Thép carbon là gì? Các nghiên cứu khoa học về Thép carbon

Giới thiệu về thép carbon

Thép carbon (carbon steel) là hợp kim cơ bản giữa sắt và cacbon, với hàm lượng cacbon dao động từ 0,02% đến 2,11% theo khối lượng. Trong thép carbon, cacbon chính là nguyên tố hòa tan duy nhất hoặc chủ yếu, quyết định độ cứng, độ bền kéo và độ dẻo của vật liệu. Hàm lượng cacbon càng cao thì thép càng cứng và bền, nhưng đồng thời độ dẻo và khả năng chịu va đập giảm.

Vai trò của thép carbon trong công nghiệp vô cùng quan trọng: là nguyên liệu chính cho cấu kiện xây dựng như dầm, cột, xà gồ; chi tiết máy công nghiệp; dao cắt và lò xo; cũng như các bộ phận chịu lực trong ô tô, cơ khí nông nghiệp. Nhờ tính linh hoạt về thành phần và khả năng xử lý nhiệt, thép carbon đáp ứng đa dạng yêu cầu cơ tính và ứng suất hoạt động.

So với thép hợp kim thấp hay thép hợp kim cao, thép carbon không chứa hoặc chỉ chứa rất ít các nguyên tố như Cr, Ni, Mo, V. Điều này khiến chi phí sản xuất thấp hơn, quy trình chế tạo đơn giản hơn và khả năng tái chế cao. Tuy nhiên, tính chống ăn mòn kém hơn so với các loại thép không gỉ hoặc thép hợp kim đặc thù.

Phân loại và ký hiệu

Thép carbon được chia thành ba nhóm chính dựa trên hàm lượng cacbon:

• Thép carbon thấp: hàm lượng C < 0,30%; có độ dẻo cao, dễ hàn, thường dùng cho kết cấu thép và chi tiết chịu lực thấp.
• Thép carbon trung bình: hàm lượng C từ 0,30% đến 0,60%; cân bằng giữa độ cứng và độ dẻo, dùng cho trục, bánh răng, chốt.
• Thép carbon cao: hàm lượng C > 0,60%; độ cứng và độ bền kéo cao, thường dùng cho lưỡi cưa, lò xo, dao công nghiệp.

Hệ thống ký hiệu phổ biến nhất là AISI/SAE, ví dụ:

• 1018: thép carbon thấp, ~0,18% C, dễ gia công.
• 1045: thép carbon trung bình, ~0,45% C, độ bền cao hơn.
• 1095: thép carbon cao, ~0,95% C, thích hợp cho dao lưỡi sắc bén.

Các tiêu chuẩn quốc tế cung cấp chỉ dẫn chi tiết về thành phần và cơ tính:

Tiêu chuẩn	Ký hiệu	Mô tả
ASTM A36	A36	Thép kết cấu carbon thấp
DIN C45	C45	Thép trục carbon trung bình
JIS S45C	S45C	Thép chế tạo cơ khí

Thành phần hóa học

Thành phần hóa học cơ bản của thép carbon bao gồm sắt (Fe) và cacbon (C), cùng một số tạp chất như silic (Si), mangan (Mn), lưu huỳnh (S) và photpho (P). Mangan thường có hàm lượng từ 0,30% đến 1,65%, giúp cải thiện độ bền kéo và khả năng khử oxy của thép. Silic đóng vai trò khử oxy trong quá trình sản xuất và tăng độ bền mềm.

Lưu huỳnh và photpho là tạp chất không mong muốn, thường được kiểm soát thấp hơn 0,05% vì gia tăng độ giòn và làm giảm tính dẻo. Hàm lượng tối đa cho phép được quy định bởi các tiêu chuẩn, nhằm đảm bảo cơ tính và khả năng gia công. Ví dụ:

• Cacbon (C): 0,02–2,11%
• Mangan (Mn): 0,30–1,65%
• Silic (Si): 0,10–0,60%
• Lưu huỳnh (S) & Photpho (P): <0,05% mỗi loại

Giới hạn hòa tan cacbon trong các pha sắt biểu diễn qua sơ đồ pha Fe–C: ở nhiệt độ cao, cacbon hòa tan trong pha austenit (γ-Fe), khi làm nguội, pha ferrit (α-Fe) và cementit (Fe₃C) hình thành. Sự phân phối cacbon giữa các pha này quyết định độ cứng, độ dai và độ bền của thép.

Vi cấu trúc

Vi cấu trúc của thép carbon gồm các pha chính: ferrit (pha α, cấu trúc lập phương tâm diện), perlit (kết hợp xen kẽ ferrit và cementit theo lớp) và cementit (Fe₃C, pha cứng giòn). Hàm lượng cacbon xác định tỷ lệ phần trăm của từng pha: thép carbon thấp chủ yếu là ferrit với perlit ít, thép trung bình cân bằng giữa ferrit và perlit, thép cao tập trung nhiều perlit và cementit.

Sơ đồ pha Fe–C cho thấy điểm eutectoid ở 0,8% C, tại nhiệt độ 727 °C, pha austenit phân hủy thành perlit. Pha martensite được tạo ra khi làm nguội nhanh (tôi) qua pha austenit, có cấu trúc lập phương tâm khối biến dạng cao, cho độ cứng và bền kéo rất lớn nhưng giòn.

Pha	Cấu trúc tinh thể	Đặc tính
Ferrit (α)	CCP	Dẻo, dẫn từ
Perlit	Lớp xen kẽ	Cân bằng bền và dẻo
Cementit	Orthorhombic	Cứng giòn
Martensite	BCT biến dạng	Độ cứng cao, giòn

Tổ chức vi mô có thể quan sát bằng kính hiển vi quang học hoặc điện tử, cho thấy kích thước hạt, phân bố pha và mức độ khuyết tật. Điều khiển vi cấu trúc qua xử lý nhiệt (ủ, normalized, tôi và ram) giúp tối ưu hóa cơ tính phù hợp yêu cầu ứng dụng.

Tính chất cơ học

Độ bền kéo (tensile strength) của thép carbon thay đổi theo hàm lượng cacbon và quá trình xử lý nhiệt. Thép carbon thấp thường có độ bền kéo từ 400–550 MPa, trong khi thép carbon cao có thể đạt đến 900–1200 MPa sau khi tôi và ram. Độ giãn dài (elongation) phản ánh độ dẻo, với thép carbon thấp đạt 20–30 % và thép cao chỉ khoảng 5–10 %.

Mối quan hệ căng–biến dạng (stress–strain) cho thấy thép carbon trung gian có vùng đàn hồi rộng, đảm bảo khả năng hấp thụ năng lượng trước khi giòn phá. Độ cứng đo theo thang Rockwell hoặc Brinell cũng tăng đều khi hàm lượng C tăng. Ví dụ, thép 1045 sau ủ có độ cứng HB 180–210, nhưng sau tôi có thể lên HB 400–450.

Loại thép	Độ bền kéo (MPa)	Độ giãn dài (%)	Độ cứng (HB)
1018 (C thấp)	440–480	20–25	120–150
1045 (C trung)	600–650	15–20	180–210
1095 (C cao)	900–1000	6–10	350–400

Độ dai va đập (impact toughness) của thép carbon thấp thường cao hơn, giảm dần khi hàm lượng C tăng và khi có nhiều pha giòn như cementit. Thí nghiệm Charpy V-notch đánh giá khả năng chống gẫy đột ngột ở những ứng dụng chịu va đập.

Quy trình sản xuất

Thép carbon được sản xuất từ quặng sắt qua lò cao (Blast Furnace – BF) hoặc lò điện hồ quang (Electric Arc Furnace – EAF). Quá trình thổi khí và khử oxy loại bỏ tạp chất, sau đó điều chỉnh hàm lượng cacbon bằng cách thêm than cốc hoặc phun khí hydro–carbon.

Tiếp theo, thép nóng chảy được đúc thô thành phôi (ingot) hoặc liên tục đúc (continuous casting) thành slabs, billets hoặc blooms. Các phôi này được cán nóng (hot rolling) tạo ra thép cuộn hoặc thanh dẹt, sau đó có thể cán nguội (cold rolling) để cải thiện bề mặt và kích thước chính xác.

• Bước 1: Nấu luyện (Blowing & refining) – khử tạp, điều chỉnh C.
• Bước 2: Đúc (Ingot casting hoặc continuous casting).
• Bước 3: Cán nóng – tạo hình sơ bộ.
• Bước 4: Cán nguội (tùy yêu cầu cơ tính và dung sai).

Quy trình sản xuất hiện đại tích hợp hệ thống kiểm soát tự động, đảm bảo thành phần hóa học và nhiệt độ chính xác, giúp tối ưu cơ tính và giảm hao hụt nguyên liệu.

Xử lý nhiệt

Xử lý nhiệt là phương pháp quan trọng để kiểm soát tổ chức vi cấu trúc và cơ tính của thép carbon:

• Ưu nhiệt (Annealing): gia nhiệt đến 550–650 °C, giữ nhiệt và làm nguội chậm, giảm độ cứng, nâng cao độ dẻo và khử ứng suất.
• Tăng nhiệt (Normalizing): gia nhiệt 850–930 °C, giữ nhiệt và làm nguội không khí, cho tổ chức đồng đều giữa ferrit và perlit.
• Tôi (Quenching): làm nóng đến pha austenit (850–900 °C) rồi làm nguội nhanh trong nước hoặc dầu, tạo martensite cứng giòn.
• Ram (Tempering): sau khi tôi, gia nhiệt lại 150–650 °C, giữ nhiệt để phân tán ứng suất và cải thiện độ dai.

Lịch trình nhiệt điển hình cho thép 1045:

$900^\circ\mathrm{C}\,(\text{10 phút})\;\xrightarrow{\text{tôi trong dầu}}\; martensite\;\xrightarrow{\text{ram tại } 550^\circ\mathrm{C}} \, perlit mịn + ferrit$

Khả năng chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

Thép carbon không chứa nguyên tố chống gỉ nên dễ bị ăn mòn điện hóa khi tiếp xúc với môi trường ẩm, muối hoặc hóa chất. Cơ chế ăn mòn liên quan đến sự hình thành cặp anode–cathode trên bề mặt, tạo dòng điện nhỏ và thúc đẩy hình thành gỉ sắt (Fe₂O₃·nH₂O).

Biện pháp bảo vệ bề mặt phổ biến:

• Galvanizing: mạ kẽm điện hoặc nhúng nóng, lớp kẽm bảo vệ catodic và lớp phi kim bảo vệ.
• Sơn phủ: sơn epoxy, sơn alkyd hoặc sơn tĩnh điện, tạo lớp cách ly.
• Phosphating: tạo lớp phosphate Fe–Zn mỏng, tăng độ bám sơn và kháng ăn mòn ban đầu.

Xử lý bề mặt đúng cách có thể kéo dài tuổi thọ sản phẩm đến 10–20 năm trong điều kiện công nghiệp nhẹ.

Ứng dụng và triển vọng

Thép carbon chiếm trên 90 % sản lượng thép toàn cầu, ứng dụng trong xây dựng (dầm, cột, xà gồ), cơ khí chế tạo (trục, bánh răng), công nghiệp ô tô (khung, lò xo) và dụng cụ cắt (dao, lưỡi cưa). Tính kinh tế cao và khả năng tái chế tới 100 % khiến thép carbon thân thiện môi trường.

Triển vọng nghiên cứu hiện nay tập trung vào:

1. Giảm phát thải CO₂: tối ưu hóa quy trình luyện thép bằng công nghệ điện hồ quang chạy bằng khí hydro và tái chế phế liệu.
2. Thiết kế vi cấu trúc tiên tiến: điều khiển hạt tinh thể siêu nhỏ (nano) để nâng cao độ bền và độ dai đồng thời.
3. Hợp kim hóa vi lượng: bổ sung nguyên tố như Ti, Nb liều thấp để tạo cacbua bền vững, cải thiện tính chất nhiệt và cơ học.

Kết hợp phương pháp mô phỏng số (CALPHAD, mô hình hữu hạn) với thí nghiệm thực tế giúp rút ngắn thời gian phát triển vật liệu mới và tối ưu hóa quy trình sản xuất.

Tài liệu tham khảo

• ASM International, “Carbon Steels,” asminternational.org.
• AZoM, “AISI/SAE Steel Grade Designations,” azom.com.
• MatWeb, “Material Property Data: Carbon Steel,” matweb.com.
• American Iron and Steel Institute, “Steel Definitions and Classifications,” steel.org.
• ASTM International, “ASTM A36/A36M Standard Specification for Carbon Structural Steel,” astm.org.