Tuy là nguyên tố hóa học rất bình thường song có thể nói cacbon là nguyên tố quan trọng nhất, quyết định chủ yếu đến tổ chức, tính chất (cơ tính), công dụng của thép (cả thép cacbon lẫn thép hợp kim thấp).

Tổ chức tế vi

Như thấy rõ từ giản đồ pha Fe-C, khi hàm lượng cacbon tăng lên tỷ lệ xêmentit là pha giòn trong tổ chức cũng tăng lên tương ứng (cứ thêm 0,10%C sẽ tăng thêm 1,50% xêmentit) do đó làm thay đổi tổ chức tế vi ở trạng thái cân bằng (ủ).

- C ≤ 0,05% - thép có tổ chức thuần ferit (hình 3.19a), coi như sắt nguyên chất.
- C = 0,10 - 0,70% - thép có tổ chức ferit + peclit, khi %C tăng lên lượng peclit tăng lên (các hình 3.22a,b,c), đó là các thép trước cùng tích.
- C = 0,80% - thép có tổ chức peclit (hình 3.20a,b), đó là thép cùng tích.
- C ≥ 0,90% - thép có tổ chức peclit + xêmentit II (hình 3.23), khi %C tăng lên lượng xêmentit II tăng lên tương ứng, đó là các thép sau cùng tích.

Chính do sự thay đổi tổ chức như vậy cơ tính của thép cũng biến đổi theo.



Hình 5.1. ảnh hưởng của cacbon đến cơ tính của thép thường (ở trạng thái ủ).

Cơ tính

Ảnh hưởng của cacbon đến cơ tính của thép thường ở trạng thái ủ được trình bày trên hình 5.1.

Cacbon có ảnh hưởng bậc nhất (theo quan hệ đường thẳng) đến độ cứng HB. Về mặt định lượng thấy rằng cứ tăng 0,10%C độ cứng HB sẽ tăng thêm khoảng 25 đơn vị.

Thoạt tiên cacbon làm giảm rất mạnh độ dẻo (δ, ψ) và độ dai va đập (aK) làm cho các chỉ tiêu này giảm đi nhanh chóng, song càng về sau mức giảm này càng nhỏ đi. Ví dụ: cứ tăng 0,10%C trong phạm vi cacbon thấp (≤ 0,25%) δ giảm 6%, aK giảm 300kJ/m2, còn trong phạm vi cacbon trung bình (0,30 - 0,50%) tương ứng là 3% và 200kJ/m2...Như vậy hàm lượng cacbon càng cao thép càng cứng, càng kém dẻo dai và càng giòn. Có thể dễ dàng giải thích điều này là do lượng pha xêmentit cứng và giòn tăng lên.

Ảnh hưởng của cacbon đến giới hạn bền σb không đơn giản như đối với độ cứng. Thấy rằng cứ tăng 0,10%C trong khoảng 0,10 - 0,50%C σb tăng khoảng 70 - 90MPa, trong khoảng 0,60  -0,80%C σb tăng rất chậm và đạt đến giá trị cực đại trong khoảng 0,80 - 1,00%C, khi vượt quá giá trị này σb lại giảm đi. Có thể giải thích như sau: thoạt tiên tăng số phần tử xêmentit trong nền ferit sẽ làm tăng số chốt cản trượt cho pha này do vậy σb tăng lên cho đến khi có tổ chức hoàn toàn là peclit, khi vượt quá 0,80 - 1,00%C ngoài peclit (tấm) ra bắt đầu xuất hiện lưới xêmentit II (hình 3.23) giòn lại ở dạng liên tục (lưới) làm cho thép không những giòn mà còn làm giảm giới hạn bền.

Vai trò của cacbon. Công dụng của thép theo thành phần cacbon

Chính do cacbon có ảnh hưởng lớn đến cơ tính như vậy nên nó quyết định phần lớn công dụng của thép. Muốn dùng thép vào việc gì điều cần xem xét trước tiên là hàm lượng cacbon sau đó mới tới các nguyên tố hợp kim. Điều khá kỳ diệu là chỉ cần thay đổi chút ít hàm lượng cacbon (chênh lệch nhau không quá 0,50%) có thể tạo ra các nhóm thép có cơ tính đối lập nhau mà không nguyên tố nào có được. Theo hàm lượng cacbon có thể chia thép thành ba - bốn nhóm với cơ tính và công dụng rất khác nhau như sau.

- Thép có cacbon thấp (≤ 0,25%) có độ dẻo, độ dai cao nhưng độ bền, độ cứng lại thấp, hiệu quả nhiệt luyện tôi + ram không cao, được dùng làm kết cấu xây dựng, tấm lá để dập nguội. Muốn nâng cao hiệu quả của nhiệt luyện tôi + ram để nâng cao độ bền độ cứng phải qua thấm cacbon.

- Thép có cacbon trung bình (0,30 - 0,50%) có độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ dai đều khá cao mặc dầu không phải là cao nhất, có hiệu quả tôi + ram tốt, tóm lại có cơ tính tổng hợp cao nên được dùng chủ yếu làm các chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và va đập cao.

- Thép có cacbon tương đối cao (0,55 - 0,65%) với ưu điểm là có độ cứng tương đối cao, giới hạn đàn hồi cao nhất, được dùng làm các chi tiết đàn hồi.

- Thép có cacbon cao (≥ 0,70%) với ưu điểm là có độ cứng và tính chống mài mòn đều cao, được dùng làm công cụ như dao cắt, khuôn dập, dụng cụ đo.

Trong một số kiểu phân loại, nhóm thép có cacbon trung bình có lượng cacbon thay đổi từ 0,30 đến 0,65%. Thật ra các giới hạn về thành phần cacbon kể trên để định ranh giới giữa các nhóm cũng không hoàn toàn cứng nhắc, có thể xê dịch đôi chút.

Tính công nghệ

Tính hàn và khả năng dập nguội, dập sâu của thép phụ thuộc nhiều vào hàm lượng cacbon. Thép càng ít cacbon càng dễ hàn chảy và dập.
Hàm lượng cacbon cũng có ảnh hưởng đến tính gia công cắt của thép. Nói chung thép càng cứng càng khó cắt nên thép có hàm lượng cacbon có tính gia công cắt kém. Song thép quá mềm và dẻo cũng gây khó khăn cho cắt gọt, nên thép có cacbon thấp cũng có tính gia công cắt kém.
Nói chung tính đúc của thép không cao.