Thép là hợp kim với thành phần chính là sắt (Fe), với cacbon (C), từ 0,02% đến 2,06% 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 dể uốn, và sức bền kéo đứt. Thép với tỷ lệ cacbon 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 2,06% theo trọng lượng ( ở trạng thái Austenit) xảy ra ở 1.147 độ C; nếu lượng cacbon 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 cacbon cao hơn 2,06% sẽ được gang. Thép cũng được phân biệt với sắt rèn, vì sắt rèn có rất ít hay không có cacbon, 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 cacbon được thay thế bằng các hỗn hợp vật liệu khác, và cacbon 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 giữ 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 ôxy, 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 cấp bậc và được các tổ chức đánh giá xác nhận theo chuẩn riêng.

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 ôxy hoặc lưu huỳnh. Sắt ở dạng khoáng vật bao gồm Fe2O3-một dạng của ôxít sắt có trong khoáng vật hematit, và FeS2 – quặng sunfit sắt. Sắt được lấy từ quặng bằng cách khử ôxy hoặc kết hợp sắt với một nguyên tố hoá học như cacbon. 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 cacbon trong sắt cao hơn 2,06% 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 ôxy hoá tăng nhanh khoảng 800 °C thì việc luyện kim phải diễn ra trong môi trường có ôxy thấp.

Trong quá trình luyện thép việc trộn lẫn cacbon 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 cacbon (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 cacbon hơn ( 2,06% cacbon nhiệt độ 1.147 °C). Một cách để loại bỏ cacbon 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.

Thép hiện đại

Thép hiện đại được chế tạo bằng nhiều các nhóm hợp kim khác nhau, tùy theo thành phần hóa học của các nguyên tố cho vào mà cho ta các sản phẩm phù hợp với công dụng riêng rẽ của chúng. Thép cacbon bao gồm hai nguyên tố chính là sắt và cacbon, chiếm 90% tỷ trọng các sản phẩm thép làm ra. Thép hợp kim thấp có độ bền cao được bổ sung thêm một vài nguyên tố khác (luôn <2%), tiêu biểu 1,5% mangan, đồng thời cũng làm giá thành thép tăng thêm. Thép hợp kim thấp được pha trộn với các nguyên tố khác, thông thường molypden, mangan, crom, hoặc niken, trong khoảng tổng cộng không quá 10% trên tổng trọng lượng. Các loại thép không gỉ và thép không gỉ chuyên dùng có ít nhất 10% crom, trong nhiều trường hợp có kết hợp với niken, nhằm mục đích chống lại sự ăn mòn. Một vài loại thép không gỉ có đặc tính không từ tính.

Thép hiện đại còn có những loại như thép dụng cụ được hợp kim hóa với số lượng đáng kể bằng các nguyên tố như vonfram hay coban cũng như một vài nguyên tố khác đạt đến khả năng bão hoà. Những chất này là tác nhân kết tủa giúp cải thiện các đặc tính nhiệt luyện của thép. Thép dụng cụ được ứng dụng nhiều vào các công cụ cắt gọt kim loại, như mũi khoan, dao tiện, dao phay, dao bào và nhiều ứng dụng cho các vật liệu cần độ cứng cao.

Thép kết cấu

Thép kết cấu là loại thép dùng cho ngành chế tạo máy, có chất lượng tốt (khử tạp chất đến: S ≤ 0,04%, P ≤0,035%), chủng loại đa dạng nhưng khối lượng sử dụng trong công nghiệp không nhiều.

Khả năng làm việc của chúng sẽ được phát huy tối đa sau nhiệt luyện.

Thép này thường được hợp kim hoá bằng các nguyên tố: Cr, Mn, Si, Ni, Ti, Mo (W),…với lượng nhỏ (thường từ 1-2%; cá biệt, có thép từ 6-7%) để nâng cao độ thấm tôi (cải thiện khả năng nhiệt luyện) và hoá bền ferrite.

Thép kết cấu được chia thành các nhóm sau:

    •  Thép thấm cácbon: Là loại thép có thành phần cácbon thấp (≤ 0,25% C), ở trạng thái cung cấp có độ dẻo, độ dai cao nhưng độ bền thấp. Để cải thiện độ bền và nâng cao độ cứng bề mặt, có thể áp dụng công nghệ thấm cácbon, tôi và ram thấp.

    • Thép hoá tốt: Là thép có thành phần cácbon vào khoảng 0,3 – 0,5%, cơ tính ở trạng thái cung cấp tương đối cao. Sau nhiệt luyện hoá tốt (tôi và ram cao), chúng sẽ có cơ tính tổng hợp cao nhất. Để nâng cao khả năng chống mài mòn bề mặt của thép này, sau nhiệt luyện hoá tốt phải tôi bề mặt và ram thấp.

    • Thép đàn hồi: Là thép có hàm lượng cácbon tương đối cao (0,5 – 0,7%), chuyên dùng để chế tạo các chi tiết đàn hồi : nhíp, lò xo,…Để có giới hạn đàn hồi cao nhất thì phải qua tôi và ram trung bình.

Thép thấm cácbon

Thép thấm cácbon (thép cacbon) là loại thép có hàm lượng cácbon thấp (0,1 - 0,25%), dùng để chế tạo các chi tiết yêu cầu lõi dẻo, dai, chịu được va đập còn bề mặt có độ cứng cao để chịu mài mòn. Thành phần hoá học:

    • Cácbon: hàm lượng cácbon thường nằm trong giới hạn 0,1 - 0,25% để lõi chi tiết có độ dẻo và dai cao. Với các chi tiết lớn, để nâng cao độ bền lõi, hàm lượng cácbon có thể đến 0,3%.

    • Các nguyên tố hợp kim: Hợp kim hoá cho thép thấm cácbon nhằm hai mục đích: tăng độ thấm tôi và thúc đẩy quá trình thấm cácbon vào thép. Các nguyên tố tạo cácbít thường được dùng cho mục đích này. Ngoài ra, vì quá trình thấm xảy ra ở nhiệt độ cao và trong thời gian dài nên các nguyên tố hợp kim phải không làm hạt lớn. Các nguyên tố thường dùng là: Cr, Mn,V, Mo, Ti (Dùng kèm với Mn giữ nhỏ hạt vì Mn có xu hướng làm thô hạt),… Các thép thấm thường có Ni với hàm lượng 2 – 4% vì Ni có tác dụng tăng độ thấm tôi, giữ hạt nhỏ và làm tăng mạnh độ dai va đập.

Trong thép thấm cácbon không nên có Si, Co và các nguyên tố này đẩy C ra khỏi thép, ngăn cản quá trình thấm.

Thép hoá tốt

Thép hoá tốt là loại thép có hàm lượng cácbon nằm trong khoảng từ 0,3 – 0,5 %, là loại thép chuyên dùng để chế tạo các chi tiết chịu tải tĩnh và va đập cao, yêu cầu độ bền và đặc biệt là độ dai va đập cao (cơ tính tổng hợp cao). Nhiệt luyện hoá tốt (tôi và ram cao) sẽ đạt được các yêu cầu trên. Tổ chức thu được trong thép này sau nhiệt luyện hoá tốt là tổ chức Xoocbit ram, tổ chức cho giá trị độ dai va đập cao nhất.

Thành phần hoá học:

- Cácbon: Hàm lượng cácbon nằm trong khoảng 0,3 – 0,5% để thép có sự kết hợp hài hoà giữ độ bền và dẻo dai.

- Các nguyên tố hợp kim: Thường dùng các nguyên tố Cr, Mn, Si, Ni với hàm lượng khoảng 1% mỗi nguyên tố với mục đích làm tăng độ thấm tôi. Ngoài ra, các nguyên tố Mo (<0,3%) và Ti (<0,1%) cũng được dùng để giữ hạt nhỏ và chống giòn ram (hay gặp trong thép Ni). Cũng có thể dùng B với lượng rất nhỏ (< 0,005%) để tăng độ thấm tôi.

Thép đàn hồi (lò xo): Đây là loại thép có thành phần cácbon nằm trong khoảng 0,5 – 0,7%, sau tôi và ram trung bình có giới hạn đàn hồi cao. Thép này chuyên dùng để chế tạo các chi tiết đàn hồi: lò xo, nhíp,…nên được gọi là thép đàn hồi.

Thành phần hoá học:

    • Cácbon: Các phần tử đàn hồi không cho phép có biến dạng dẻo cũng như bị phá huỷ giòn khi làm việc nên thành phần các bon của thép đàn hồi không được quá thấp cũng như không được quá cao. Khoảng thành phần cácbon hợp lý của loại thép này là 0,5 – 0,7%(thường gặp 0,55 – 0,65%).

    • Nguyên tố hợp kim: Các nguyên tố Mn, Si cho vào thép đàn hồi với mục đích nâng cao tính đàn hồi. Các nguyên tố khác như Cr, Ni, V được cho vào với mục đích ổn định tính đàn hồi của thép.

Phân loại thép xây dựng

Thép và gang là hợp kim đen của sắt và cacbon, ngoài ra còn một số các chất khác có tỉ lệ không đáng kể như ôxy, phốt pho, silic,…

Từ quặng sắt với thành phần chính là sắt ôxyt Fe2O3, Fe3O4, người ta luyện trong lò cao được gang là hợp kim Fe và C trong đó lượng C chiếm hơn 1.7%.Qua lò luyện thép để khử bớt C trong gang, người ta được thép.Có rất nhiều loại thép khác nhau do thành phần hóa học, do phương pháp luyện, phương pháp rót.Dưới đây là một số cách phân loại thép thường dùng trong xây dựng:

a. Theo thành phần hoá học của thép

    • Thép cacbon: với hàm lượng C<1.7%, không có các thành phần hợp kim khác.Tùy theo hàm lượng cacbon lại chia ra : thép cacbon cao, thép cacbon vừa, thép cacbon thấp.

    • Thép xây dựng là loại thép cacbon thấp với lượng C<0.22% là loại thép mềm, dẻo, dễ hàn.Thép cacbon vừa và cao là loại thép sử dụng trong các ngành công nghiệp khác.

    • Thép hợp kim, có thêm thành phần kim loại khác như crôm(Cr), kền(Ni), măng gan (Mn),…nhằm nâng cao chất lượng thép như tăng độ bền, tăng tính chống gỉ. Kết cấu thép dược sử dụng thép hợp kim thấp,với tỷ lệ các nguyên tố khác dưới 2,5%.Thép hợp kim vừa và hợp kim cao không dùng làm kết cấu xây dựng

b. Theo phương pháp luyện thép

Luyện thép từ gang là nhằm khử bớt cacbon và các chất phụ khác trong gang để đưa về hàm lượng yêu cầu đối với thép, có 2 phương pháp luyện chính :

    • Luyện bằng lò quay

Phương pháp này cho năng suất cao, thời gian luyện mỗi mẻ chỉ chừng 30 phút, nhưng chất lượng của thép không tốt vì nitơ của không khí hòa tan trong thép thành những bọt khí, làm thép giòn.Ngoài ra không thể khử hết thành phần phốt pho là thành phần có hại làm cho thép bị già.

Trong mấy chục năm gần đây người ta áp dụng phương pháp luyện bằng lò quay tiên tiến là lò thổi ôxy. Ôxy nguyên chất đựơc thổi với áp lực cao từ trên xuống.Ngoài ra còn có thể trộn thêm bột vôi để khử phốt pho của gang.

    • Luyện bằng lò bằng

Thời gian luyện 1 mẻ từ 8 đến 12 giờ, do thời gian kuyện lâu nên năng suất thấp, giá thành thép cao nhưng thép có chất lượng tốt , cấu trúc thuần nhất và thành phần thép có thể điều chỉnh được trong quá trình luyện.

Với các phương pháp sản xuất hiện nay không cần phân biệt thép được luyện bằng lò bằng hay lò quay vì cả 2 phương pháp đều cho chất lượng thép tương đương nhau.

c. Theo phương pháp để lắng thép: Thép lỏng từ lò luyện được rót vào các khuôn và để nguội cho kết tinh lại.Tùy theo phương pháp để lắng nguội có các phương pháp:

    • Thép sôi: thép khi nguội bốc ra nhiều bọt khí tạo nên những chỗ không đồng nhất trong cấu trúc thép khiến thép có chất lượng không tốt, dễ bị phá hoại giòn và bị lão hóa.

    • Thép tĩnh: trong quá trình nguội không có hơi bốc ra cuồn cuộn như thép sôi, do đã được thêm những chất khử ôxy như silic, nhôm, măng gan.Những chất này khử hết ôxy có hại và những tạp chất phi kim loại khác tạo nên xỉ nổi trên mặt.

    • Thép nửa tĩnh: Là trung gian giữa thép tĩnh và thép sôi, trong đó ôxy không được khử hoàn toàn.Về chất lượng thép cũng như về giá thành của thép nửa tĩnh cũng là trung gian giữa 2 loại thép trên.

Số hiệu thép xây dựng

Nước ta chưa có tiêu chuẩn đặt số hiệu cho thép xây dựng.Quy phạm thiết kế kết cấu thép của nước ta được biên soạn theo quy phạm của Liên Xô nên các tên thép cũng lấy theo tên thép của Liên Xô.

    • Thép cacbon cường độ thường.

    • Thép cacbon cường độ khá cao.

    • Thép cacbon cường độ cao.

    • Quá trình luyện thép: Oxit Sắt → Gang → Thép

Từ quặng sắt với thành phần chính là sắt ôxyt Fe2O3, Fe3O4, người ta luyện trong lò cao được gang là hợp kim Fe và C trong đó lượng C chiếm hơn 1.7%.Qua lò luyện thép để khử bớt C trong gang, người ta được thép. Có rất nhiều loại thép khác nhau phụ thuộc vào thành phần hóa học, do phương pháp luyện, phương pháp rót.

VLXD.org (TH)