Loại giòn xuất hiện khi ram ởkhoảng 280-3500C,ứng với cực tiểu thứnhất được gọi là giòn ram loại I, mà nguyên nhân của nó đến nay cũng chưa rõ. Có thểlà do khi ramở nhiệt độ này, cacbit dạng tấm tiết ra khỏi mactenxitở biên giới pha dẫn tới phá hủy giòn, hoặc là do austenit dư chuyển thành mactenxit ở biên giới pha dẫn tới phá hủy giòn, hoặc là do austenit dư chuyển thành mactenxit ram là pha giòn hơn làm độ dai va đập giảm đi đột ngột. Hiện vẫn chưa có biện pháp có hiệu quả ngăn ngừa giòn ram loại I, do đó nó còn được gọi là giòn ram không thuận nghịch hay không chữa được. Cách tốt nhất là tránh không ramởkhoảng nhiệt độcó xuất hiện giòn ram loại I. Loại giòn xuất hiện khi ram ởkhoảng 500-6000C, thường gặpở thép hợp kim Cr, Mn, Cr-Ni, Cr-Mn, sau khi ram làm nguội chậm,ứng với cực tiểu thứhaiđược gọi là giòn ram loại II. Nếu sau khi ram làm nguội nhanh (bằng cách nhúng vào nước hay dầu mà không đểnguội ngoài không khí như cách ram thông thường) thì không xuất hiện cực tiểu thứhai nói trên, tức không xảy ra giòn ram. Song nếu sau đó lại tiến hành ram lâu trong khoảng 500-6000C, tính giòn lại xuất hiện, vì vậy giòn ram này mang tính chất thuận nghịch. Cũng giống như giòn ram loại I, nguyên nhân của giòn ram loại II vẫn chưa được xác định rõ ràng. Có thểlà do khi làm nguội chậm từnhiệt độ ram cao như vậy tạo điều kiện thuận lợi cho sựtiết ra các pha giòn có kích thước rất nhỏ ở biên giới hạt. Bản chất các pha đó là gì (nitrit, oxyt hay phôtphit) và cách phân bố chúng chưa được khẳng định. Biện pháp ngăn ngừa giòn ram loại II là làm nguội nhanh sau khi ram cao (bằng cách nhúng chi tiết vào dầu hay nước). Với chi tiết lớn khó làm nguội nhanh, phải dùng thép hợp kim hóa thêm bằng 1%W hay 0,5%Mo. Việc áp dụng cơ-
nhiệt luyện cũng có tác dụng ngăn cản giòn ram loại II.
2.2.2. Phân loại thép hợp kim
Có thể có các phương pháp phân loại thép hợp kim chủyếu sau :
a. Phân loại theo tổchức tếvi
Thường phân loại thép hợp kim theo tổ chức ở trạng thái cân bằng và sau khi thường hóa.
Phân loại theo tổ chức ở trạng thái cân bằng sau khi ủ, thép có tổ chức cân bằng ổn định, với độbền, độcứng thấp nhất. Theo lượng cacbon tăng dần, có thểcó các loại thép sau.
Thép trước cùng tích, với tổchức ferit và peclit. Thép cùng tích, với tổchức peclit.
Thép sau cùng tích với tổchức ngoài peclit còn có cacbit thứhai. Thép lêđêburit với tổchức cóđiểmcùng tinh lêđêburit.
Thép austenit với tổ chức thuần austenit (do được hợp kim hóa với lượng lớn nguyên tốmởrộng vùngγ, như Ni hoặc Mn).
Thép ferit với tổchức thuần ferit (do được hợp kim hóa với lượng lớn nguyên tố mởrộng vùngα như Cr hoặc Si).
b. Phân loại theo tổchứcởtrạng thái thường hóa
Từtổchức sau khi austenit hóa rồi làm nguội ngoài không khí tĩnh (thường hóa) các mẫu nhỏ (đường kính 25mm) tùy mức độhợp kim hóa có thểcó các loại thép.
Hình 2.8. Đường cong chữ ¸C¹ của các loại thép
Thép peclit là loại thép hợp kim thấp, tính ổn định của austenit quá nguội chưa lớn lắm, vectơ nguội cắt chữ ÉCÊ (hình2.8a), nên tổchức nhận được vẫn là peclit.
Thép mactenxit là loại thép hợp kim trung bình và cao có tính ổn định của austenit quá nguội lớn đến mức vectơ nguội ngoài không khí không cắt giản đồ chữ ÉCÊ mà xuống thẳng vùng mactenxit (hình 2.8b) nên tổchức nhận được là mactenxit.
Thép austenit là loại thép hợp kim cao bởi các nguyên tố như Ni, Mn mở rộng vùngγ xuống đến nhiệt độ thường (hình 2.8c), nên sau khi nguội ngoài không khí, thép vẫnởtrạng thái austenit.
c. Phân loại theo nguyên tốhợp kim
thép có chứa Cr được gọi là thép crôm, chứa Cr, Mn gọi là thép Cr-Mn, chứa Cr, Ni, Mo được gọi là thép Cr-Ni-Mo… Theo cách phân loại này biêt được tính chất của thép do nguyên tốhợp kim chính quyết định, ví dụthép Ni có tính dẻo, dai cao, thép Cr-Ni- Mo có độthấm tôi cao và không nhạy cảm với giòn ram loại II…
d. Phân loại theo tổng lượng nguyên tốhợp kim
Theo tổng lượng nguyên tốhợp kim có các loại sau.
Thép hợp kim thấp là loại mà tổng lượng các nguyên tố hợp kim nhỏ hơn 2,5% (thường là loại peclit).
Thép hợp kim trung bình là loại mà tổng lượng các nguyên tốhợp kim từ 2,5 đến 10% (là loại peclit-mactenxit).
Thép hợp kim cao là loại mà tổng lượng các nguyên tốhợp kim cao hơn 10% (có thểlà thép mactenxit hay austenit).
Cách phân loại này cho biết giá trị của thép.
e. Phân loại theo công dụng
Đây là cách phân loại thường dùng nhất, cũng như thép cacbon, theo công dụng, thép hợp kim được phân ra các nhóm chính sau.
Thép cán nóng thông dụng, được dùng với khối lượng lớn, chủ yếu dùng trong xây dựng và các công việc thông thường tương tự, không cần qua nhiệt luyện khi sửdụng.
Thép kết cấu là nhóm thép chủyếu đểlàm chi tiết máy, thường phải qua nhiệt luyện. Thép dụng cụlà nhóm thép chủyếu đểlàm dụng cụ, nhất thiết phải qua nhiệt luyện. Thép hợp kim đặc biệt là nhóm thép có các tính chất đặc biệt (cơ, lý, hóa) ví dụ thép không gỉ, thép có tính chống mài mòn cao, thép chịu nhiệt, thép có tính giãn nở và thép đàn hồi đặc biệt, thép không từ tính…
2.2.3. Ký hiệu thép hợp kim
Thép hợp kim được ký hiệu theo hệ thống chữvà số, chữ ký hiệu các nguyên tố hợp kim bằng chính ký hiệu hóa học của nó, số đầu chỉ lượng cacbon trung bình theo phần vạn, số phía sau nguyên tốnào chỉ lượng trung bình của nguyên tố đó theo phần trăm, nếu lượng nguyên tốhợp kim nào nhỏ hơn 1% thì không ghi con sốsau nó.
Ví dụmác thép 18CrMnTi, chứa 0,18%C, nhỏ hơn hoặc bằng 1% mỗi nguyên tố Cr, Mn, Ti (thép thấm cacbon) hoặc mác thép 60Si2 có 0,6%C, 2%Si (thép đàn hồi). Do nước ta chưa sản xuất được nhiều thép, thép là thép hợp kim, nên chủ yếu dùng thép nhập khẩu. Mỗi nước có cách phân loại và ký hiệu riêng của nó. Để tiện cho việc tra cứu, so sánh hoặc chuyển đổi tương đương.
2.3. Thép cán nóng thông dụng
2.3.1. Thành phần và tính chất
a. Thành phần hóa học
cải thiện một số tính chất như: độ bền cơ học và độ bền chống ăn mòn trong khí quyển… người ta có thểcho thêm một sốnguyên tốhợp kim ở mức độ vi lượng hoặc thấp với tổng lượng các nguyên tố hợp kim nhỏ hơn hoặc bằng 2%. Nếu tăng lượng cacbon và lượng nguyên tố hợp kim hơn nữa thì có thể cải thiện rõ rệt các tính chất này, nhưng sẽ làm xấu tính dẻo dai và nhất là tính hàn của thép, mà các tính chất này là những yêu cầu hàng đầu đối với thép xây dựng, lĩnh vực sửdụng chủ yếu củ nhóm thép này. Ngoài ra còn do lý do giá thành, với thép thông dụng, thường sản xuất với khối lượng lớn, không thểhợp kim hóa một cách tùy tiện.
b. Tính chất
Độbềnđặc biệt là giới hạn chảy của thép càng cao, các kết cấu càng bền và càng gọn nhẹ. Người ta thấy rằng nếu tăng giới hạn chảy từ240MPa-260MPa (thép CT38) lên 340MPa-360MPa, khối lượng kết cấu kim loại có thểgiảm bớt 20-25%. Điều này đem lại hiệu quảkinh tếlớn tiết kiệm thép dùng, giảm nhẹkhối lượng xây dựng, tăng được khả năng chịu tải của kết cấu như cầu, toa xe, ô tô… Bằng cách hợp kim hóa vi lượng hoặc bằng cách gia công thích hợp sau khi cán, có thể tăng giới hạn chảy lên trên 300MPa, thậm chí có thểlên trên 500MPa.
Tính dẻo phải đảm bảo, do các kết cấu kim loại khi chếtạo thường phải qua uốn dập, nên nó phải đủ dẻo, bình thườngδ=18-20%, với những loại thép tấm mỏng (uốn dập mui ô tô) thìδ ≥ 25-30%.
Tính hàn tốt, tính hàn phải được xem như yếu tốquan trọng hàng đầu bởi vì phần lớncác trường hợp sửdụng thép thông dụng phải qua hàn. Hàn bảo gồm việc làm chảy bộphận chi tiết phải hàn, rồi làm nguội nó. Vùng kim loại bịchảy lỏng và vùng kếcận (vùng chuyển tiếp) trên kim loại nền, tuy luônở trạng rắn, nhưng phải trải qua một chu trình nhiệt nung nóng lên trên nhiệt độchuyển biến pha rồi bị làm nguội. Nguy cơ xuất hiện các vết nứt ở vùng ảnh hưởng nhiệt càng lớn nếu như sau khi bịnguội nhanh và trong mối hàn xuất hiện các pha cứng và giòn (cacbit hợp kim). Bởi lẽ đó người ta luôn tìm cách hạn chế lượng cacbon và các nguyên tố hợp kim đối với các loại thép chuyên dùng đểhàn. Nguồi ta cũng xác định khả năng hàn của thép bằng cách tính giá trị lượng cacbon quy đổi (tương đương). Một trong những công thức thường được dùng đểtính phần trăm C tương đương, do viện quốc tế (IIS/IIW) đưa ra như sau: %Ctđ= %C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5+ (Ni+Cu)/15
Trong đó thành phần của các nguyên tố hợp kim được tính theo % khối lượng. Rõ ràng %Ctđ càng cao thì thép càng khó hàn (càng dễ bị tôi). Khi đó phải tìm cách hạn chếsựxuất hiện các khuyết tật hàn bằng cách nung nóng trước chỗcần hàn, khống chế chặt chẽ năng lượng sử dụng khi hàn (cho phù hợp với kích thước, chiều dày và hình dáng,…của chi tiết hàn), làm nguội chậm đến mức có thể được sau khi hàn…
quyển, nhất là trong không khí ẩm, bị ăn mòn mạnh trong khí quyển công nghiệp có nhiều CO2, CO, H2S, vùng biển có nhiều ion Cl-. Có thểhạn chếgỉbằng cách sơn phủ. Cũng có thể tăng khả năng chống ăn mòn trong khí quyển bằng cách đưa thêm vào thép một lượng nhỏcác nguyên tố như Cr, Ni và đặc biệt là Cu và P…
2.3.2. Nhóm thép Cacbon
Ở nước ta, đó là nhóm thép CT. Trong thực tế thường gặp các loại CT33, CT34, CT38 và CT51, trong đó CT51 thường được cán thành các thanh thép vằn dùng làm cốt cho bê tông.
Đặc tính của nhóm thép này có giới hạn đàn hồi và giới hạn chảy thấp (<300MPa), nhưng có độ dẻo cao (δ=15-30%). Để nâng cao độ bền của cốt thép cho bê tông, người ta tiến hành kéo giãn cácthanh thép đó dài thêm 6-8%, nhờvậy không những tăng được sức chịu tải cho bê tông mà còn tiết kiệm được lượng thép dư ra và đỡcông làm sạch do kéo giãn gỉ bịbong ra.
Nước ta chưa có quy định cho thép làm cốt bê tông, song theo các quy định của tiêu chuẩn GOST thì các mác thép làm cốt bê tông được chia thành 5 cấp. A-I (cho thép tròn trơn), A-II, A-III, A-IV, A-V (cho thép vằn). Các mác CT38s và CCT38 được dùng để sản xuất thép tròn trơn. Mác thép CCT51n và 18Mn2Si được dùng để sản xuất thép vằn, cấp thấp nhất là A-II, còn các cấp cao hơn (A-III, A-IV, A-V) phải dùng nhóm thép hợp kim thấp độbền cao.
2.3.3. Nhóm thép hợp kim vi lượng
Những phát triển gần đây trong lĩnh vực sản xuất thép cho phép đưa vào sử dụng một sốloại thép mới, một trong số đó làthép hợp kim vi lượng. Vềthành phần hóa học, nó chỉ khác nhóm thép cacsbon chút ít. Cụthể là lượng Mn≤1,5%, ngoài ra nó còn chứa nhỏ hơn 0,1% các nguyên tốtạo cacbit mạnh như V, Ti, Nb (ví dụ 0,06%Nb). Điểm nổi bật của loại thép này là có cơ tính rất cao, giới hạn đàn hồi từ 400 đến 650MPa, độ bền kéo trong khoảng 500-850MPa và độgiãn dài cũng khá lớn (14-17%).
Điều này có thểgiải thích là sựgiảm kích thước hạt và sựcó mặt của pha thứhai tiết ra đã cải thiện đáng kể cơ tính của thép. Bằng cách cho them một lượng nhỏ các nguyên tố nêu trên và qua gia công cơ – nhiệt thích hợp, cụ thể là kiểm tra và khống chếnhiệt độtrong quá trình cán và lúc kết thúc cán, cũng như tốc độlàm nguội sau khi cán, người ta có thể nhận được các hạt cacbit VC, TiC, NbC rất nhỏmịn và phân tán đều trong thép nền. Tác dụng của các hạt cacbit thểhiệnởhai mặt, thứnhất chúng cản trở sựlớn lên của hạt austenite trong quá trình cán nóng, thứhai vì chúng rất nhỏ mịn và phân tán đều nên tạo điều kiện cho hiện tượng hóa bền cấu trúc.
Cuối cùng do kích thước hạt nhỏ, các thép này có nhiệt độ chuyển biến từ dẻo sang giòn rất thấp. Chúng được sửdụng đểlàm các chi tiết đòi hỏi có giới hạn đàn hồi cao, độ dai va đập ởnhiệt độ thấp đảm bảo, đó là những tính chất cần thiết đểchếtạo
các ống dẫn khí, dẫn dầu hoặc các kết cấu ở vùng băng giá hay khi người ta muốn giảm nhẹtrọng lượng của chi tiết, nhất là trong công nghiệp ô tô.
2.3.4. Nhóm thép hai pha đối nghịch (ferit-Mactenxit)
Nếu nhóm thép hợp kim vi lượng kể trên được sửdụng chủ yếu nhờ có giới hạn đàn hồi cao, thì nó sẽ gây khó khăn cho quá trình tạo hình bằng biến dạng dẻo nguội. Cũng với mục đích giảm nhẹtrọng lượng xe cộcác nhà nghiên cứu trong công nghiệp ô tô của Mỹ đãđưa vào sửdụng một nhóm thép mới mà giới hạn đài hồi của chúng ở mức trung bình từ 300-350MPa, nhưng độ bền kéo của chúng sau khi biến dạng dẻo đáng kể, có thể tăng lên xấp xỉ với độ bền của nhóm thép hợp kim vi lượng (650- 700MPa). Hơn nữa độ dẻo cũng rất cao δ=25-30% và có ưu điểm là đường cong biến dạng của chúng liên tục, không có điểm gãy khúc hay đoạn nằm ngang sau khi biến dạng đàn hồi. Điều đó có nghĩa là độ bền tăng liên tục theo mức độ tăng biến dạng (tất nhiên là khi chưa vượt quá giới hạn bền của chúng). Sau khi tạo hình bằng rèn dập, giới hạn đàng hồi của chúng không thấp hơn 500MPa.
Nhóm thép này được đặt tên là thép hai pha đối nghịch (ngược nhau) vì tổchức tế vi của chúng gồm nền ferit không chứa xementi (nên rất dẻo) và các hạt mactenxit với tỷlệ10-20%.
Về thành phần của chúng, chúng thuộc loại thép cacbon thấp (0,08-0,15%C), nhưng mangan khá cao (1-1,5%Mn). Để đạt được tổ chức như trên, người ta sử dụng nhiệt luyện và cơ-nhiệt luyện đểchếtạo, trước khi cung cấp cho người dùng.
Cách thứnhất, nung nóng thép lên đến nhiệt độ nằm giữa Ac1 và Ac3, ở khoảng nhiệt độ này pha ferit hầu như chưa có thay đổi, chỉ có các hạt peclit chuyển thành austenite chứa nhiều cacbon. Sau khi tôi sẽchuyển biến thành mactenxit.
Cách thứ hai,tôi trực tiếp sau khi cán nóng sẽ nhận được ngay tổchức hỗn hợp ferit và mactenxit. Trường hợp này, phải kiểm tra chặt chẽnhiệt độkết thúc khi cán để đảm bảo tổchức trước khi tôi ferit và austenit.
Với nhóm thép này, để cải thiện khả năng tôi (độ thấm tôi) người ta có thể cho thêm một lượng nhỏCr (0,5%) và Mo (0,4%).
2.3.5. Nhóm thép hợp kim thấp
Thép hợp kim thấp thỏa mãn tốt các yêu cầu xây dựng hiện đại do có giới hạn chảy cao, tính chống ăn mòn tốt trong khí quyển và tương đối rẻ, trong nhiều trường hợp, tỷlệ tăng giới hạn chảy vượt quá tỷlệ tăng của giá thành sản xuất, do vậy có hiệu quảkinh tế hơn.
Các mác thép mangan 19Mn, 09Mn2, 14Mn2 có tính hàn cao (dễ hàn). Trong đó 19Mn dùng làm các đường ống dẫn dầu và khí đốt dưới áp lực cao, có đường kính tới 820mm; 14Mn2 dùng làm vỏlò cao, thiết bị hút bụi. Các thép hợp kim hóa phức tạp như 17MnSi, 14CrMnSi có cơ tính cao hơn, được dùng làm các kết cấu chịu lực trong
vận tải như: làm dầm ô tô, đóng toa xe,… Các số hiệu 35CrSi, 25Mn2Si được dùng