Tính chất và ứng dụng thép

Thép là vật liệu quan trọng nhất đối với loài người. Tất cả đồ vật, cấu trúc được làm trực tiếp hoặc gián tiếp từ thép. Từ những tòa nhà trọc trời, những cây cầu hùng vĩ, máy móc thiếp bị, và tất cả những thứ yêu cầu độ bền theo thời gian đều được chế tạo từ thép. Thép luôn được đánh giá là vật liệu quan trọng nhất trong lịch sử loài người.

Bạn có lẽ có hiểu biết về thép, và khi nhắc tới thép bạn có cảm tưởng và hình dung ra những thứ cứng rắn nhất. Đặc tính này của thép làm nên sự khác biệt với các vật liệu khác.

Tính chất vật lý và hóa học của thép

Thép được biết đến với các đặc tính như độ bền, độ cứng và dẻo dai. Trong một số trường hợp, thép còn được biết với có tính ánh kim.

Thép có nhiệt độ nóng chảy rất cao (khoảng 1510 °C), cao hơn hầu hết các kim loại thông thường, ví dụ đồng thấp hơn gần 500 °C. Khối lượng riêng của thép cao khoảng 7,8-7,9 g/cm³, gần gấp 8 lần so với nước).

Thép cứng hơn và chắc chắn hơn sắt nguyên chất. Khả năng chống lại tải trọng, lực và thay đổi hình dạng của thép cực kuf đa dạng.

Độ bền của thép cao hơn các vật liệu khác và trong thép có nhiều loại thép với các độ bền đa dạng. Đối loại thép chất lượng thấp, giá trị khoảng 290 N/mm² , trong khi đối với những loại thép cao, độ bền lên tới 870 N/mm² .

Phân loại thép

Hầu hết thép đơn giản là thép cacbon, hoặc thép cacbon hợp kim thấp, mặc dù chứa các nguyên tố khác ngoài cacbon nhưu Silic và Mangan. Nếu quan sát bề mặt các loại thép khác nhau thì khó có thể phân biệt được sự khác biệt đáng kể. Tuy nhiên khi với thành phần cacbon thay đổi nhỏ, cũng ảnh hưởng lớn tới tính chất của thép.

Về phân loại thép, được chia thành nhiều loại theo tiêu chuẩn. Việc phân chia này do các nhà khoa học (những người quan tâm tới những tính chất sử dụng của thép).

Cơ tính: Như đã chú ý ở trên, độ bền của thép trong khoảng 290 N/m² and 870 N/m². Khi thêm cacbon làm tro thép trở nên cứng hơn, bởi vi khi thêm nguyên tử cacbon đầu tiên ảnh hưởng đến quá trình biến dạng dẻo (trở nên khó hơn). Do sự hình thành xementit Fe₃C.

Thép phân loại của Hoa Kỳ, thép phân loại cơ bản bắt đầu với Fe và giới hạn chảy nhỏ nhất. Ví dụ Fe 290 nghĩa là thép có độ bền kéo 290 N/mm2. Trong khi kí hiệu Fe E 220 có nghĩa thép có giới hạn chảy 220 N/mm²

Thành phần hóa học: Thép cacbon có thành phần từ 0,06 đến 1,5% chia thành các nhóm riêng:

1. Nhóm thép siêu thấp: có thành không quá  0,15%
2. Nhóm thép cacbon thấp và nhẹ: có thành phần từ 0,15 đến 0,45%
3.  Thép cacbon trung bình: Có thành phần từ  0.45 đến 0,8%
4. Thép cacbon cao: có thành phần từ 0,8 đến 1,5%

Thép không gỉ như cái tên của nó là mác thép có khả năng chống oxi hóa (ri) cũng như khả năng chống ăn mòn, thậm chí nó thể sử dụng trong các môi trường axit mạnh. Thép không gỉ được phát minh vào năm 1913 do Kỹ sư luyện kim người Anh Harry Brearley, người đã khám phá ra crom phản ứng với oxy ngoài không khí, hình thành nên lớp oxit thụ động có khả năng tự hồi phục. Phân loại thép không gỉ:

• Thép không gỉ mactenxit thành phần crom từ 12-14% và 0,12 đến 0,3%C là họ thép không gỉ được phát hiện. Đặc điểm của họ thép này là có từ tính và có thể hóa bền (tăng cứng) bề mặt bằng quá trình nhiệt luyện. Thép được sử dụng chế tạo bơm thủy lực, bơm hơi nước, bơm dầu và van, trong các thiết bị kỹ thuật khác.
• Thép không gỉ Ferrit có hàm lượng crom lớn hơn (16-18%) và khoảng 0,12% cabon. Họ thép này có khả năng chống ăn mòn tốt hơn họ thép không gỉ mactenxit, nhưng khả hầu như không có khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện. Họ thép này sử dụng chủ yếu trong các hoạt động tạo hình và ép, với khả năng chống ăn mòn cao.
• Thép không gỉ Austenit bao gồm thành phần lớn cả crom và niken. Có rất nhiều mác thép nhưng phổ biến nhất là mác 18 Cr:8N (chứa 18%Cr và 8%Ni). Thép có khả năng chống ăn mòn tốt nhưng giá thành cao và không có khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện. Thép không gỉ Austenit được ứng dụng nhiều để chế tạo trục bơm, hàng rào, vít, đai ốc, bulong…

Mục đích quá trình hợp kim hóa thép

Bạn đã biết quá trình thêm các nguyên tố vào thép cacbon làm thép có các tính chất (cơ tính) tốt hơn. Quá trình này hoạt động như thế nào ở mức độ phân tử?.

Ảnh hưởng các nguyên tố hợp kim đã được tôi đề cập trong bài viết: Ảnh hưởng nguyên tố hợp kim.

Đối với kim loại nguyên chất, vẻ ngoài có vẻ cứng, nhưng bản thân nó lại bền khi sử dụng trong các lĩnh vực công nghiệp nặng. Ngoại trừ một số ứng dụng đặc thù sử dụng các kim loại nguyên chất. Thì các ứng dụng sử dụng quá trình hợp kim hóa (trộn) các nguyên tố với nhau sẽ cho các tính chất vượt trội.

Ví dụ, Niken và crom có khả năng chống ăn mòn tốt nên được chế tạo thép không gỉ. Từ thép không gỉ sẽ chế tạo các chi tiết sử dụng trong cấy ghép. Nếu một hợp kim mong muốn của độ từ thẩm cao hơn, thì hợp kim hóa với Coban là một sự lựa chọn hoàn hảo.

Mangan được sử dụng trong những dự án giao thông vận tải lớn do độ bền và độ cứng của nó. Cuối cùng, Molipđen có khả năng duy trì độ bền ở nhiệt độ cao và các chi tiết chính xác.

• Khi các ion lớn hơn được thêm vào mạng tinh thể thép hiện tại, điều này phá vỡ mạng tinh thể theo cách khiến các “lớp” liền kề khó trượt qua nhau hơn, điều này làm tăng độ cứng của thép. Việc thêm các nguyên tử nhỏ hơn có thể gây ra hiệu ứng tương tự thông qua một dạng phá vỡ cơ học khác đối với cấu trúc mạng tinh thể sắt.

Ưu điểm của thép

Trong số những tính chất mong muốn của thép thì nó là vật liệu thân thiện với môi trường. Để đáp ứng đồng thời độ bền và khả năng chống phá hủy dưới tác động của môi trường và chi phí hợp lý thì thép vẫn là sự lựa chọn số một. Và trong những ứng dụng yêu cầu độ bền cao, chịu nhiệt, mài mòn thì thép vẫn là vật liệu không thể thay thế.

• Thép là vật liệu tái tạo nhiều nhất trên trái đất; mặc dù nó nặng, nhưng đặc tính của nó có từ tính nên dễ dang thu hồi từ các hồ, sông (dưới nước) hơn các vật liệu khác. Và thép cũng có thể giảm phác thải khí CO₂

So sánh với các vật liệu khác, thép có khả năng tạo hình đa dạng và dễ dàng. Ngoài ra khả năng hàn tốt, phù hợp cho các ứng dụng kết cấu.

• Tính trung bình, 50% chiếc oto được chế tạo từ thép.

Ngoài vai trò chế tạo các phương tiện giao thông, thép còn được sử dụng trong các sản phẩm nông nghiệp, các máy móc.

Phần lớn ứng dụng trong nhà, ví như từ tủ lạnh, ty vi, bồn rửa mặt, lò vi sóng và rất nhiều đồ vật làm bằng thép. Đồng thời khi vào bếp bạn sẽ thấy dụng cụ nhà bếp như dao, xoong nồi…đều làm bằng thép. Thép không gỉ có khả năng kháng khuẩn cao được sử dụng trong các thiết bị y tế, các bộ phận cấy ghép trong cơ thể.

Do khả năng tạo hình, hàn tốt của thép, do đó thép được sử dụng để tạo ra hầu hết các công trình xung quang ta. Ngày nay vẫn tiếp tục phát triển thép để đáp ứng cáo nhu cầu thực tế trong cuộc sống.

Thep định nghĩa thép là hợp kim thì thép không có một công thức hóa học hoặc công thức phân tử nào, bất kể loại nào. Nhưng

Steel itself is an alloy and by definition has no chemical or molecular formula, regardless of type. Nó là hữu dụng để kiểm tra một số phản ứng trong quá trình luyện thép.

Những phản ứng xảy ra trong quá trình luyện thép:

2 C + O₂ → 2 CO
Si + O₂ → SiO₂
4P + 5 O₂ → 4 P₅O₂
2 Mn + O₂ → 2 MnO

Khí CO là một sản phẩm thừa, nhưng được thêm vào để tảo sỉ trong quá trình luyện thép.