Hàm lượng carbon trong thép là gì?
Hàm lượng carbon (C%) trong thép là tỷ lệ phần trăm khối lượng của nguyên tố carbon so với tổng khối lượng hợp kim. Carbon là nguyên tố hợp kim quan trọng nhất trong thép, quyết định đặc tính cơ học, khả năng hàn và nhiệt luyện. Thép có thể chứa C từ dưới 0,05% đến tối đa 2,14%; trên mức đó là gang (cast iron).
Phân loại thép theo hàm lượng carbon
Thép được chia thành ba nhóm chính dựa trên hàm lượng carbon:
- Thép carbon thấp (Low-carbon steel): C < 0,3% — Đây là thép kết cấu phổ biến nhất trong xây dựng (CB240-T, CB400-V, S235, S355). Dễ hàn, dẻo tốt, phù hợp làm cốt thép bê tông và kết cấu thép.
- Thép carbon trung bình (Medium-carbon steel): C = 0,3–0,6% — Cứng và bền hơn, nhưng hàn khó hơn và cần gia nhiệt trước (preheating). Dùng cho trục, bánh răng, ray xe lửa.
- Thép carbon cao (High-carbon steel): C > 0,6% — Rất cứng và mài mòn tốt nhưng giòn và rất khó hàn. Dùng cho lò xo, dây cáp cường độ cao, dao cụ.
Mối quan hệ giữa carbon và cường độ
Mỗi 0,1% carbon tăng thêm làm tăng giới hạn chảy (fy) khoảng 60–70 MPa và giới hạn bền (fu) khoảng 70–80 MPa. Cơ chế là carbon nguyên tử nằm xen kẽ (interstitial) trong mạng tinh thể sắt, tạo biến dạng cục bộ ngăn chuyển vị lệch (dislocation), làm vật liệu cứng hơn. Tuy nhiên, điều này đi kèm với giảm độ dẻo dai (toughness) và độ giãn dài (elongation).
| Hàm lượng C (%) | fy (MPa) | fu (MPa) | Độ giãn dài (%) | Độ cứng HB |
|---|---|---|---|---|
| 0,1 | ~250 | ~410 | ~28 | ~120 |
| 0,2 | ~310 | ~480 | ~25 | ~140 |
| 0,3 | ~370 | ~550 | ~22 | ~160 |
| 0,4 | ~430 | ~620 | ~18 | ~185 |
| 0,6 | ~550 | ~760 | ~14 | ~220 |
| 0,8 | ~650 | ~900 | ~10 | ~255 |
Ảnh hưởng đến khả năng hàn
Khả năng hàn của thép giảm khi hàm lượng carbon tăng. Chỉ số carbon tương đương (Carbon Equivalent – CE) được dùng để đánh giá, theo công thức IIW:
CE = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15
- CE < 0,35: Hàn tốt, không cần gia nhiệt trước
- CE 0,35–0,45: Hàn được nhưng cần gia nhiệt nhẹ (75–150°C)
- CE 0,45–0,60: Hàn khó, cần gia nhiệt trước 150–250°C và xử lý sau hàn
- CE > 0,60: Rất khó hàn, dễ nứt nguội
Đây là lý do thép cốt bê tông theo TCVN 1651 khống chế CE ≤ 0,50 để đảm bảo có thể hàn thép nối tại công trường.
Ứng dụng theo nhóm carbon trong xây dựng
Ngành xây dựng chủ yếu dùng thép carbon thấp (C < 0,3%) vì yêu cầu dễ hàn và cần độ dẻo cao để chịu tải động:
- Cốt thép bê tông (CB240-T đến CB500-V): C = 0,22–0,28%
- Thép hình kết cấu (S235, S355): C = 0,17–0,24%
- Thép tấm và ống kết cấu: C < 0,22%
- Bu lông cường độ cao 8.8, 10.9: C = 0,3–0,5% (thép trung bình, qua nhiệt luyện)
- Thép PC (dây cáp dự ứng lực): C = 0,7–0,85% (thép cao carbon, qua kéo nguội)
Carbon và nhiệt luyện
Thép carbon cao có thể nhiệt luyện (tôi và ram) để đạt cường độ rất cao. Tôi (quenching) làm nguội nhanh thép từ nhiệt độ austenit hóa (~850°C) tạo martensite cứng. Ram (tempering) gia nhiệt lại 150–600°C để giảm giòn và tăng độ dẻo. Thép carbon thấp ít hưởng lợi từ tôi-ram vì lượng martensite tạo ra ít.
Câu hỏi thường gặp
- Thép CB400-V có hàm lượng carbon bao nhiêu?
- Theo TCVN 1651-2:2008, thép CB400-V có hàm lượng carbon tối đa 0,22% và carbon tương đương CE ≤ 0,50, đảm bảo dễ hàn tại công trường.
- Tại sao thép dây cáp dự ứng lực có carbon cao?
- Thép PC cần cường độ rất cao (1860 MPa) đạt được qua kéo nguội thép carbon cao (C ~0,8%). Thép này không cần hàn tại công trường nên carbon cao không phải vấn đề.
- Carbon trong thép đến từ đâu trong quá trình sản xuất?
- Carbon đến từ than cốc (coke) dùng trong lò cao. Trong lò điện hồ quang (EAF), carbon được kiểm soát bằng cách thêm graphite hoặc thổi oxy để đốt bớt carbon thừa trong thép phế liệu.