Tiểu luận Vật liệu xây dựng Vật liệu thép

Có rất nhiều loại vật liệu mới với những tính năng vượt trội, đặc biệt được ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển của khoa học – công nghệ và đời sống như vật liệu áp điện, vật liệu siê

 LỜI NÓI ĐẦU 

-oOo -

Từ xưa đến nay, nơi ăn chốn ở luôn là vấn đề được con người quan tâm hàng đầu Bởi

lẽ, mọi phong tục, tập quán, sinh hoạt, ăn uống của ta đều bắt đầu từ đây Từ xa xưa, tổ tiên

ta đã biết dùng các hang động để cư ngụ và sinh sống, rồi từ đó phát kiến ra những cách tạo dựng cho mình nơi ở đầu tiên như biết xếp chồng các khối đá tương thích lên nhau hay gắn kết chúng bằng những chất kết dính thô có sẵn như đất sét, thạch cao, v.v… Đó chính là những phương thức xây dựng đầu tiên của con người Qua các thời kỳ, nhu cầu của con người về nơi ở lại càng cao đòi hỏi vật liệu làm ra phải càng có nhiều đặc tính kỹ thuật tốt (có độ bền cao hơn, chống chịu ăn mòn tốt, cách âm, cách nhiệt tốt, v.v…) Ngoài ra, sự phát triển của xã hội loài người còn gắn liền với sự phát triển của công cụ sản xuất và kỹ thuật, mà vật liệu là yếu tố quyết định cho hai ngành này

Ngày nay, với sự phát triển như vũ bão của khoa học và kỹ thuật thì vai trò của ngành vật liệu học càng ngày càng trở nên quan trọng hơn Có rất nhiều loại vật liệu mới với những tính năng vượt trội, đặc biệt được ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển của khoa học – công nghệ và đời sống như vật liệu áp điện, vật liệu siêu dẫn, v.v… Tuy nhiên vật liệu truyền thống như thép vẫn giữ một vai trò quan trọng trong sản xuất và đời sống của chúng ta bởi vì

so với các loại vật liệu khác thì việc sản xuất ra thép với khối lượng lớn là dễ dàng, ít tốn kém; hơn nữa, ta có thể điều chỉnh hàm lượng, phương pháp xử lý, nấu luyện để tạo ra nhiều loại thép khác nhau nhằm đáp ứng các mục đích sử dụng khác nhau trong thực tế

Trong cuộc sống, ta dễ dàng bắt gặp các loại đồ dùng, chi tiết, máy móc, được chế tạo

từ thép Tuy nhiên, không phải chi tiết nào cũng được làm từ cùng một loại thép; phải tùy vào chức năng, mục đích sử dụng và yêu cầu của chi tiết cần chế tạo để lựa chọn loại thép cho phù hợp Có như vậy thì chi tiết tạo ra mới đảm bảo được chất lượng

Để giúp làm rõ hơn về các loại thép, đặc tính kỹ thuật, ứng dụng cũng như cách bảo

quản thép, nhóm chúng em xin mang đến cho các bạn đề tài “Vật liệu thép” trong bài tiểu

luận nho nhỏ này!

Bài thuyết trình có thể chưa hoàn thiện và còn nhiều thiếu sót nhưng nhóm chúng em

hy vọng cô có thể xem xét và đưa ra nhiếu ý kiến đóng góp khách quan để bài làm được hoàn chỉnh hơn

Nhóm chúng em xin chân thành cám ơn cô!

 MỤC LỤC 

 LỜI NÓI ĐẦU  1

 MỤC LỤC  2

 NỘI DUNG  4

I Khái niệm 4

II Nguồn gốc 4

III Phân loại 4

1) Phân loại theo thành phần hóa học 4

a) Thép cacbon 5

b) Thép hợp kim 5

2) Phân loại theo mục đích 6

a) Thép kết cấu 6

b) Thép dụng cụ 6

c) Theo tính chất vật lý đặc biệt 6

3) Phân loại theo chất lượng thép 7

a) Thép chất lượng bình thường 7

b) Thép chất lượng tốt 7

c) Thép chất lượng cao 7

d) Thép chất lượng cao đặc biệt 7

4) Phân loại theo mức oxi hóa 7

a) Thép lặng 7

b) Thép sôi 7

c) Thép bán lặng 8

IV Đặc tính kỹ thuật của thép 8

1) Các thông số kỹ thuật 8

a) Cấu trúc tinh thể 8

b) Thành phần hóa học 8

c) Số hiệu của thép xây dựng 8

 Thép carbon: 8

 Thép hợp kim thấp: 9

2) Sự làm việc của thép 9

a) Sự làm việc của thép chịu kéo 9

 Giai đoạn đàn hồi: 9

 Giai đoạn chảy: 9

 Giai đoạn củng cố (tái bền): 9

b) Sự làm việc của thép chịu nén 9

c) Sự làm việc của thép chịu uốn 10

 Giai đoạn đàn hồi: 10

 Giai đoạn có biến dạng dẻo: 10

3) Các hiện tượng phá hoại 10

V Các phương pháp sản xuất thép 11

1) Phương pháp Bessemer 11

2) Phương pháp Martin 12

3) Phương pháp lò điện 12

VI Ứng dụng của thép 13

1) Thép không gỉ (Inox) 13

a) Trong dân dụng 13

b) Trong công nghiệp 13

 Công nghiệp nặng: 13

 Công nghiệp nhẹ: 13

2) Thép silic 14

3) Thép cacbon 14

VII Bảo quản thép 14

VIII Các loại thép 15

1) Thép không gỉ (Inox) 15

 Nguồn gốc: 15

 Bí ẩn tại sao thép lại không gỉ: 16

 Phân loại: 16

 Các đặc tính của nhóm thép không gỉ – Inox: 17

2) Ứng dụng của các loại thép không gỉ 18

3) Thép Silic 19

a) Khái niệm 19

b) Đặc tính 19

c) Thành phần 20

d) Chế tạo 20

e) Phân loại 20

f) Thép cuộn Silic không định hướng cán nguội 20

 Ứng dụng: 21

4) Thép Carbon 21

a) Khái niệm 21

b) Phân loại 21

 Theo tổ chức tế vi và hàm lượng carbon trên giản đồ trạng thái Fe – C: 21

 Theo công dụng: 22

 Theo phương pháp luyện kim: 22

 Theo phương pháp khử oxi: 22

 Theo hàm lượng carbon: 22

 LỜI KẾT  23

 NỘI DUNG 

I Khái niệm

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 1.1470C; 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

II Nguồn gốc

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

III Phân loại

1) Phân loại theo thành phần hóa học

Trong sự phụ thuộc vào thành phần hóa học thì thép được phân loại thành thép cacbon

và thép hợp kim

- Thép nhiều cacbon, thành phần cacbon trong thép cao hơn 0,6% (ko vượt quá 2,14%), thép này dùng để chế tạo dụng cụ cắt, khuôn dập, dụng cụ đo lường

b) Thép hợp kim

Có độ bền cao hơn hẳn thép cacbon, nhất là sau khi tôi và ram Đối với thép hợp kim thì có thể phân loại thành:

- Hợp kim thấp, thành phần các nguyên tố hợp kim trong thép không vượt quá 2,5%

- Hợp kim trung bình, thành phần các nguyên tố hợp kim trong thép chiếm từ 2,5  10%

- Hợp kim cao, thành phần các nguyên tố hợp kim trong thép cao hơn 10%

2) Phân loại theo mục đích

Theo mục đích thì thép được phân thành các nhóm sau:

- Chẳng hạn như từ việc xác định tính chất từ của thép

hay là hệ số nở dài nhỏ, mà ta phân thành: thép kĩ thuật

điện,…

- Theo tính chất hóa học đặt biệt : chẳng hạn như phân

thành thép chịu nóng hay thép bền nóng, thép ko gỉ…

3) Phân loại theo chất lượng thép

Từ sự có mặt của các tạp chất có hại: lưu huỳnh và phôtpho trong thành phần của hỗn hợp thép ta có thể chia nhỏ thành các nhóm sau:

d) Thép chất lượng cao đặc biệt

Thành phần thép chứa khoảng 0,025% phôtpho và 0,015% lưu huỳnh trong hỗn hợp, được luyện ở lò điện hồ quang, sau đó được tinh luyện tiếp tục bằng đúc chân không, bằng điện xỉ

4) Phân loại theo mức oxi hóa

Dựa vào mức oxi từ thép chúng ta phân loại ra các nhóm sau:

c) Thép bán lặng

- Là thép chiếm vị trí trung gian của 2 loại thép trên (thép lặng và thép sôi), dùng để thay thế cho thép sôi

- Đối với thép phân loại theo số oxi hóa thì kí hiệu được viết sau cùng của mác thép:

thép lặng thường kí hiệu bằng chữ “l”, tuy nhiên đối với thép lặng thì người ta bỏ qua kí hiệu này, thép sôi kí hiệu là chữ cái: “s”, còn thép bán lặng kí hiệu bằng chữ: “n” (theo kí hiệu

Việt Nam)

IV Đặc tính kỹ thuật của thép

1) Các thông số kỹ thuật

a) Cấu trúc tinh thể

Cấu trúc thép (hình 1.1) tạo bởi:

- Ferit: Fe nguyên chất, chiếm 99% thế tích, dẻo và

mềm

- Ximentic: Hợp chất Fe3C, cứng và giòn do thành

phần C

- Màng peclit: Hỗn hợp Fe và Fe3C, là màng đàn hồi,

bao quanh ferit Màng càng dày, thép càng cứng và kém

 Mn: 0,4  0,65 % Tăng cường độ, độ dai, nhưng làm thép giòn  %Mn<1,5%

 Si:0,12  0,35% Tăng cường độ nhưng giảm tính chống gỉ, khó hàn 

%Si<0,3%

- Các thanh phần có hại:

 P: Giảm tính dẻo và độ dai va chạm, thép giòn ở nhiệt độ thấp

 S: Làm thép giòn ở nhiệt độ cao, dễ nứt khi rèn và hàn

 O2, N2: Làm thép giòn, cấu trúc không thuần nhất  %O2<0,05%;

Theo ký hiệu Liên Xô (cũ) từ CT0  CT7 Chỉ số càng cao hàm lượng C càng lớn, thép

có cường độ cao nhưng kém dẻo khó hàn và gia công

- CT0: Dẻo, dùng làm kết cấu không chịu lực: bulông thường, đinh tán, chi tiết…

- CT1, CT2: Mềm, cường độ thấp, dùng trong kết cấu vỏ

- CT3: Phổ biến nhất trong xây dựng, thường là thép lò bằng-sôi hoặc thép nửa tĩnh Kết cấu chịu tải trọng nặng, động dùng thép lò bằng-tĩnh

- CT4: Cường đô cao, dung trong công nghiếp đong tau

- CT5: Khó gia công chế tạo, khó hàn chỉ dùng cho kết cấu đinh tán

- CT6, CT7: Quá cứng, giòn không dùng được trong xây dựng, chỉ dùng làm máy công cụ…

a) Sự làm việc của thép chịu kéo

 Giai đoạn đàn hồi:

Tương quan giữa P và  L bậc nhất Lực lớn nhất trong giai đoạn này là lực tỉ lệ P tl, ứng

suất tương ứng trong mẫu là giới hạn tỉ lệ:

 Giai đoạn chảy:

Lực kéo không tăng nhưng biến dạng

tăng liên tục Lực kéo tương ứng là lực chảy P ch

 Giai đoạn củng cố (tái bền):

Tương quan giữa P và biến dạng  L là đường cong Lực lớn nhất là lực bền P b và ta có

b) Sự làm việc của thép chịu nén

Khi nén mẫu vật liệu, ta chỉ xác định được giới hạn tỷ lệ và giới hạn chảy, mà không xác định được giới hạn bền do sự phình ngang của mẫu làm cho diện tích mặt cắt ngang mẫu liên tục tăng lên Sau thí nghiệm mẫu có dạng hình trống

c) Sự làm việc của thép chịu uốn

 Giai đoạn đàn hồi:

Khi P nhỏ, biểu đồ ứng suất dạng tam giác Các thành phần nội lực M sinh ra

ứng suất pháp  và Q sinh ra ứng suất tiếp T

 Giai đoạn có biến dạng dẻo:

Tiếp tục tăng P, do tính chất “thềm chảy” nên dù biến dạng tăng, ứng suất các thớ biên vẫn không tăng, chỉ có ứng suất các thớ bên trong tiếp tục tăng và đạt giới hạn chảy, vùng dẻo lan dần vào các thớ trong Khi toàn bộ tiết diện đạt giới hạn chảy  = c, biểu đồ

ứng suất có dạng hình chữ nhật (II) Tại tiết diện đặt lực P xuất hiện “khớp dẻo” làm hai

phần dằầm có thể xoay được Ở trạng thái này, toàn bộ tiết diện dầm làm việc trong giới hạn dẻo Momen đạt giá trị giới hạn và không tăng được nữa, dầm bị phá hoại

3) Các hiện tượng phá hoại

Sự phá hoại của thép khi làm việc có 2 loại:

- Phá hoại dẻo: Phá hoại khi biến dạng lớn, xảy ra do sự trượt của các phần tử khi

ngoại lực tác dụng lớn hơn lực chống trượt giữa chúng

- Phá hoai giòn: Phá hoại khi biến dạng còn nhỏ, đột ngột và kèm theo vết nứt do các

phần tử tách rời nhau khi lức tương tác giữa chúng mất đi  Nguy hiểm hơn nhiều so với phá hoại giòn

- Thép luôn có lực chống trượt nhỏ hơn lực kéo đứt nên bình thường thép chỉ có thể

bị phá hoại dẻo (mất khả năng chịu lực do biến dạng quá lớn) Trong những điều kiện đặc biệt (thép bị lão hóa, biến cứng, chịu ứng suất cục bộ, chịu tải trọng lặp…) thép mới

bị phá hoại giòn (đứt gãy, sụp đổ…) rất nguy hiểm

không khí thổi từ đáy lò Lúc này, quá

trình oxi hóa các tạp chất bắt đầu diễn

ra, nhiệt độ mẻ thép cũng bắt đầu tăng

Do vậy, tùy thuộc vào thành phần và

nhiệt độ gang lỏng có thể dùng đến 2%

silic nếu là quy trình acid và 1,5 – 2%

phospho nếu là quy trình basic để duy trì

nhiệt độ

Quá trình thổi khí khi tinh luyện

sẽ tạo ra ngọn lữa trên miệng lò kéo dài

khoảng 25 phút – điều này gây khó khăn

cho việc kiểm soát thành phần và chất

Thường được dùng để tái chế thép từ các phế liệu

hoặc phôi thép đã được luyện thô, “đánh xỉ” theo qui

trình basic, mục đích chính là khử phospho Xỉ được

loại bỏ nhờ quay nghiêng lò, sau đó các hợp chất đá

vôi được đưa vào để loại lưu huỳnh và khử oxi mẻ

luyện Nhờ đó có thể kéo dài thời gian nóng chảy và

“đánh xỉ” nên các khí hòa tan và tạp chất được loại bỏ

triệt để hơn, kết quả là mẻ thép sạch và có chất lượng

cao hơn Phương pháp này thường dùng để luyện các

mác thép hợp kim chất lượng cao như thép inox, thép

bền nhiệt (heat resisting steels) và thép dụng cụ (thép gió – high speed steel), v.v…

Phương pháp Ưu/Nhược

Phương pháp Bessemer

Phương pháp Martin

- Luyện được thép

có chất lượng cao, thành phần như mong muốn

- Khối lượng mỗi mẻ lớn (100 – 200 ton)

- Luyện được những loại thép đặc biệt

- Chất lượng thép cao

Nhược điểm

- Không luyện được thép có thành phần như mong muốn

- Chất lượng thép không cao (giòn do

có hòa tan N, O)

- Thời gian luyện dài, tốn nhiên liệu

được những thép hợp kim chứa kim loại khó nóng chảy (Mo,

W, Cr,…)

Dung tích nhỏ Khối lượng mỗi mẻ thép không lớn

VI Ứng dụng của thép

1) Thép không gỉ (Inox)

Inox hay thép không rỉ là một dạng hợp kim thép được tổng hợp từ các loại kim loại màu có khả năng chịu mài mòn, chống oxi hóa rất cao nên được ứng dụng khá rộng rãi trong đời sống hiện nay

Đặc tính của inox là không nhiễm từ, mềm dẻo, dễ uốn và dễ gia công nên inox có thể tạo ra những vật dụng mang tính thẩm mỹ cao Đó cũng chính là lý do inox được ứng dụng trong hầu hết các ngành dân dụng và công nghiệp

- Vật liệu trang trí nội thất cho các nhà hàng, khách

sạn, ga tàu, bến xe và nơi công cộng…

- Làm đồ gia dụng như phụ kiện nhà bếp, bồn chứa

nước, lò nướng, bếp ga, bếp công nghiệp, dụng cụ nhà bếp,

thiết bị khử mùi, thiết bị vệ sinh, v.v…

b) Trong công nghiệp

Trong công nghiệp, inox có tên gọi kỹ thuật là “thép không gỉ” Thép không gỉ được

sử dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp, cả công nghiệp nặng và công nghiệp nhẹ

- Phục vụ các ngành hóa thực phẩm như: Các nhà máy

đồ hộp, nhà máy bia, nhà máy hóa chất…

- Nhà máy chế biến thủy sản đông lạnh

- Hiện nay, theo nghiên cứu của các nhà khoa học, vật

liệu inox cuộn bề mặt có độ bóng BA còn dùng để cán sóng

thay thế cho tôn lợp Vật liệu này có tác dụng phản quang,

hắt nhiệt lên không trung làm giảm nhiệt độ trong các nhà

xưởng ở các khu công nghiệp và các mái nhà dân dụng Tùy

theo vị trí địa hình để tạo ra góc lợp, độ dốc của mái làm

phản quang lại ánh sáng mặt trời Đây là phát minh mới nhất