Tổng quan về THÉP

Thép là hợp kim với thành phần chính là sắt (Fe), với carbon (C), từ 0,02% đến 2,14% theo trọng lượng, và một số nguyên tố hóa học khác. Chúng làm tăng độ cứng, hạn chế sự di chuyển của nguyên tử sắt trong cấu trúc tinh thể dưới tác động của nhiều nguyên nhân khác nhau. Số lượng khác nhau của các nguyên tố và tỷ lệ của chúng trong thép nhằm mục đích kiểm soát các mục tiêu chất lượng như độ cứng, độ đàn hồi, tính dễ uốn, và sức bền kéo đứt. Thép với tỷ lệ carbon cao có thể tăng cường độ cứng và cường lực kéo đứt so với sắt, nhưng lại giòn và dễ gãy hơn. Tỷ lệ hòa tan tối đa của carbon trong sắt là 2,14% theo trọng lượng (ở trạng thái Austenit) xảy ra ở 1.147 độ C; nếu lượng carbon cao hơn hay nhiệt độ hòa tan thấp hơn trong quá trình sản xuất, sản phẩm sẽ là xementit có cường lực kém hơn. Pha trộn với carbon cao hơn 2,06% sẽ được gang. Thép cũng được phân biệt với sắt rèn, vì sắt rèn có rất ít hay không có carbon, thường là ít hơn 0,035%. Ngày nay người ta gọi ngành công nghiệp thép (không gọi là ngành công nghiệp sắt và thép), nhưng trong lịch sử, đó là 2 sản phẩm khác nhau. Ngày nay có một vài loại thép mà trong đó carbon được thay thế bằng các hỗn hợp vật liệu khác, và carbon nếu có, chỉ là không được ưa chuộng.

Trước thời kì Phục Hưng người ta đã chế tạo thép với nhiều phương pháp kém hiệu quả, nhưng đến thế kỉ 17 sau tìm ra các phương pháp có hiệu quả hơn thì việc sử dụng thép trở nên phổ biến hơn. Với việc phát minh ra quy trình Bessemer vào giữa thế kỉ 19, thép đã trở thành một loại hàng hoá được sản xuất hàng loạt ít tốn kém. Trong quá trình sản xuất càng tinh luyện tốt hơn như phương pháp thổi oxy, thì giá thành sản xuất càng thấp đồng thời tăng chất lượng của kim loại. Ngày nay thép là một trong những vật liệu phổ biến nhất trên thế giới và là thành phần chính trong xây dựng, đồ dùng, công nghiệp cơ khí. Thông thường thép được phân thành nhiều loại tùy theo thành phần hóa học, mục đích sử dụng và cấp bậc và được các tổ chức đánh giá xác nhận theo chuẩn riêng.

Đặc tính

Cũng như hầu hết các kim loại, về cơ bản, sắt không tồn tại ở vỏ Trái Đất dưới dạng nguyên tố, nó chỉ tồn tại khi kết hợp với oxy hoặc lưu huỳnh. Sắt ở dạng khoáng vật bao gồm Fe₂O₃-một dạng của oxit sắt có trong khoáng vật hematit, và FeS₂ - quặng sunfit sắt. Sắt được lấy từ quặng bằng cách khử oxy hoặc kết hợp sắt với một nguyên tố hoá học như carbon. Quá trình này được gọi là luyện kim, được áp dụng lần đầu tiên cho kim loại với điểm nóng chảy thấp hơn. Đồng nóng chảy ở nhiệt độ hơn 1.080 °C, trong khi thiếc nóng chảy ở 250 °C. Pha trộn với carbon trong sắt cao hơn 2,14% sẽ được gang, nóng chảy ở 1.392 °C. Tất cả nhiệt độ này có thể đạt được với các phương pháp cũ đã được sử dụng ít nhất 6.000 năm trước. Khi tỉ lệ oxy hóa tăng nhanh khoảng 800 °C thì việc luyện kim phải diễn ra trong môi trường có oxy thấp.

Trong quá trình luyện thép việc trộn lẫn carbon và sắt có thể hình thành nên rất nhiều cấu trúc khác nhau với những đặc tính khác nhau. Hiểu được điều này là rất quan trọng để luyện thép có chất lượng. Ở nhiệt độ bình thường, dạng ổn định nhất của sắt là sắt ferrit có cấu trúc lập phương tâm khối (BCC) hay sắt, một chất liệu kim loại mềm, có thể phân huỷ một lượng nhỏ carbon (không quá 0,02% ở nhiệt độ 911 °C). Nếu trên 911 °C thì ferrit sẽ chuyển từ tâm khối (BCC) sang tâm mặt (FCC), được gọi là austenit, loại này cũng là một chất liệu kim loại mềm nhưng nó có thể phân huỷ nhiều carbon hơn (2,14% carbon nhiệt độ 1.147 °C). Một cách để loại bỏ carbon ra khỏi austenit là loại xementit ra khỏi hỗn hợp đó, đồng thời để sắt nguyên chất ở dạng ferit và tạo ra hỗn hợp xementit-ferrit. Xementit là một hợp chất hoá học có công thức là Fe₃C.


 

Tính chất

Mật độ của thép thay đổi dựa trên thành phần hợp kim nhưng thường dao động trong khoảng 7.750 đến 8.050 kg/m³ (484 đến 503 lb/cu ft), hoặc 7,75 đến 8,05 g/cm³ (4,48 đến 4,65 oz/cu in).

Ngay cả trong một khoảng hẹp các nồng độ hỗn hợp của cacbon và sắt tạo thành thép, một số cấu trúc kỹ thuật kim loại khác nhau, có tính chất rất khác nhau, có thể hình thành. Hiểu rõ các tính chất này là thiết yếu để sản xuất thép chất lượng. Ở nhiệt độ phòng, dạng ổn định nhất của sắt tinh khiết là cấu trúc khối trung tâm (BCC) gọi là sắt alpha hoặc α-sắt. Nó là một kim loại khá mềm chỉ có thể hòa tan một nồng độ nhỏ của cacbon, không quá 0,005% ở 0 °C (32 °F) và 0,021 wt% ở 723 °C (1.333 °F). Sự chứa chất cacbon trong sắt alpha được gọi là phierrite. Ở 910 °C, sắt tinh khiết chuyển thành cấu trúc khối trung tâm lập phương (FCC), gọi là sắt gamma hoặc γ-sắt. Sự chứa chất cacbon trong sắt gamma được gọi là giải tenit. Cấu trúc FCC mở rộng hơn của giải tenit có thể hòa tan nhiều cacbon hơn, lên đến 2,1%, Nguồn có sự khác biệt về giá trị này nên nó đã được làm tròn thành 2,1%, tuy nhiên giá trị chính xác này khá học thuật vì thép không hợp kim đơn giản hiếm khi được sản xuất với mức carbon như vậy. Xem:

• Smith & Hashemi 2006, tr. 363—2,08%.
• Degarmo, Black & Kohser 2003, tr. 75—2,11%.
• Ashby & Jones 1992—2,14%. (gấp 38 lần của ferrite) cacbon ở nhiệt độ 1.148 °C (2.098 °F), đó là mức nồng độ cacbon cao nhất của thép, vượt quá đó là gang xám. Khi cacbon di chuyển ra khỏi dung dịch với sắt, nó tạo thành một vật liệu rất cứng, nhưng giòn gọi là xi măng (Fe₃C).

Khi thép có chứa chính xác 0.8% carbon (được gọi là thép eutectoid), khi được làm lạnh, pha austenitic (FCC) của hỗn hợp cố gắng chuyển về pha ferrite (BCC). Carbon không còn vừa với cấu trúc austenite của pha FCC, dẫn đến sự dư thừa của carbon. Một cách để carbon rời khỏi austenite là tạo thành kết tủa khỏi dung dịch dưới dạng cementite, để lại một pha ferrite có một lượng carbon nhỏ trong dung dịch. Hai pha ferrite và cementite kết tủa đồng thời tạo thành một cấu trúc lớp gọi là pearlite, được đặt tên theo sự giống như nước ngọc trai. Trong thành phần hypereutectoid (cao hơn 0.8% carbon), carbon sẽ trước tiên tạo thành các hạt kết tủa lớn của cementite tại các ranh giới hạt austenite cho đến khi tỷ lệ carbon trong các hạt giảm xuống thành thành phần eutectoid (0.8% carbon), lúc đó cấu trúc pearlite hình thành. Đối với các loại thép có lượng carbon ít hơn 0.8% (hypoeutectoid), ferrite sẽ hình thành trước trong các hạt cho đến khi thành phần còn lại tăng lên 0.8% carbon, lúc đó cấu trúc pearlite sẽ hình thành. Không có các hạt kết tủa lớn của cementite sẽ hình thành ở biên giới trong thép hypoeuctoid. Điều trên giả định rằng quá trình làm lạnh diễn ra rất chậm, đủ thời gian để carbon di chuyển.

Khi tốc độ làm lạnh tăng, carbon sẽ có ít thời gian hơn để di chuyển và tạo thành carbide tại biên giới hạt, nhưng sẽ có ngày càng nhiều pearlite với cấu trúc mịn hơn trong các hạt; do đó, carbide được phân tán rộng rãi hơn và ngăn ngừa việc trượt của các khuyết tật bên trong các hạt đó, dẫn đến làm cứng thép. Khi tốc độ làm lạnh rất cao do quenching, carbon không có thời gian để di chuyển mà bị kẹp trong austenite pha trung tâm và tạo thành martensite. Martensite là một dạng cực kỳ căng và căng thẳng, chứa nhiều carbon và sắt vượt quá nồng độ tối đa, cực kỳ cứng nhưng dễ vỡ. Tùy thuộc vào nồng độ carbon, pha martensitic có các hình thái khác nhau. Dưới 0.2% carbon, nó có cấu trúc ferrite BCC, nhưng ở nồng độ carbon cao hơn, nó có cấu trúc body-centred tetragonal (BCT). Không có năng lượng kích hoạt nhiệt cho quá trình chuyển từ austenite sang martensite. Không có sự thay đổi về thành phần vì các nguyên tử thường giữ nguyên vị trí của chúng.

Martensite có mật độ thấp hơn (nở ra trong quá trình làm lạnh) so với austenite, dẫn đến sự thay đổi về thể tích khi chuyển đổi giữa chúng. Trong trường hợp này, sự mở rộng xảy ra. Các căng thẳng bên trong từ sự mở rộng này thường có dạng nén vật lý trên các tinh thể của martensite và căng thẳng trên pha ferrite còn lại, cùng với một lượng cắt đáng kể trên cả hai thành phần. Nếu quá trình quenching không thực hiện đúng cách, căng thẳng bên trong có thể làm vỡ chi tiết khi nó làm lạnh. Ít nhất, chúng gây ra cứng vật liệu và các sai lệch vi micro khác. Thường xuyên xuất hiện các vết nứt sau quá trình quenching khi thép được làm nguội bằng nước, mặc dù chúng không luôn luôn rõ ràng thấy được

Xuất xứ và sản xuất

Sắt thường được tìm thấy trong vỏ Trái đất dưới dạng khoáng sản, thường là oxit sắt, chẳng hạn như nam châm đất hoặc huyết tím đất. Sắt được trích xuất từ quặng sắt bằng cách loại bỏ oxy thông qua việc kết hợp với một chất đối tác hóa học ưu tiên như cacbon, sau đó bị mất vào không khí dưới dạng khí carbonic. Quá trình này, được biết đến là nấu luyện, được áp dụng lần đầu tiên cho các kim loại có nhiệt độ nấu chảy thấp hơn, chẳng hạn như thiếc, nó nấu chảy ở khoảng 250 °C (482 °F), và đồng, nó nấu chảy ở khoảng 1.100 °C (2.010 °F), và hợp kim của chúng, đồng thau, có điểm nấu chảy thấp hơn 1.083 °C (1.981 °F). So với đó, gang nấu chảy ở khoảng 1.375 °C (2.507 °F). Trong thời kỳ cổ xưa, một lượng nhỏ sắt đã được nấu luyện trong trạng thái rắn bằng cách đốt nó trong lửa than hoạt tính và sau đó "hàn" những cụm lại với nhau bằng một cái búa và trong quá trình đó ép ra các chất không mong muốn. Với sự cẩn thận, lượng cacbon có thể được kiểm soát bằng cách di chuyển nó trong lửa. Không giống với đồng và thiếc, sắt lỏng hoặc rắn hòa tan cacbon khá dễ dàng.

Tất cả các nhiệt độ này có thể đạt được với các phương pháp cổ xưa được sử dụng từ thời kỷ Đồ đồng. Kể từ tốc độ oxi hóa của sắt tăng lên nhanh chóng vượt quá 800 °C (1.470 °F), việc nấu luyện phải diễn ra trong môi trường ít oxi. Nấu luyện, bằng cách sử dụng cacbon để giảm các oxit sắt, dẫn đến hợp kim (gang) giữ lại quá nhiều cacbon để được gọi là thép. Lượng cacbon dư thừa và các tạp chất khác được loại bỏ trong bước tiếp theo.

Thường có thêm các vật liệu khác vào hỗn hợp sắt/cacbon để tạo ra thép với các tính chất mong muốn. Niken và mangan trong thép gia tăng sức căng và làm cho dạng austenite của hỗn hợp sắt-cacbon ổn định hơn, chrom gia tăng độ cứng và nhiệt độ nấu chảy, và vanadi cũng gia tăng độ cứng trong khi làm cho nó ít bị thiếu mỏi kim loại.^[50][61]

Để ngăn chặn sự ăn mòn, ít nhất 11% chromium có thể được thêm vào thép để tạo thành một lớp ôxít cứng trên bề mặt kim loại; điều này được gọi là thép không gỉ. Wolfram làm chậm quá trình hình thành cementite, giữ carbon trong ma trận sắt và cho phép martensit hình thành ưu tiên ở tốc độ làm nguội chậm hơn, dẫn đến thép tốc độ cao. Việc thêm chì và lưu huỳnh làm giảm kích thước hạt tạo nên thép dễ cắt gọt, nhưng cũng làm cho thép dễ vỡ hơn và dễ bị ăn mòn. Tuy nhiên, các hợp kim như vậy thường được sử dụng cho các bộ phận như ốc vít, bulong và ốc vít trong các ứng dụng không yêu cầu độ cứng và kháng ăn mòn quan trọng. Dù vậy, các yếu tố của nhóm p-block như lưu huỳnh, nitơ, phốt pho, và chì thường được coi là tạp chất làm cho thép dễ vỡ hơn và do đó sẽ được loại bỏ khỏi thép trong quá trình nấu chảy