10 nguyên tố quan trọng nhất quyết định tính chất của thép

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 2,14% 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.

Thép 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, 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 40% 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 ít nhất 10% niken, nhằm mục đích chống lại sự ăn mòn.

Các nguyên tố ảnh hưởng đến tính chất cơ học (độ bền) của thép

Ảnh hưởng của Cacbon (C) đến độ bền của thép

Trong tất cả nguyên tố, cácbon là nguyên tố quan trọng nhất, quyết định chủ yếu đến tổ chức và tính chất của thép cácbon (và cả đối với thép hợp kim). Sự thay đổi hàm lượng cácbon ảnh hưởng đến cơ tính của thép gồm giới hạn bền, độ cứng, độ giãn dài, độ thắt tỉ đối và độ dai va đập. Khi hàm lượng cácbon trong thép tăng, độ bền và độ cứng của thép tăng còn độ dẻo và độ dai va đập lại giảm. Tuy nhiên, độ bền của thép chỉ tăng lên và đạt tới giá trị cực đại khi hàm lượng của cácbon tăng lên tới khoảng giới hạn 0,8 tới 1,0%, vượt quá giới hạn này độ bền lại giảm đi. Cứ tăng 0,1% cácbon, trong thép độ cứng tăng thêm khoảng 20-25HB và giới hạn bền tăng thêm khoảng 60-80 MPa, nhưng độ giãn dài tương đối giảm đi khoảng 2-4%, độ thắt tỉ đối giảm đi 1-5% và độ dai va đập giảm đi khoảng 200 kJ/m.

Ảnh hưởng của Mangan (Mn) đến độ bền của thép

Mangan có ảnh hưởng tốt đến cơ tính, khi hòa tan vào ferit nó nâng cao độ bền và độ cứng của pha này (hình 5.2a), do vậy làm tăng cơ tính của thép, song lượng mangan cao nhất trong thép cacbon cũng chỉ nằm trong giới hạn 0,50 – 0,80% nên ảnh hưởng này không quan trọng. Mn còn có tác dụng làm giảm nhẹ tác hại của lưu huỳnh.

Ảnh hưởng của Silic (Si) đến độ bền của thép

Giống như mangan, silic hòa tan vào ferit cũng nâng cao độ bền và độ cứng của pha này (hình 5.2a) nên làm tăng cơ tính của thép, song lượng silic cao nhất trong thép cacbon cũng chỉ trong giới hạn 0,20 – 0,40% nên tác dụng này cũng không rõ rệt.

Ảnh hưởng của Phôtpho (P) đến độ bền của thép

Là nguyên tố có khả năng hòa tan vào ferit (tới 1,20% ở hợp kim thuần Fe – C, còn trong thép giới hạn hòa tan này giảm đi mạnh) và làm xô lệch rất mạnh mạng tinh thể pha này làm tăng mạnh tính giòn; khi lượng phôtpho vượt quá giới hạn hòa tan nó sẽ tạo nên Fe3P cứng và giòn. Do đó phôtpho là nguyên tố gây giòn nguội hay bở nguội (ở nhiệt độ thường). Chỉ cần có 0,10%P hòa tan, ferit đã trở nên giòn. Song phôtpho là nguyên tố thiên tích (phân bố không đều) rất mạnh nên để tránh giòn lượng phôtpho trong thép phải ít hơn 0,050% (để nơi tập trung cao nhất lượng phôpho cũng không thể vượt quá 0,10% là giới hạn gây ra giòn).

Ảnh hưởng của Lưu huỳnh (S) đến độ bền của thép

Khác với phôtpho, lưu huỳnh hoàn toàn không hòa tan trong Fe (cả Feα lẫn Feγ) mà tạo nên hợp chất FeS. Cùng tinh (Fe + FeS) tạo thành ở nhiệt độ thấp (988oC), kết tinh sau cùng do đó nằm ở biên giới hạt; khi nung thép lên để cán, kéo (thường ở 1100 – 1200oC) biên giới bị chảy ra làm thép dễ bị đứt, gãy như là thép rất giòn. Người ta gọi hiện tượng này là giòn nóng hay bở nóng. Khi đưa mangan vào, do có ái lực với lưu huỳnh mạnh hơn sắt nên thay vì FeS sẽ tạo nên MnS. Pha này kết tinh ở nhiệt độ cao, 1620oC, dưới dạng các hạt nhỏ rời rạc và ở nhiệt độ cao có tính dẻo nhất định nên không bị chảy hoặc đứt, gãy. Sunfua mangan cũng có lợi cho gia công cắt.

Ảnh hưởng của  Crôm (Cr) đến độ bền của thép

Bản chất “trơ” của thép không gỉ giải thích được là nhờ Crom là nguyên tố phản ứng cao. Nhờ có crom nên thép không gỉ chịu được tác dụng mòn hoá và gỉ oxid hoá thông thường xảy ra với thép cacbon không được bảo vệ. Một khi hàm lượng crom tối thiểu ở mức 10.5% thì có một lớp mặt không tan bám chặt hình thành ngay ngăn chặn sự khuyếch tán oxid hoá trên mặt và ngăn oxid hoá sắt. Mức Crom càng cao thì mức chống gỉ càng cao.

Ảnh hưởng của Niken (Ni) đến độ bền của thép

Niken là nguyên tố hợp kim chính của mác thép không gỉ sêri 300. Sự có mặt của Niken hình thành cấu trúc “austenite” làm cho mác thép này có độ bền, tính dẻo và dai, ngay cả ở nhiệt độ hổn hợp làm nguội. Niken cũng là chất không từ tính. Trong khi vai trò của Niken không có ảnh hưởng trực tiếp lên sự phát triển của lớp “trơ” trên mặt, niken cải thiện đáng kể việc chịu được acid tấn công, đặc biệt là với acid sulfuric.

Ảnh hưởng của Molybden (Mo) đến độ bền của thép

Chất phụ gia Molybden thêm vào mác thép “Cr-Fe-Ni” sẽ tăng tính chống mòn lỗ chỗ cục bộ và chống mòn kẻ nứt tốt hơn (đặc biệt là với mác thép Ferritic Cr-Fe ). Molybden giúp chống tác động thiệt clorua (mác thép 316 có 2% molybden tốt hơn mác thép 304 dùng tại miền ven biển). Lượng Molybden càng cao (đôi khi có mác thép có 6% molybden), thì mức chịu clorua càng cao.

Ảnh hưởng của Đồng (Cu) đến độ bền của thép

Với hàm lượng nhỏ (0,3 – 0,8%Cu) có tác dụng làm tăng độ bền, độ dẻo, độ dai va đập và tính chống ăn mòn của thép nhưng ít ảnh hưởng đến tính hàn của thép.

Ảnh hưởng của Nito (N) đến độ bền của thép

 Các mác thép không gỉ Ferritic, Austenitic và song pha Duplex, Nitơ giúp tăng sự tấn công của mòn lỗ chỗ cục bộ và sự ăn mòn giữa các hạt. Hàn đề nghị dùng với mác thép “austenitic” cacbon thấp (cacbon nhỏ hơn 0.03%) vì khi hàm lượng cacbon thấp sẽ giảm tối thiểu sự rủi ro nhạy cảm hoá. Tuy nhiên, hàm lượng cacbon thấp có xu hướng giảm sức bền. Chất phụ gia Nitơ giúp tăng sức bền như mức mác thép chuẩn.

Mỗi nhóm thép có nhiều mác thép. Các mác thép trong cùng một nhóm có một và nguyên tố khác nhau về hàm lượng để tạo mác còn các nguyên tố còn lại về cơ bản có thành phần hóa học (hàm lượng) giống nhau.

Trong quá trình sản xuất thép nhà sản xuất cần giám sát thành phần hóa học các nguyên tố và khống chế sao cho thép đạt các mác khác nhau bằng cách phân tích thép lỏng trong quá trình nấu luyện. Các phụ gia tạo mác được bổ sung vào sao cho phù hợp, còn các tạp chất như Phốt pho, Lưu huỳnh, Nitơ, Hydrô… được khống chế trong một giới hạn nhất định. Việc phân tích thành phần hóa học các nguyên tố được thực hiện bằng máy quang phổ phát xạ phân tích thành phần thép với khả năng phân tích đến 30 nguyên tố chỉ trong vòng 30 giây.

Nguồn internet