Trong kỹthuật dung ngày càng nhiều thép hợp kim vào các mục đích quan trọng.
a. Thành phần hóa học
Thép hợp kim là loại thép mà ngoài sắt, cacbon và các tạp chất ra, người ta còn cố ý đưa vào các nguyên tố đặc biệt với một lượng nhất định để làm thay đổi tổ chức và tính chất của thép cho hợp với yêu cầu sửdụng. Các nguyên tố được đưa vào một cách cốý như vậy được gọi là nguyên tốhợp kim. Các nguyên tốhợp kim thường gặp là: Cr, Ni, Mn, Si, W, V, Mo, Ti, Nb, Zr, Cu, B, N… và ranh giới về lượng để phân biệt tạp chất và nguyên tốhợp kim là như sau:
Mn: 0,8-1,0%; Si: 0,5-0,8%; Cr: 0,2-0,8%; Ni: 0,2-0,6%; W: 0,1-0,6%; Mo: 0,05- 0,2%; Ti, V, Nb, Zr, Cu>0,1%; B>0,002%.
Ví dụ, thép chứa 0,7%Mn vẫn chỉ được coi là thép Cacbon (nghĩa là Mn vẫn chỉ là tạp chất), chỉ khi lượng Mn≥1,0% mới được coi là thép hợp kim. Trong khi đó chỉ cần có≥0,1%Ti (hoặc V, Cu, Zr…) hoặc 0,002%B cũng đãđư ợc coi là thép hợp kim.
Trong thép hợp kim,lượng chứa các tạp chất có hại như P, S và các khí oxy, hyđrô, nitơ là rất thấp so với thép cacbon. Do việc khửtạp chất triệt để hơn và nhất là do phải cho vào các nguyên tốhợp kim, nên nói chung thép hợp kim đắt tiền hơn so với thép cacbon nhưng bù lại thép hợp kim có những đặc điểm nổi trội hơn hẳn so với thép cacbon.
b. Đặc điểm của thép hợp kim
+ Về cơ tính, thép hợp kim nói chung có độ bền cao hơn hẳn so với thép cacbon, thểhiện đặc biệt rõ ràng sau khi nhiệt luyện (tôi và ram), do độthấm tôi của thép hợp kim được cải thiện rất nhiều so với thép cacbon, thép hợp kim càng cao, ưu việt này càng rõ. Tuy nhiên cần thấy rằng:
Ở trạng thái không nhiệt luyện ví dụ, trạng thái ủ, độ bền của thép hợp kim không cao hơn nhiều so với thép cacbon.
Sau nhiệt luyện, thép hợp kim có thể đạt được độ bền rất cao, nhưng cùng với sự tăng độ bền, độ dẻo và độ dai lại giảm đi, do vậy phải chú ý tới mối quan hệ này để xác định cơ tính thích hợp.
Cùng với sự tăng mức độhợp kim hóa, tính công nghệcủa thép sẽxấu đi.
Về tính chịu nhiệt (tính cứng nóng và tính bền nóng), thép cacbon có độ cứng cao sau khi tôi, nhưng không giữ được khi làm việc ở nhiệt độ cao hơn 2000C, do mactenxit bịphân hủy và xementit kết tụ. Nhiệt độ cao hơn, thép bị biến dạng do hiện tượng dão và bị oxy hóa mạnh… Các nguyên tố hợp kim cản trở khả năng khuếch tán của cacbon, làm mactenxit phân hóa và cacbit kết tụ ở nhiệt độ cao hơn, vì thếnó giữ được độ cứng cao của trạng thái tôi và tính chống dão tới 6000C, tính chống sự oxy hóa tới 800-10000C. Dĩ nhiên muốn đạt được tính chất này thép cần được hợp kim hóa bởi một sốnguyên tốvới lượng tương đối cao. Ưu việt này của thép hợp kim đượcứng dụng trong thép dụng cụvà thép bền nóng.
+ Vềmặt tính chất vật lý và hóa học đặc biệt,như đã biết thép cacbon bịgỉ trong không khí, bị ăn mòn mạnh trong các môi tròng axit, bazơ và muối… Nhờ hợp kim hóa mà có thểtạo ra thép không gỉ, thép có tính giãn nở và đàn hồi đặc biệt, thép có từ tính cao và thép không có từ tính, … Trong những trường hợp như vậy, phải dùng những loại thép hợp kim đặc biệt, với thành phần được khống chếchặt chẽ.
Như vậy có thểnói rằng, nguyên tốhợp kim có tác dụng rất tố, thép hợp kim là vật liệu không thểthiếu được trong chếtạo máy dụng cụ, thếbị nhiệt điện, công nghiệp hóa học… Nó thường được làm các chi tiết quan trọng nhất trong điều kiện làm việc nặng.
Đểhiểu rõ hơn vềbản chất các tính chất quý của thép hợp kim, chúng ta xét qua các tác dụng của nguyên tốhợp kim đối với thép, mà cụthể là đối với sắt và cacbon là hai nguyên tố cơ bản của thép.