3.2.1. Khái niệm về thép cacbon

a.   Định nghĩa

Thép cacbon là loại thép thông thường, ngoài Fe và C ra còn chứa các tạp chất thường có như: Mangan, silic, phốt pho…

b.   Thành phần hóa học

 

C < 2%, Mn £ 0,8%, Si £ 0,4 %, P £ 0,05%, S £ 0,05%. Ngoài ra có thể có một lượng nhỏ các nguyên tố Cr, Ni, Cu(£ 0,2 %),W, Mo, Ti (£ 0,1%).

c.   Ảnh hưởng của các nguyên tố đến tính chất của thép

-  Cacbon: là nguyên tố quan trọng nhất, quyết định tổ chức, tính chất và công dụng của thép.

Theo hình 3.1 thì khi tăng %C sẽ làm giảm độ dẻo và độ dai va đập. Khi %C tăng trong khoảng 0,8 - 1% thì độ bền và độ cứng cao nhất nhưng khi vượt qua 1% thì độ bền và độ cứng bắt đầu giảm.

Theo %C có thể chia thép làm 4 nhóm có cơ tính và công dụng khác nhau:

Thép cacbon thấp  (%C ≤ 0,25%): dẻo, dai nhưng có độ bền và độ cứng thấp.

Thép cacbon trung bình (%C từ 0,3 - 0,5%): chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và va đập cao.

Thép cacbon tương đối cao (%C từ 0,55 - 0,65%): có tính đàn hồi cao, dùng làm lò xo.

Thép cacbon cao (%C ≥ 0,7%): có độ cứng cao nên được dùng làm dụng cụ đo, dao cắt, khuôn dập.

-  Mn và Si: là các tạp chất có lợi, có công dụng khử ôxy.

-  P, S: là các tạp chất có hại, làm giảm cơ tính của thép.

d.   Phân loại

Có nhiều cách phân loại thép cacbon như:

-       Theo tổ chức tế vi.

-       Theo phương pháp luyện kim.

-       Theo phương pháp khử ôxy.

-       Theo hàm lượng cacbon.

-       Theo công dụng.

Đối với ngành cơ khí cần quan tâm đến cách phân loại theo công dụng. Cách phân loại này cho phép chúng ta biết cách sử dụng thép một cách hợp lý khi chế tạo sản phẩm bằng thép.

3.2.2. Phân loại thép cacbon theo công dụng

a.  Thép cacbon thông dụng (còn gọi là thép cacbon thường)

Loại này có cơ tính không cao, dùng để chế tạo các chi tiết máy, các kết cấu chịu tải nhỏ. Thường dùng trong ngành xây dựng, giao thông (cầu, nhà, khung, tháp…)

Thép cacbon thông dụng được chia ra làm ba nhóm A, B, C. Nhóm A chỉ đánh giá bằng các chỉ tiêu cơ tính (độ bền, độ dẻo, độ cứng…). Nhóm B đặc trưng bằng thành phần hóa học và nhóm C đặc trưng bằng cả hai chỉ tiêu cơ tính và thành phần hóa học.

Khi cần biết cơ tính thì ta sử dụng nhóm A, khi cần tính toán về hàn, nhiệt luyện thì sử dụng nhóm B hoặc C.

Theo TCVN 1765 - 75 qui định ký hiệu thép thông dụng là hai chữ CT, sau chữ CT chỉ giới hạn bền tối thiểu,  theo đơn vị N/mm².

Ví dụ: CT 38 có giới hạn bền là

Các nhóm B và C cũng có ký hiệu tương tự như nhóm A nhưng qui ước thêm vào đằng trước chữ CT chữ cái B hay C để phân biệt.

Ví dụ: BCT31, CCT31.

Ký hiệu theo tiêu chuẩn của các nước:

-   Nga (ГOCT): Ký hiệu C_Tx trong đó x là các con số từ 0, 1, 2 đến 6 chỉ cấp độ bền (số càng cao thì độ bền càng cao) cũng có các phân nhóm A, Б, B tương ứng với các phân nhóm A, B, C của Việt Nam.

-   Mỹ (ASTM): Ký hiệu theo các số 42, 50, 60, 65 chỉ  (min) theo đơn vị ksi.

-   Nhật (JIS): Ký hiệu SSxxx; SMxxx hay xxx là các số chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu tính bằng Mpa. Ví dụ: SS400 là thép cacbon thường có .

a.  Thép cacbon kết cấu

 

Nhóm này có chất lượng cao hơn nhóm chất lượng thường thể hiện ở hàm lượng các tạp chất có hại (S £ 0,04%, P £ 0,035%), hàm lượng cacbon chính xác và chỉ tiêu cơ tính rõ ràng. Thép cacbon kết cấu trong các bảng chỉ dẫn ghi cả thành phần và cơ tính. Thép cacbon kết cấu được dùng trong chế tạo các chi tiết máy chịu lực cao hơn như: bánh răng, trục vít, cam, lò xo…

Theo TCVN ký hiệu thép cacbon kết cấu là chữ C, sau chữ C ghi chỉ số hàm lượng cacbon của thép như: C20, C45, C65…

Ví dụ: C45 trong đó chữ C ký hiệu thép cacbon, 45 chỉ phần vạn cacbon trung bình ( tương đương với 0,45%C).

Ký hiệu theo tiêu chuẩn của các nước:

-        Nga (ГOCT): Ký hiệu xx trong đó xx là số chỉ phần vạn C. Ví dụ mác 40 có 0,4%C.

-        Mỹ (AISI/SAE):  Ký hiệu 10xx trong đó xx là số chỉ phần vạn C. Ví dụ mác 1045 có 0,45%C.

-        Nhật (JIS): Ký hiệu SxxC trong đó xx là các số chỉ phần vạn C. Ví dụ mác S45C có 0,45%C.

 

a.  Thép cacbon dụng cụ

 

Là loại thép có hàm lượng cacbon cao (0,7 - 1,4%) có hàm lượng tạp chất S và P thấp (< 0,025%). Thép cacbon dụng cụ tuy có độ cứng cao khi nhiệt luyện nhưng chịu nhiệt thấp nên chỉ dùng làm các dụng cụ như: đục, dũa, dụng cụ đo hay các loại khuôn dập.

Theo TCVN ký hiệu thép cacbon dụng cụ là chữ CD, sau chữ CD ghi chỉ số hàm lượng cacbon của thép theo phần vạn như: CD70, CD80, CD100.

Ví dụ: CD100 - chữ CD ký hiệu thép cacbon dụng cụ, 100 chỉ phần vạn cacbon trung bình (tương đương với 1%C).

 

Ký hiệu theo tiêu chuẩn của các nước:

-        Nga (ГOCT): Ký hiệu Yxx trong đó xx là số chỉ phần nghìn C. Ví dụ mác Y12 có 1,2%C.

-        Mỹ (AISI):  Ký hiệu Wxxx trong đó xxx là số thứ tự. Ví dụ W110.

 

-        Nhật (JIS): Ký hiệu SKx trong đó x là số thứ tự từ 1 đến 7.

3.3.1. Khái niệm

Thép hợp kim là loại thép chứa trong nó một lượng thành phần các nguyên tố hợp kim thích hợp. Người ta cố ý đưa vào các nguyên tố đặc biệt với một lượng nhất định để làm thay đổi tổ chức và tính chất của thép. Các nguyên tố đặc biệt được gọi là nguyên tố hợp kim: Cr, Ni, Mn, Si, W, V, Co, Mo, Ti, Cu. Chính nhờ các nguyên tố hợp kim đó mà làm cho thép hợp kim nói chung có những ưu điểm vượt trội so với thép cacbon như:

- Về cơ tính: thép hợp kim nói chung có độ bền có độ bền cao hơn hẳn so với thép cacbon. Điều này thể hiện đặc biệt rõ ràng sau khi nhiệt luyện tôi và ram.

- Về tính chịu nhiệt độ cao: thép hợp kim giữ được cơ tính cao của trạng thái tôi ở nhiệt độ cao hơn 200⁰C. Muốn đạt được điều này thì thép phải được hợp kim hóa bởi một số nguyên tố với hàm lượng tương đối cao.

- Các tính chất vật lý và hóa học đặc biệt như từ tính, tính giãn nở nhiệt, tính chống ăn mòn…

3.3.2. Phân loại thép hợp kim

a. Phân loại theo nồng độ hợp kim trong thép

Gồm ba loại:

-   Thép hợp kim thấp: có tổng lượng các nguyên tố hợp kim đưa vào < 2,5%.

-   Thép hợp kim trung bình: có tổng lượng các nguyên tố hợp kim đưa vào từ 2,5 - 10%.

-   Thép hợp kim cao: có tổng lượng các nguyên tố hợp kim đưa vào > 10%.

b. Phân loại theo nguyên tố hợp kim

Cách phân loại này dựa vào tên của các nguyên tố hợp kim chính của thép. Ví dụ như thép có chứa crôm gọi là thép crôm, thép manggan, thép niken …

c.  Phân loại theo công dụng

Đây là cách phân loại chủ yếu. Theo công dụng cụ thể có thể chia hợp kim thành các nhóm sau:

-    Thép hợp kim kết cấu: là loại thép trên cơ sở thép kết cấu cho thêm vào các nguyên tố hợp kim. Loại này có hàm lượng cacbon khoảng 0,1 - 0,85% và lượng phần trăm của nguyên tố hợp kim thấp.

Loại thép này được dùng để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng cao, cần độ cứng, độ chịu mài mòn, hoặc cần tính đàn hồi cao…

Theo TCVN thì thép hợp kim được ký hiệu như sau: số đầu tiên chỉ hàm lượng C theo phần vạn, sau đó là ký hiệu hóa học của các nguyên tố hợp kim, ngay sau mỗi ký hiệu hóa học của các nguyên tố hợp kim là hàm lượng % của từng nguyên tố. Trường hợp hàm lượng % của các nguyên tố hợp kim gần bằng 1% thì không cần ghi thêm chỉ số. Chữ A nếu có, nằm ở cuối ký hiệu để chỉ thép hợp kim loại tốt.

Ví dụ: Các mác thép hợp kim kết cấu thường gặp là: 15Cr, 20Cr, 20CrNi hàm lượng Cr, Ni thường nhỏ hơn 1%, hoặc các loại 12CrNi3A, 12Cr2Ni3A, 12Cr2Ni4A, các chữ số đặt sau nguyên tố hợp kim là hàm lượng nguyên tố đó còn chữ A để chỉ loại tốt.

Những loại có hàm lượng cacbon trung bình có ký hiệu như: 40Cr, 40CrMn, 35CrMnSi.

Những loại có hàm lượng cacbon cao dùng làm thép lò xo như 50Si2, C65Mn, C65Si2.

Ngày nay trên thế giới đều có các nhóm thép hợp kim thấp với độ bền cao (so với thép cacbon). Thép này được hợp kim hóa với lượng hợp kim thấp và được gọi theo chữ viết tắt là HSLA (Hight Strength Low Alloy Steel). Nó được dùng nhiều trong các ngành công nghiệp. Đặc điểm chung của loại thép hợp kim này là có độ bền cao, có tính chống ăn mòn tốt, tính hàn tốt và giá thành rẻ.

Ký hiệu theo tiêu chuẩn của các nước:

- Nga (ГOCT): tương tự như TCVN,  ký hiệu của các nguyên tố: X = Cr, H = Ni, B = W, M = M_o, T = Ti, K = Co, Г = Mn, C = Si,  = V, Д = Cu, Ю = Al, P = B. Ví dụ 12XH3 tương đương với 12CrNi3.

- Mỹ (AISI/ SAE):  Ký hiệu bằng 4 số xxxx, trong đó 2 số đầu chỉ nguyên tố hợp kim chính, 2 số cuối chỉ hàm lượng cacbon theo phần vạn như Bảng 3.1.

Tên gọi	Ký hiệu	Tên gọi	Ký hiệu
Thép cacbon	10xx	Thép niken-crôm-môlipđen (11 loại)	43xx, 43BVxx, 47xx, 81xx, 86xx, 87xx, 88xx, 93xx, 94xx, 97xx, 98xx
Thép dễ cắt (2 loại)	11xx, 12xx	Thép niken-môlipđen (2 loại)	46xx, 48xx
Thép mangan (1 - 1,765%)	13xx	Thép crôm (2 loại)	50xx, 51xx
Thép cacbon có hàm lượng Mn cao (1,75%)	15xx	Thép crôm với 0,5-1,5%C (3 loại)	501xx, 511xx, 521xx
Thép niken (2 loại)	23xx, 25xx	Thép vonfram-crôm	72xx
Thép niken-crôm (4 loại)	31xx, 32xx, 33xx, 34xx	Thép silic-mangan	92xx
Thép môlipđen (2 loại)	40xx, 44xx	Thép bo	xxBxx
Thép crôm-môlipđen	41xx	Thép crôm-vanađi	61xx