Thép là một hợp kim với thành phần chính là sắt (Fe) và một lượng nhỏ carbon (C) (từ 0,02% đến 2,14% theo trọng lượng). Ngoài ra, thép còn có thể chứa các nguyên tố khác như Si, Mn, P, S, Cr, Ni, Mo, Mg, Cu... để cải thiện tính chất và tạo ra các loại thép với đặc tính khác nhau.
Tổng quan về thép
2/ Tính chất cơ học của thép
- Tính chất hóa học: Thép có ánh kim, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt. Ở nhiệt độ cao (500-600 độ C), thép trở nên dẻo hơn và cường độ giảm. Ở nhiệt độ thấp, thép trở nên giòn và dễ nứt.
- Tính chất cơ học: Thép có độ cứng, độ bền, độ dẻo và khả năng chống ăn mòn tốt. Các tính chất này có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi thành phần hóa học và quá trình xử lý nhiệt.
3/ Hàm lượng carbon ảnh hưởng đến đặc tính của thép
Hàm lượng carbon trong thép có ảnh hưởng rất lớn đến đặc tính của nó, bao gồm cả tính chất cơ học và vật lý.
Ảnh hưởng đến tính chất cơ học:
- Độ cứng: Hàm lượng carbon càng cao, thép càng cứng. Điều này là do sự hình thành của cementit (Fe3C), một hợp chất rất cứng, trong cấu trúc thép.
- Độ bền: Tương tự như độ cứng, độ bền của thép cũng tăng lên khi hàm lượng carbon tăng. Tuy nhiên, độ bền tối đa thường đạt được ở một hàm lượng carbon nhất định, sau đó sẽ giảm khi hàm lượng carbon tiếp tục tăng.
- Độ dẻo: Hàm lượng carbon càng cao, thép càng kém dẻo và dễ gãy hơn. Điều này là do cementit làm giảm khả năng biến dạng dẻo của thép.
Ảnh hưởng đến tính chất vật lý:
- Nhiệt độ nóng chảy: Hàm lượng carbon càng cao, nhiệt độ nóng chảy của thép càng giảm.
- Tính dẫn điện và dẫn nhiệt: Hàm lượng carbon làm giảm tính dẫn điện và dẫn nhiệt của thép.
Phân loại thép carbon theo hàm lượng carbon:
Dựa trên hàm lượng carbon, thép được chia thành các loại sau:
- Thép carbon thấp: Hàm lượng carbon dưới 0.25%. Thép này có độ dẻo và độ dai tốt, nhưng độ cứng và độ bền thấp. Thường được sử dụng trong các ứng dụng cần khả năng gia công và hàn tốt, như tấm, dây, ống, và các chi tiết kết cấu.
- Thép carbon trung bình: Hàm lượng carbon từ 0.25% đến 0.60%. Thép này có sự cân bằng tốt giữa độ cứng, độ bền và độ dẻo. Thường được sử dụng trong các ứng dụng cần chịu tải trọng và mài mòn, như bánh răng, trục, và các chi tiết máy.
- Thép carbon cao: Hàm lượng carbon trên 0.60%. Thép này có độ cứng và độ bền rất cao, nhưng độ dẻo thấp và dễ gãy. Thường được sử dụng trong các ứng dụng cần độ cứng và chống mài mòn cao, như dao, dụng cụ cắt, và khuôn.
4/ Vai trò quan trọng của thép
Thép đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong cuộc sống hiện đại và có những đóng góp to lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau:
1. Xây dựng:
- Kết cấu chịu lực: Thép là vật liệu chính để xây dựng các công trình lớn như nhà cao tầng, cầu, đường hầm, sân vận động... nhờ khả năng chịu lực và độ bền cao.
- Vật liệu hoàn thiện: Thép được sử dụng làm cửa, mái nhà, lan can, cầu thang... mang lại vẻ đẹp hiện đại và độ bền cho công trình.
2. Công nghiệp:
- Sản xuất máy móc, thiết bị: Thép là nguyên liệu không thể thiếu để chế tạo các loại máy móc, thiết bị công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải...
- Đóng tàu: Thép được sử dụng rộng rãi trong ngành đóng tàu nhờ độ bền cao, khả năng chịu lực và chống ăn mòn tốt.
- Sản xuất ô tô: Thép là vật liệu chính để chế tạo thân vỏ, khung gầm và nhiều bộ phận khác của ô tô.
3. Năng lượng:
- Xây dựng nhà máy điện: Thép được sử dụng để xây dựng các nhà máy nhiệt điện, thủy điện, điện hạt nhân...
- Sản xuất tua bin gió: Thép là vật liệu chính để chế tạo các cánh quạt và trụ đỡ của tua bin gió.
4. Đời sống:
- Đồ gia dụng: Thép được sử dụng để sản xuất các loại đồ gia dụng như nồi, chảo, dao, kéo, tủ lạnh, máy giặt...
- Nội thất: Thép được sử dụng làm khung giường, bàn ghế, tủ... mang lại vẻ đẹp hiện đại và sang trọng.
5. Y tế:
- Dụng cụ phẫu thuật: Thép không gỉ được sử dụng để sản xuất các dụng cụ phẫu thuật như dao mổ, kéo, kẹp... nhờ tính chống ăn mòn và dễ vệ sinh.
- Thiết bị y tế: Thép được sử dụng để chế tạo các thiết bị y tế như máy chụp X-quang, máy MRI, máy siêu âm...
Phân loại thép theo tính chất
Thép có thể được phân loại theo các tính chất cơ bản và đặc điểm kỹ thuật. Dưới đây là một số loại phổ biến của thép được phân loại theo tính chất.
1/ Thép carbon
Thép cacbon là một hợp chất chủ yếu bao gồm sắt (Fe) và cacbon (C), với hàm lượng các nguyên tố khác thấp hoặc không đáng kể. Qua việc điều chỉnh tỷ lệ sắt và cacbon, chúng ta có thể tạo ra nhiều tính chất và ứng dụng khác nhau cho thép cacbon, làm cho nó trở nên đa dạng và linh hoạt hơn.
Nhờ vào việc điều chỉnh hàm lượng sắt và cacbon, thép cacbon có các tính chất đặc trưng như độ cứng, độ dẻo, khả năng chịu lực, kháng mài mòn và khả năng chịu nhiệt. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc sử dụng thép cacbon trong nhiều ngành công nghiệp và ứng dụng khác nhau.
Thép carbon kết cấu
Thép cacbon kết cấu nhóm chất lượng cao có tiêu chuẩn chặt chẽ hơn so với nhóm chất lượng thường, được xác định dựa trên hàm lượng tạp chất có hại (S ≤ 0,04%, P ≤ 0,035%), hàm lượng chính xác của cacbon và chỉ tiêu cơ tính rõ ràng. Thép cacbon kết cấu thường được sử dụng trong việc chế tạo các chi tiết máy chịu lực cao, như bánh răng, trục vít, lò xo.
- Theo tiêu chuẩn của Việt Nam (TCVN), thép cacbon kết cấu được ký hiệu bằng chữ "C," theo sau là chỉ số hàm lượng cacbon của thép.
Ví dụ, C20, C45, C65 là các mác thép tượng trưng cho hàm lượng cacbon cụ thể như 0,20%, 0,45%, và 0,65%.
Các quốc gia khác nhau có các ký hiệu riêng để xác định mác thép cacbon kết cấu.
- Ở Nhật Bản (JIS), các thép này được ký hiệu bằng "SxxC," trong đó xx là số chỉ phần vạn của hàm lượng cacbon. Ví dụ, mác thép S45C có hàm lượng cacbon là 0,45%.
- Ở Mỹ (AISI/SAE), các mác thép cacbon kết cấu thường được ký hiệu bằng số "10xx," trong đó xx là số chỉ phần vạn của hàm lượng cacbon. Ví dụ, mác thép 1045 có hàm lượng cacbon là 0,45%.
Thép CT3?
Thép CT3 là một loại thép thuộc nhóm cacbon thấp, có kết cấu nằm trong nhóm C và giới hạn bền là 8. Thép CT3 được sử dụng phổ biến trong chế tạo các chi tiết máy, khuôn mẫu, gia công bản mã và có nhiều ứng dụng trong xây dựng, kết cấu thép, cầu cảng, gia công kim loại và chi tiết máy.
Viết tắt CT trong tên thép đại diện cho cacbon thấp, và chữ số 3 chỉ rõ rằng nó thuộc nhóm C. Theo tiêu chuẩn TCVN 1765 - 75 về Mác thép, nhóm C bao gồm các mã thép như CCT34, CCT38,... (trong đó số đằng sau số 3, cụ thể là 4 và 8, chỉ giới hạn bền của thép).
Thép cacbon dụng cụ
Thép cacbon dụng cụ là một loại thép có hàm lượng cacbon cao (từ 0,7% đến 1,4%) và hàm lượng tạp chất S và P thấp (dưới 0,025%). Thép này có độ cứng cao sau khi trải qua quá trình nhiệt luyện, tuy nhiên lại có khả năng chịu nhiệt thấp. Điều này làm cho chúng trở thành vật liệu lý tưởng để chế tạo các dụng cụ như đục, dũa, dụng cụ đo và các loại khuôn dập.
Theo tiêu chuẩn TCVN, thép cacbon dụng cụ được đánh dấu bằng chữ "CD," và sau đó là chỉ số hàm lượng cacbon của thép theo phần vạn.
Ví dụ: CD70, CD80, CD100 là các mác thép biểu thị cho hàm lượng cacbon cụ thể là 0,70%, 0,80%, và 1,00%.
2/ Thép hợp kim
Thép hợp kim là một loại thép được tạo thành từ sự kết hợp giữa sắt (Fe) và cacbon (C), kèm theo các nguyên tố khác có hàm lượng khác nhau nhằm thay đổi các tính chất cơ học của thép.
Các nguyên tố khác trong thép hợp kim được phân loại như sau:
- Thép hợp kim với hàm lượng các nguyên tố khác thấp: Tổng hàm lượng không vượt quá 2,5%.
- Thép hợp kim với hàm lượng các nguyên tố khác vừa: Tổng hàm lượng từ 2,5% đến 10%.
- Thép hợp kim với hàm lượng các nguyên tố khác cao: Tổng hàm lượng lớn hơn 10%.
3/ Thép không gỉ (inox)
- Inox là một loại hợp kim sắt có hàm lượng crom ít nhất là 10,5% trong thành phần.
- Thép không gỉ có những đặc tính nổi bật như khả năng chống oxi hóa, chống ăn mòn và không bị thay đổi màu sắc trong môi trường khắc nghiệt.
- Inox được chia thành bốn nhóm chính: Austenitic, Ferritic, Duplex và Martensitic. Mỗi nhóm có tính chất và ứng dụng riêng, tùy thuộc vào thành phần hợp kim và cấu trúc tinh thể của chúng.
Phân loại thép theo hình dạng
Thép ngoài ra còn được phân loại theo hình dạng chủ yếu dựa vào các đặc điểm hình học. Dưới đây là một số loại phổ biến của thép được phân loại theo hình dạng:
1/ Thép lá
Thép lá là một dạng thép được cán mỏng thành tấm hoặc cuộn, có độ dày và quy cách đa dạng. Qua quy trình cán mỏng, thép lá mang đến tính linh hoạt và ứng dụng đa dạng. Thép lá đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật cao và đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng và sản xuất các sản phẩm chất lượng cao.
Với tính linh hoạt và tính chất đa dạng, thép lá là một vật liệu quan trọng và được ưa chuộng trong nhiều ngành công nghiệp. Các ứng dụng của nó rất đa dạng, từ sản xuất các thành phần cơ khí, linh kiện điện tử, đến xây dựng các cơ sở hạ tầng và các sản phẩm chất lượng cao. Thép lá đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt, đảm bảo sự tin cậy và hiệu suất cao trong sử dụng.
2/ Thép hình H, U, I, V
Thép hình là loại sản phẩm thép được định hình thành các hình dạng như chữ H, U, I, V,... thông qua quy trình gia công nhiệt, gia công cơ học nóng và cơ học nguội.
Các loại thép hình:
- Thép góc (Thép hình V, L): Được sử dụng để sửa chữa máy móc, thiết bị, góc cửa sổ, cửa chính và làm giá đỡ.
- Thép chữ U: Rộng rãi ứng dụng trong công trình nhà xưởng, thùng xe, dầm cầu trục và các công trình khác.
- Thép chữ I: Thường xuất hiện trong xây dựng cầu đường, nhà xưởng và các ngành công nghiệp cơ khí.
- Thép chữ U và I thành mỏng: Được sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt và đòi hỏi kỹ thuật cao.
3/ Thép hộp
Thép hộp là một vật liệu được tạo ra từ những tấm thép lớn có độ dày linh hoạt, sau đó được định hình thành các dạng hộp vuông hoặc chữ nhật theo các khuôn mẫu, để tạo nên những sản phẩm cuối cùng độc đáo và đa dạng.
Qua quá trình gia công tinh xảo, thép hộp mang lại những tính chất cơ học và kích thước linh hoạt, phù hợp cho vô số ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp, xây dựng và sản xuất.
Sự linh hoạt và đa dạng của thép hộp đã trở thành một vật liệu tuyệt vời cho việc tạo ra các sản phẩm có hình dạng và kích thước đa dạng, từ những công trình phức tạp đến các ứng dụng đơn giản. Thép hộp đáp ứng nhu cầu đa dạng của nhiều ngành công nghiệp, cho phép xây dựng các công trình vững chắc, sản xuất các thành phần cơ khí hiệu quả và thực hiện nhiều dự án sáng tạo khác.
4/ Thép ống tròn
Thép ống tròn là một loại sản phẩm có tiết diện trong, kết cấu bên trong rỗng. Điều đặc biệt ở vật liệu này chính là khả năng chịu lực vượt trội và độ bền cao. Thêm vào đó, tính linh hoạt của thép ống cho phép dễ dàng uốn cong, phù hợp với các công trình có gấp khúc hoặc đường cong phức tạp. Tính ưu việt này làm cho thép ống tròn được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp và các dự án xây dựng.
5/ Thép tấm
Thép tấm cuộn là một vật liệu thép có dạng cuộn tròn, có quy trình tinh luyện phức tạp đòi hỏi sự vượt trội trong kỹ thuật và công nghệ. Thép cuộn có thể có bề mặt trơn hoặc được gia công gân, tạo ra sản phẩm đa dạng và chất lượng cao. Được sản xuất và xử lý một cách tỉ mỉ, thép cuộn đáp ứng tốt các yêu cầu về chất lượng và tiêu chuẩn kỹ thuật, rộng rãi ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp và dự án xây dựng.
6/ Thép xây dựng
Thép xây dựng còn được biết đến là thép thanh, thép cây, là một loại vật liệu xây dựng có hình dạng trụ dài 12m/cây. Với tính chất dẻo dai, khả năng chịu uốn và độ dãn dài cao, thép thanh là sự lựa chọn hoàn hảo cho các công trình xây dựng công nghiệp và dân dụng.
Thép thanh được phân thành ba loại chính:
- Thép thanh tròn trơn
- Thép thanh tròn có vân
- Thép thanh cuộn
Quy trình sản xuất thép
Quy trình sản xuất thép gồm nhiều giai đoạn phức tạp, từ xử lý nguyên liệu thô đến tạo ra sản phẩm thép cuối cùng. Dưới đây là các bước chính trong quy trình sản xuất thép:
1. Xử lý quặng sắt:
- Quặng sắt được khai thác từ mỏ và vận chuyển đến nhà máy.
- Quặng sắt được nghiền nhỏ và sàng lọc để loại bỏ tạp chất.
- Quặng sắt được làm giàu bằng các phương pháp như tuyển từ, tuyển nổi để tăng hàm lượng sắt.
2. Sản xuất gang:
- Quặng sắt đã qua xử lý được đưa vào lò cao cùng với than cốc và đá vôi.
- Trong lò cao, quặng sắt bị khử thành sắt nóng chảy (gang lỏng) và các tạp chất khác.
- Gang lỏng được tách ra khỏi xỉ (tạp chất) và đưa đến lò luyện thép.
3. Luyện thép:
- Gang lỏng được đưa vào lò luyện thép (lò oxy, lò điện hồ quang hoặc lò thổi oxy kiềm) để loại bỏ các tạp chất còn lại như carbon, silic, mangan, phốt pho và lưu huỳnh.
- Các nguyên tố hợp kim khác có thể được thêm vào để tạo ra các loại thép với tính chất mong muốn.
4. Đúc thép:
- Thép lỏng được đổ vào khuôn đúc để tạo thành phôi thép.
- Phôi thép có thể có dạng thỏi, tấm, hoặc phôi liên tục.
5. Cán thép:
- Phôi thép được đưa qua các máy cán để tạo thành các sản phẩm thép có hình dạng và kích thước mong muốn, như thép tấm, thép cuộn, thép hình, thép thanh, thép dây...
- Quá trình cán có thể được thực hiện ở nhiệt độ cao (cán nóng) hoặc nhiệt độ thấp (cán nguội).
6. Xử lý nhiệt:
- Thép có thể được xử lý nhiệt bằng các phương pháp như ủ, tôi, ram... để cải thiện tính chất cơ học và vật lý.
7. Hoàn thiện bề mặt:
- Thép có thể được mạ kẽm, mạ crôm, sơn phủ hoặc các phương pháp khác để bảo vệ bề mặt và tăng tính thẩm mỹ.
8. Kiểm tra chất lượng:
- Thép thành phẩm được kiểm tra chất lượng để đảm bảo đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật và yêu cầu của khách hàng.
