Thép là vật liệu kim loại gì

Thép là vật liệu được dùng và xuất hiện rất nhiều trong sinh hoạt và sản xuất, nhưng thép là gì? Tính chất ra sao thì không phải ai cũng nắm rõ. Để hiểu hơn về loại nguyên liệu đặc biệt này, cùng tham khảo bài viết dưới đây nhé.

1. Định nghĩa về thép

Thép là hợp kim của sắt và cacbon trong đó hàm lượng cacbon dao động đến 2 phần trăm (với hàm lượng cacbon cao hơn, vật liệu được định nghĩa là gang). Cho đến nay, vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất cho xây dựng thế giới cơ sở hạ tầng và các ngành công nghiệp, nó được sử dụng để chế tạo mọi thứ từ kim khâu đến tàu chở dầu . Ngoài ra, các công cụ cần thiết để chế tạo và sản xuất các mặt hàng đó cũng được làm bằng thép.

Như dấu hiệu cho thấy tầm quan trọng tương đối của vật liệu này, năm 2013 sản lượng thép thô của thế giới là khoảng 1,6 tỷ tấn, trong khi sản lượng kim loại kỹ thuật quan trọng tiếp theo là nhôm đạt khoảng 47 triệu tấn.  Lý do chính khiến thép trở nên phổ biến là chi phí sản xuất, tạo hình và chế tạo tương đối thấp, sự phong phú của hai nguyên liệu thô ( quặng sắt và cacbon) đã tạo nên ưu điểm về giá cả của Thép

Những thiết bị được làm từ chất liệu bằng thép có chi phí tương đối rẻ nhưng lại nhận được hết các ưu điểm của vật liệu gang, van làm bằng chất liệu thép cũng là 1 trong những thiết bị đó, nếu bạn quan tâm về Van thép của chúng tôi bạn có thể tham khảo tại: Van chất liệu thép hoặc tiếp tục theo dõi tính chất và phân loại thép ở phần tiếp theo

Thành phần chính của thép là sắt, một kim loại ở trạng thái nguyên chất không cứng hơn đồng . Bỏ qua những trường hợp rất khắc nghiệt, sắt ở trạng thái rắn , giống như tất cả các kim loại khác, là đa tinh thể — nghĩa là, nó bao gồm nhiều các tinh thể liên kết với nhau trên ranh giới của chúng.

Tinh thể là một sự sắp xếp có trật tự của các nguyên tử mà tốt nhất có thể được hình dung như những quả cầu chạm vào nhau. Chúng được sắp xếp theo các mặt phẳng, được gọi là mạng, chúng xuyên qua nhau theo những cách cụ thể. Đối với sắt, cách sắp xếp mạng tinh thể tốt nhất có thể được hình dung bằng một hình lập phương đơn vị với tám nguyên tử sắt ở các góc của nó.

Điều quan trọng đối với tính độc nhất của thép là tính dị hướng của sắt – nghĩa là sự tồn tại của nó ở hai dạng tinh thể. bên trong sắp xếp khối lập phương tâm (bcc), có thêm một nguyên tử sắt ở tâm của mỗi khối lập phương. bên trong sắp xếp khối lập phương tâm mặt (fcc), có thêm một nguyên tử sắt ở tâm của mỗi mặt trong số sáu mặt của hình lập phương đơn vị.

Điều quan trọng là các mặt của hình lập phương hướng tâm, hoặc khoảng cách giữa các mạng lân cận trong cách sắp xếp fcc, lớn hơn khoảng 25% so với trong cách sắp xếp bcc; điều này có nghĩa là có nhiều không gian trong fcc hơn trong cấu trúc bcc để giữ các nguyên tử ngoại lai ( tức là hợp kim) trong dung dịch rắn .

Ở dạng nguyên chất, thép mềm và thường không hữu ích như một vật liệu kỹ thuật; phương pháp chính để tăng cường và chuyển nó thành thép là thêm một lượng nhỏ cacbon .

Trong thép rắn, cacbon thường được tìm thấy ở hai dạng. Hoặc nó ở trong dung dịch rắn trong austenit và ferit hoặc nó được tìm thấy dưới dạng cacbua. Dạng cacbua có thể là cacbua sắt (Fe 3 C, được gọi là xi măng ), hoặc nó có thể là cacbua của một nguyên tố hợp kim như titan . (Mặt khác, trong sắt xám, cacbon xuất hiện dưới dạng mảnh hoặc cụm than chì , do sự hiện diện của silic , ngăn chặn sự hình thành cacbua.)

3. Thành phần Cacbon trong thép

Điều chỉnh hàm lượng cacbon là cách đơn giản nhất để thay đổi cơ tính của thép. Có thể thực hiện các thay đổi bổ sung bằng cách xử lý nhiệt — ví dụ, bằng cách đẩy nhanh tốc độ làm mát thông qua điểm chuyển đổi austenite thành ferit, được thể hiện bằng đường PSK trong hình . (Phép biến đổi này còn được gọi là phép biến đổi Ar 1 , r viết tắt của phép tái cấu trúc hay “làm mát”.) Tăng tốc độ làm mát của thép lê (0,77 phần trăm carbon) lên khoảng 200 ° C mỗi phút tạo ra DPH khoảng 300 và làm mát ở 400 ° C mỗi phút làm tăng DPH lên khoảng 400. Lý do đối với độ cứng ngày càng tăng này là sự hình thành vi cấu trúc ngọc trai và ferit mịn hơn có thể thu được trong quá trình làm nguội chậm trong không khí xung quanh.

Về nguyên tắc, khi thép nguội nhanh, sẽ có ít thời gian hơn để các nguyên tử cacbon di chuyển qua mạng tinh thể và tạo thành các cacbua lớn hơn. Làm mát thậm chí còn nhanh hơn — ví dụ: bằng cách làm nguội thép ở khoảng 1.000 ° C mỗi phút – dẫn đến sự hình thành cacbua bị suy giảm hoàn toàn và buộc ferit được làm lạnh kém giữ một lượng lớn nguyên tử cacbon trong dung dịch mà nó thực sự không có chỗ. Điều này tạo ra một cấu trúc vi mô mới,mactenxit . DPH của mactenxit là khoảng 1.000; nó là khó nhất và nhấtdạng giòn của thép.Ủ thép mactenxit – tức là, tăng nhiệt độ của nó đến một điểm chẳng hạn như 400 ° C và giữ nó trong một thời gian – làm giảm độ cứng và độ giòn và tạo ra một loại thép cứng và dai. Xử lý nhiệt làm nguội và ủ được áp dụng ở nhiều tốc độ làm mát, thời gian giữ và nhiệt độ khác nhau; chúng tạo thành một phương tiện rất quan trọng để kiểm soát các đặc tính của thép.

4. Công thức thép 

Một cách để thay đổi các đặc tính của thép là thêm các nguyên tố hợp kim khác ngoài cacbon tạo ra các đặc tính không thể đạt được ở thép cacbon . Mỗi nguyên tố trong số khoảng 20 nguyên tố được sử dụng để tạo hợp kim thép có ảnh hưởng riêng biệt đến cấu trúc vi mô và nhiệt độ, thời gian giữ và tốc độ làm mát mà tại đó vi cấu trúc thay đổi. Chúng thay đổi các điểm chuyển hóa giữa ferit và austenit , thay đổi dung dịch và tốc độ khuếch tán , đồng thời cạnh tranh với các nguyên tố khác trong việc hình thành các hợp chất liên kim loại như cacbua và nitrua. Có một lượng lớn kinh nghiệm thông tin về cách hợp kim ảnh hưởng đến điều kiện xử lý nhiệt, cấu trúc vi mô và đặc tính. Ngoài ra, sự hiểu biết lý thuyết tốt về các nguyên tắc, với sự trợ giúp của máy tính, cho phép các kỹ sư dự đoán cấu trúc vi mô và tính chất của thép khi tạo hợp kim, cán nóng, xử lý nhiệt và tạo hình nguội theo bất kỳ cách nào.

Một ví dụ điển hình về tác dụng của hợp kim là việc tạo ra một loại thép có độ bền cao với khả năng hàn tốt. Điều này không thể được thực hiện bằng cách chỉ sử dụng carbon làm chất tăng cường, vì carbon tạo ra các vùng giòn xung quanh mối hàn, nhưng nó có thể được thực hiện bằng cách giữ carbon thấp và thêm một lượng nhỏ các nguyên tố tăng cường khác, chẳng hạn như niken hoặc mangan . Về nguyên tắc, việc tăng cường kim loại được thực hiện bằng cách tăng sức đề kháng của các cấu trúc mạng tinh thể đối với chuyển động của trật khớp . Sự lệch vị trí là sự hỏng hóc trong mạng tinh thể khiến kim loại có thể được hình thành. Khi các nguyên tố như niken được giữ trong dung dịch rắn trong ferit, các nguyên tử của chúng sẽ được nhúng trong mạng tinh thể sắt và chặn các chuyển động của sự trật khớp.

Các nguyên tố hợp kim có ảnh hưởng mạnh mẽ đến quá trình xử lý nhiệt, bởi vì chúng có xu hướng làm chậm sự khuếch tán của các nguyên tử qua mạng tinh thể sắt và do đó làm chậm quá trình biến đổi dị hướng. Ví dụ, điều này có nghĩa là mactenxit cực kỳ cứng, thường được tạo ra bằng cách làm nguội nhanh, có thể được tạo ra ở tốc độ làm lạnh thấp hơn. Điều này dẫn đến ứng suất bên trong ít hơn và quan trọng nhất là vùng cứng sâu hơn trong phôi. Cải thiện độ cứng đạt được bằng cách thêm các nguyên tố như mangan, molypden , crom , niken và bo . Các tác nhân hợp kim này cũng cho phép tôi luyện ở nhiệt độ cao hơn, tạo ra độ dẻo độ cứng và sức mạnh của thép như nhau.

5. Các loại thép

Có hàng nghìn mác thép được công bố, đăng ký hoặc tiêu chuẩn hóa trên toàn thế giới, tất cả đều có thành phần hóa học khác nhau và hệ thống đánh số đặc biệt đã được phát triển ở một số quốc gia để phân loại số lượng lớn các hợp kim. Ngoài ra, tất cả các phương pháp xử lý nhiệt, cấu trúc vi mô, điều kiện tạo nguội, hình dạng và bề mặt hoàn thiện khác nhau có nghĩa là có rất nhiều lựa chọn có sẵn cho người sử dụng thép. May mắn thay, thép có thể được phân loại hợp lý thành một số nhóm chính theo thành phần hóa học, ứng dụng, hình dạng và điều kiện bề mặt của chúng.

5.2 Thép carbon

Thép carbon cho đến nay là loại thép được sản xuất và sử dụng nhiều nhất, chiếm khoảng 90% sản lượng thép trên thế giới. Chúng thường được nhóm thành thép cacbon cao, với lượng cacbon trên 0,5%; thép cacbon trung bình, với 0,2 đến 0,49 phần trăm cacbon; thép cacbon thấp, với 0,05 đến 0,19% cacbon; thép cacbon cực thấp, với 0,015 đến 0,05% cacbon; và thép siêu carbon thấp, với ít hơn 0,015 phần trăm carbon. Thép carbon cũng được định nghĩa là có ít hơn 1,65 phần trăm mangan, 0,6 phần trăm silicon và 0,6 phần trăm đồng , với tổng số các nguyên tố khác không vượt quá 2 phần trăm.

Thép hợp kim thấp có tới 8% nguyên tố hợp kim; bất kỳ nồng độ nào cao hơn được coi là tạo thành thép hợp kim cao. Có khoảng 20 nguyên tố hợp kim ngoài cacbon. Đó là mangan, silic, nhôm, niken , crom , coban , molypden , vanadi , vonfram , titan , niobi , zirconium, nitơ , lưu huỳnh, đồng, bo , chì, Tellurium và selen. Một số trong số này thường được thêm vào đồng thời để đạt được các thuộc tính cụ thể.

Ứng dụng

Nhiều ứng dụng của thép chứng tỏ rõ nhất tính linh hoạt tuyệt vời của vật liệu này. Thông thường, nhu cầu của người tiêu dùng thép được đáp ứng bằng thép cacbon . Ví dụ điển hình là các tấm làm thân ô tô kéo sâu và các thiết bị làm bằng thép carbon thấp, thép kết cấu carbon trung bình và các tấm được sử dụng trong mọi loại xây dựng, đường ray xe lửa carbon cao và dây điện ở tất cả các mức carbon được sử dụng cho hàng trăm mặt hàng . Việc bổ sung các hợp kim đắt tiền bắt đầu khi kết hợp các đặc tính được yêu cầu mà thép cacbon không thể đáp ứng được.

5.3 Thép hợp kim thấp có độ bền cao

Nhu cầu về độ bền cao, khả năng hàn tốt và khả năng chống ăn mòn khí quyển cao hơn được đáp ứng bởi một nhóm được gọi là thép hợp kim thấp độ bền cao (HSLA). Các loại này có mức cacbon thấp ( ví dụ: 0,05%) và chứa một lượng nhỏ một hoặc một số kết hợp của các nguyên tố như crom , niken , molypden , vanadi , titan và niobi . Thép HSLA được sử dụng cho đường ống dẫn dầu hoặc khí đốt, tàu biển, công trình ngoài khơi và bể chứa.

5.4 Thép gia công cao

Nhóm này, được phát triển để có khả năng gia công tốt và được chế tạo thành bu lông, ốc vít và đai ốc, chứa tới 0,35% lưu huỳnh và 0,35% chì; Ngoài ra, nó đôi khi có bổ sung nhỏ Tellurium hoặc selen. Các nguyên tố này tạo thành nhiều tạp chất, thường được tránh nhưng lại được mong muốn trong ứng dụng này vì chúng làm đứt các dây kim loại dài, nguy hiểm thường được hình thành trong quá trình gia công thành các phoi nhỏ. Điều này giữ cho các công cụ và phôi luôn sạch sẽ, cải thiện tuổi thọ của công cụ và cho phép gia công ở tốc độ cao hơn.

5.5 Thép chống mài mòn

Một nhóm khác là thép chịu mài mòn, được chế tạo thành các tấm mài mòn cho máy chế biến đá, máy nghiền và xẻng điện. Đây là những loại thép Austenit có chứa khoảng 1,2% cacbon và 12% mangan . Yếu tố thứ hai là một Austenizer mạnh mẽ; nghĩa là, nó giữ cho thép Austenit ở nhiệt độ phòng. Thép mangan thường được gọi là thép Hadfield, theo tên người phát minh ra chúng, Robert Hadfield.

Khả năng chống mài mòn được mang lại bởi khả năng gia công cứng cao của những loại thép này; đến lượt nó, điều này được tạo ra trong quá trình đập ( tức là làm biến dạng) bề mặt, khi một số lượng lớn các nhiễu loạn được tạo ra trong các mạng tinh thể của chúng có hiệu quả chặn dòng chảy của các sai lệch. Nói cách khác, thép càng đập mạnh thì thép càng trở nên mạnh hơn. Việc tăng cường độ đáng kể như vậy bằng cách tạo hình nguội cũng được sử dụng trong sản xuất dây kéo nguội, có độ bền cao như được sử dụng trong bê tông ứng suất trước hoặc lốp ô tô. Một trường hợp đặc biệt, dây đàn piano được kéo từ thép carbon 0,8%, có thể đạt độ bền kéo là 275 kg lực trên milimét vuông.

5.6 Thép chịu lực

Một nhóm quan trọng thể hiện rõ tác động to lớn của sự phát triển vật liệu đối với các khả năng kỹ thuật là thép được sử dụng cho ổ lăn và ổ bi . Những loại thép này thường chứa 1% cacbon, 1,2% crom, 0,25% niken và 0,25% molypden và rất cứng sau khi xử lý nhiệt . Tuy nhiên, điều quan trọng nhất là chúng cực kỳ sạch sẽ, thực tế đã được loại bỏ tất cả các tạp chất bằng cách xử lý chân không đối với thép lỏng. Các tạp chất rất có hại trong ổ trục vì chúng tạo ra sự tập trung ứng suất dẫn đến độ bền mỏi thấp.

5. Tiêu chuẩn thép

Thông số kỹ thuật cho các sản phẩm thép cũng như quy trình thử nghiệm thường được bao gồm trong hệ thống tiêu chuẩn chung của hầu hết các nước công nghiệp. Các tổ chức cung cấp các tiêu chuẩn này là Hiệp hội Vật liệu và Thử nghiệm Hoa Kỳ, Philadelphia; Viện Tiêu chuẩn Anh, London; Deutsches Institut für Normung, Berlin; Ủy ban Tiêu chuẩn Công nghiệp Nhật Bản, Tokyo; Comité Européen de Normalization, Brussels; và Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế , Geneva.

Ngoài ra còn có các hướng dẫn sử dụng sản phẩm được xuất bản bởi một số hiệp hội và hiệp hội, đôi khi chỉ dành cho các sản phẩm đặc biệt, thường được sử dụng làm tiêu chuẩn trong các thông số kỹ thuật và các thỏa thuận thương mại. Các tổ chức phát hành những điều này bao gồm Viện Sắt và Thép Hoa Kỳ, Washington, DC; Hiệp hội Kỹ sư Ô tô, Warrendale, Pennsylvania; Viện Dầu khí Hoa Kỳ, Washington, DC; và Hiệp hội Kỹ sư Cơ khí Hoa Kỳ, Thành phố New York .

Mỗi nhà sản xuất thép công bố danh sách hiển thị các loại thép và kích thước mà họ có thể cung cấp. Các hợp kim và lớp phủ đặc biệt thường được cung cấp dưới nhãn hiệu thuộc sở hữu của công ty . Ngoài ra còn có các ấn phẩm cung cấp tài liệu tham khảo chéo cho các loại thép tương tự trong số các tiêu chuẩn và nhãn hiệu khác nhau được ban hành ở các quốc gia khác nhau.