một phần.
Khả năng hàn tương quan ngược với hàm lượng carbon do sự hình thành martensite và rủi ro nứt hydro. Đối với thép có hàm lượng carbon trên 0,3%:
Hàn laser-arc lai đang nổi lên như một giải pháp, đạt hiệu quả khớp 95% trong thép carbon 1045 trong khi giảm thiểu các đỉnh độ cứng vùng bị ảnh hưởng bởi nhiệt (HAZ).
Tỷ lệ sức mạnh so với trọng lượng của thép carbon đã làm cho nó khá cần thiết để xây dựng mọi thứ ngày nay. Hầu hết các yếu tố cấu trúc như các vạch, cột và các thanh gia cố mà chúng ta thấy trong bê tông thực sự phụ thuộc vào những gì được gọi là thép carbon thấp đến trung bình từ khoảng 0,05% đến 0,3% hàm lượng carbon. Phạm vi đặc biệt này hoạt động tốt nhất vì nó cho phép các tính chất hàn tốt trong khi vẫn có thể chịu được tải trọng nặng. Hãy lấy thép carbon ASTM A36 làm ví dụ. Vật liệu này tạo thành xương sống của nhiều tòa nhà chọc trời và cây cầu nhờ sức bền kéo ấn tượng của nó từ 400 đến 550 MPa. Nó xử lý mọi sự thay đổi căng thẳng mà không bị hỏng theo thời gian. Và khi các nhà xây dựng áp dụng lớp phủ bảo vệ cho các cấu trúc thép này, họ có thêm một lớp bảo vệ chống gỉ và ăn mòn, có nghĩa là những cấu trúc này có thể tồn tại lâu hơn nhiều ngay cả trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt hoặc các khu vực ven biển nơi không khí muối thường ăn mòn kim loại.
Ngành công nghiệp ô tô ưu tiên thép carbon trung bình (0,30,6% carbon) cho trục quay, bánh răng và các thành phần khung xe. Nhóm này cân bằng độ bền (550860 MPa) với độ dẻo đủ cho đập và đúc. Ví dụ, thép 4140 đã được dập tắt và thắt cứng, chịu được căng thẳng chu kỳ trong các bộ phận động cơ trong khi duy trì sự ổn định kích thước ở nhiệt độ cao.
Thép carbon cao (> 0,6% carbon) chiếm ưu thế trong các công cụ cắt, lưỡi dao và các bộ phận máy móc công nghiệp. Các loại thép như thép 1095 đạt mức độ cứng Rockwell C 6065 sau khi xử lý nhiệt, cho phép gia công chính xác và kéo dài tuổi thọ. Các ứng dụng bao gồm:
Hãy xem xét ba yếu tố khi chọn thép carbon:
Đối với các dự án đòi hỏi cả độ bền và độ dẻo dai, thép carbon trung bình cứng qua quenching và thắt thường cung cấp sự cân bằng tối ưu.
Các đặc tính cơ học chính của thép carbon là gì? Thép carbon được đặc trưng bởi độ bền kéo, độ bền và độ cứng, quyết định độ bền, khả năng hình thành và khả năng mòn của nó.
Hàm lượng carbon ảnh hưởng đến độ bền của thép như thế nào? Tăng hàm lượng carbon thường làm tăng độ bền kéo nhưng làm giảm độ dẻo dai, ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể của thép.
Điều trị nhiệt đóng vai trò gì trong việc tăng cường thép carbon? Các quy trình xử lý nhiệt như làm nguội và làm nóng tăng cường sức mạnh và độ dẻo dai của thép cacbon bằng cách tinh chỉnh cấu trúc vi mô của nó.
Các ứng dụng công nghiệp của thép carbon là gì? Thép carbon được sử dụng rộng rãi trong xây dựng, sản xuất ô tô và sản xuất công cụ do sức mạnh, độ dẻo dai và tính linh hoạt của nó.
Hot News2025-01-03
2024-10-23
2024-11-15
CÔNG TY TNHH THÉP TJYCT chuyên về các sản phẩm thép cacbon, sản phẩm thép không gỉ và thép hợp kim hơn 16 năm. chính trực, chuyên nghiệp,
tầng 6, Bắc C6, Trung tâm Thương mại Aocheng, Thiên Tân, Trung Quốc
Bản quyền © 2024 TJYCT Steel Co., Ltd Privacy Policy
EN
