Ta thấy khi thành phần cacbon tăng lên, độ bền và độ cứng tăng, cònđộ dẻo và độdai giảm. Riêng độbền chỉ tăng và đạt cực đại khi thành phần cacbon vào cỡ 0,8% – 1,0%, vượt quá giới hạn này độbền lại giảm đi (và có lẽ đó cũng là lý do trong thực tếít khi gặp thép có thành phần cacbon vượt quá 1,3%).
Có thểgiải thích quy luật trên như sau: khi tăng lượng chứa cacbon, số lượng pha xêmentit (cứng, giòn) tăng lên, lượng peclit tăng lên tương ứng, còn lượng pha ferit (mềm, dẻo) giảm đi. Tổ chức peclit gồm hai pha xêmentit (cứng) và ferit (mềm) xen kẽ nhau, là một tổ hợp pha cho độ bền cao. Như vậy khi tăng lượng chứa cacbon, độ bền và độcứng tăng, độdẻo và độdai giảm xuống. Khi lượng chứa cacbon vượt quá giới hạn 0,8-1,0% trong thép sẽxuất hiện pha xêmentit IIở dạng lưới, cản trở sự trượt và tạo điều kiện cho việc xuất hiện và phát triển của vết nứt, làm độbền của thép giảm xuống.
Về mặt định lượng, có thể thấy cứ tăng 0,1%C, làm độ cứng tăng thêm khoảng 20-25 HB, giới hạn bền(σb) tăng thêm khoảng 60-80 MPa, độ giãn dài(δ) giảm đi khoảng 2 – 4%, độ thắt tỷ đối(ψ) giảm đi khoảng 1-5%, độ dai va đập(ak) giảm đi khoảng 200 Kj/m2,…
Do cacbon ảnh hưởng lớn đến tổ chức và cơ tính của thép như vậy nên thép có thành phần cacbon khác nhau có cơ tính rất khác nhau và do đó được dùng vào các mục đích khác nhau.
- Các thép với thành phần cacbon thấp (≤ 0,25%) nói chung mềm, dẻo, độ bền, độ cứng thấp và hiệu quảhóa bền bằng nhiệt luyện (tôi và ram) cũng không cao, nên được dùng làm các kết cấu xây dựng, chi tiết qua dập nguội (là những sản phẩm cần độ dẻo cao, không cần qua nhiệt luyện). Với các thép này muốn tăng hiệu quảcủa nhiệt luyện phải qua thấm cacbon lớp bềmặt.
- Các thép với thành phần cacbon trung bình (0,3 - 0,5% C) có cơ tính tổng hợp cao (do có sự kết hợp hài hòa giữa độ bền, độ cứng, độdẻo và độ dai), do vậy thích hợp cho các chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và va đập cao như trục truyền lực, bánh răng… - Các thép với thành phần cacbon tương đối cao (0,55 – 0,70%C) có độ cứng cao và giới hạn đàn hồi cao nhất, được dùng làm các chi tiết đàn hồi như lò xo, nhíp,…
- Các thép với thành phần cacbon cao (≥ 0,70%C) có độcứng và tính chống mài mòn cao, được dùng làm dụng cụcắt gọt, dụng cụ đo, khuôn dập nguội,…
Ngoài cơ tính ra, cacbon cũng ảnh hưởng đến một số tính chất hóa lý của thép. Khi tăng lượng cacbon, mật độ(khối lượng riêngγ), độ từthẩm (µ) và khả năng chống ăn mòn của thép giảm đi, cònđiện trở(ρ) và lực khửtừ(Hc) tăng lên.
2.1.3.Ảnh hưởng của các nguyên tốkhác
a. Mangan(Mn) được cho vào thép khi tinh luyện, dưới dạng fero-Mn, để khử oxy và lưuhuỳnh, theo các phảnứng.
FeO + Mn→ Fe + MnO (2.1)
FeS + Mn→ Fe + MnS (2.2)
MnO và MnS nổi lên, đi vào xỉ và bị đưa ra khỏi lò. Khi hòa tan vào ferit lượng Mn dư thừa sẽ nâng cao độ bền, độ cứng của pha này, do vậy làm tăng cơ tính của thép. Tuy nhiên, do lượng Mn trong thép cacbon ít ( ≤ 0,8% Mn) nên tác dụng này không rõ rệt. Tác dụng chủ yếu của Mn trong thép cacbon là đểkhửoxy và hạn chếsự có mặt của lưu huỳnh như đã nêuở các phảnứng (2.1) và (2.2)
b. Silic (Si) được cho vào nhiều loại thép đểkhửoxy một cách triệt để hơn (cùng với Al), theo phảnứng.
2 FeO + Si→ 2 Fe + SiO2 (2.3)
(3 FeO + 2 Al→3 Fe + Al2O3).
SiO2, Al2O3nổi lên, đi vào xỉ và bị đưa ra khỏi lò. Lượng Si còn lại hòa tan vào ferit, cũng như Mn, nâng cao độbền, độ cứng cho pha này. Nhưng trong thép cacbon, lượng Si cũng chỉtrong giới hạn nhỏ hơn 0,6% Si, nên tác dụng này cũng không rõ rệt ( còn Al cháy mạnh, hầu như không còn lại trong thép lỏng).
c. Photpho(P)có mặt trong thép từ quặng hay từ than (khi luyện gang). Dù ở dạng hòa tan trong ferit hayở dạng liên kết Fe3P, nó đều làm cho thép bị giòn, đặc biệt là ở trạng thái nguội, đó là hiện tượng giòn nguội (hay bở nguội), do vậy phải hạn chế sự có mặt của P ở dưới mức cho phép, đối với thép cacbon thông thường
nhỏ hơn 0,06% P. Riêng với thép dễ cắt, để nâng cao khả năng gẫy phoi, lượng P có thểcao tới 0,08-0,15% P.
d. Lưu huỳnh (S) cũng như photpho, lưu huỳnh có mặt trong thép từ quặng và nhất là từthan khi nấu gang. Cùng tinh (Fe + FeS) có nhiệt độnóng chảy thấp (9880C), nằm ở biên giới hạt. Khi nung nóng thép để gia công áp lực, cùng tinh này bị mềm và chảy ra, làm thép bị đứt ở biên hạt, có cảm tưởng như bị phá hủy giòn, đó là hiện tượng giòn nóng (hay bở nóng), do vậy phải hạn chếsựcó mặt của S ở dưới mức cho phép, đối với thép cacbon thông thường nhỏ hơn 0,06%. Riêng với thép dễ cắt, để nâng cao khả năng gẫy phoi, lượng S có thểcao tới 0,08-0,30% S.
2.1.4. Phân loại thép Cacbon
Có nhiều cách phân loại thép khác nhau, nhưng thường gặp các cách sau.
a. Thép chất lượng
Theo chất lượng luyện kim, tức là theo mức độ đồng nhất của thành phần hóa học, tổchức và tính chất của thép và đặc biệt là mức độchứa các tạp chất có hại P, S, người ta phân ra các loại thép.
- Thép có chất lượng thường, có thểchứa tới 0,06% S và 0,07% P; - Thép có chất lượng tốt, chứa không quá 0,04% S và 0,035% P; - Thép có chất lượng cao, chứa không quá 0,025% mỗi nguyên tố;
- Thép có chất lượng đặc biệt cao, chứa không quá 0,015% S và 0,025% P.
Chất lượng của thép do phương pháp luyện quyết định. Phương pháp Martin (hay phương pháp lò bằng), với tường lò có tính bazơ có thể khử được P, S, luyện được thép với chất lượng tương đối tốt, với tướng lò có tính axit có thể luyện thép có chất lượng cao. Tuy nhiên theo những thông báo mới nhất, phương pháp lò bằng ngày một ít được sử dụng và có thể thay thế bởi các phương pháp khác. Phương pháp L-D (lò thổi oxy từ đỉnh) luyện thép với năng suất cao, chất lượng từ thông thường đến tốt. Phương pháp lò điện (thường là hồ quang) luyện được thép chất lượng cao, có khả năng khửP, S tốt.
Thép cacbon có thểgồm ba loại chất lượng đầu, thép hợp kim có thểgồm ba loại chất lượng sau.
b.Theo phương pháp khửoxy
Theo mức độkhửoxy, phân ra thành thép sôi, thép lặng và nửa lặng.
Thép sôi là thép được khử oxy không triệt để, chỉ dùng fero-Mn. Do vẫn còn FeO, nên nó có thểtác dụng với C trong thép lỏng theo phảnứng.
FeO + C→Fe + CO (2.4)
Khí CO bay lên làm cho mặt thép lỏng chuyển động giống như nó bịsôi lên, do vậy có tên là thép sôi. Do khí CO vẫn còn tạo thành ngay cảkhi rót khuôn nên sẽtạo thành một sốbọt khí trong thỏi thép đúc và gần như không có lõm co tập trung ở phía
trên (hình 2.2a). Trong quá trình cán nóng tiếp theo, phần lớn các bọt khí này được hàn liền lại làm cho thép trở nên sít chặt hơn. Thép sôi có thành phần không đồng nhất, phần phía ngoài hầu như không có cacbon, phần lõi chứa nhiều cacbon hơn, sự phân lớp này thấy rõ trong tấm thép cán. Do chỉ dùng fero-Mn để khử oxy, nên ferit của thép sôi chứa rất ít Si (≤ 0,07%) và do vậy nó rất dẻo, các tấm thép lá mỏng rất thích hợp cho việc dập sâu. Tuy vậy thép sôi khó hàn, vì khi hàn, tại vùng nóng chảy sẽ lại xảy ra hiện tượng “sôi” khó tránh như đã mô tả ở trên, làm xuất hiện nhiều rỗ ở vùng mép hàn và làm xấu cơ tính của mối hàn.
Thép lặng là thép được khửoxy triệt để, ngoài fero-Mn, còn dùng fero-Si và Al, nên trong thép còn rất ít FeO, mặt thép lỏng phẳng lặng, và do vậy được gọi là thép lặng. Trong thỏi thép lặng hầu như không còn bọt khí, nhưng lõm co lại lớn (hình 2.2b). Sự phân lớp như nói trên cũng không còn nữa. Chất lượng thép lặng cao hơn thép sôi, nhưng không kinh tế vì phải cắt bỏ phần lõm co, (có khi tới 10-15% trọng lượng của thỏi), chi phí cho việc khửoxy tốn kém hơn. Do chứa nhiều Si hơn (0,15 – 0,30% Si), nên ferit của thép lặng cứng hơn so với thép sôi. Thép lặng thích hợp cho việc hàn.
Hình 2.2. Sơ đồcấu tạo của thỏi đúc thép sôi (a) và thép lặng (b).
Thép nửa lặng là loại trung gian giữa thép sôi và thép lặng, chỉ được khử oxy bằng fero-Mn và Al.
Thép cacbon thấp có thể ở cả ba loại kể trên. Thép cacbon trung bình có thể là thép lặng hoặc nửa lặng. Thép cacbon cao và thép hợp kim luôn là thép lặng. Vật đúc chỉ được chếtạo từthép lặng.
c. Theo công dụng
Đây là cách phân loại thường dùng nhất, gồm bốn nhóm chính.
việc thông thường tương tự, nói chung không cần qua nhiệt luyện.
Thép kết cấu, chủyếu làm các chi tiết máy, thường phải qua nhiệt luyện.
Thép dụng cụ, chủyếu đểlàm dụng cụ(cắt gọt, biến dạng, đo lường), thường bắt buộc phải qua nhiệt luyện.
Thép có công dụng riêng.
2.1.5. Ký hiệu và công dụng của các nhóm thép Cacbon
2.1.5.1. Nhóm thép cán nóng thông dụng
Hiện chúng vẫn chiếm tới 80% khối lượng thép dùng trong thực tế, thường được cung cấpở dạng qua cán nóng (tấm, thanh, dây,ống, thép hình: chữ U, I, thép góc,…) từcác nhà máy liên hợp luyện kim, với mục đích chủ yếu đểlàm các kết cấu trong xây dựng như nhà, xưởng, cầu, cống, cốt thép của bêtông,…(cũng có thểsửdụng trong chế tạo máy đểlàm các chi tiết máy không quan trọng).
Bảng 2.1. Cơ tính quy định của các mác thép cacbon chất lượng thường
Mác thép σb,MPa σ0,2,MPa δ5, % CT31 CT33 CT34 CT38 CT42 CT51 CT61 ≥ 310 320-420 340-440 380-490 420-540 500-640 ≥ 600 - - 200 210 240 260 300 20 31 29 23 21 17 12
Nếu là thép sôi thì thêm chữs, nếu là thép nửa lặng thì thêm chữnởphía sau. Ví dụ: CT33s, CT42n,…Ngoài ra cần lưuý thép xuất xưởng có tiết diện (đường kính, chiều dày) càng nhỏ có cơ tính càng cao hơn (so với sốliệu trong bảng).
a. Theo TCVN
Theo TCVN 1765-75 nhóm thép này được ký hiệu bằng chữCT (C là cacbon, T là thép), với con số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu (kG/mm2), muốn đổi ra MPa chỉ việc nhân với 9,81 (thường lấy tròn bằng 10). Nhóm thép này lại được phân chia thành ba phân nhóm nhỏ.
Phân nhóm A chỉ quy định về cơ tính, mà không quy định vềthành phần hóa học. Phân nhóm B chỉ quy định vềthành phần hóa học mà không quy định về cơ tính. Thép thuộc phân nhóm này ký hiệu thêm chữBở phía trước chữCT.
Phân nhóm C được quy định cả về cơ tính và thành phần hóa học, cơ tính giống nhóm A, còn thành phần hóa học thì giống nhóm B. Ký hiệu thêm chữCở phía trước chữ CT. Ví dụ mác thép CCT34s có cơ tính tương tựCT34s và thành phần tương tựBCT34s.
Các mác phân nhóm A được dùng làm các chi tiết, kết cấu mà chế tạo chúng không phải gia công nóng (như hàn, biến dạng dẻo, nhiệt luyện), do đó chúng bảo tồn
tổchức và cơ tính ban đầu theo tiêu chuẩn.
Các mác phân nhóm B được dùng làm các chi tiết, kết cấu mà chế tạo chúng không phải qua gia công nóng (như hàn, biến dạng dẻo, nhiệt luyện), do đó tổ chức và cơ tính ban đầu không tồn tại. Muốn vậy cần biết thành phần hóa học (đặc biệt là cacbon) để xác định chế độgia công nóng.
Các mác phân nhóm C được chuyên dùng làm các kết cấu hàn. Trong trường hợp này phải biết cả cơ tính ban đầu của thép bởi vì chúngđược bảo tồn (không thay đổi)ởcác phần không bịnung nóng. So với hai phân nhóm trên, phân nhóm C có chất lượng cao hơn.
Cả ba phân nhóm được dùng làm các kết cấu kim loại và chi tiết chịu tải nhẹ, tức là cóứng dụng rất rộng rãi trong xây dựng. Trong nhóm này còn có những phân nhóm đặc biệt như làm kết cấu xây dựng, đóng tàu, làm cầu,…
TCVN 5709-93 quy định các mác chuyên làm các kết cấu thép trong xây dựng có mối liên kết bằng phương pháp hàn và các phương pháp khác, gồm có XCT34, XCT38, XCT42, XCT52 với con sốchỉ giới hạn bền kéo tối thiểu (kG/mm2) với thành phần quy định:C<0,22%; Mn<0,85%, Si=0,15-0,30%; Al<0,02%; P<0,05%; S<0,05%.
b. Tiêu chuẩn Nga ΓOCT 380
Ký hiệu bằng chữ CTx với các số từ 0 đến 6 chỉ cấp độ bền (số càng to độ bền càng cao tương ứng với ký hiệu theo mác thép Việt Nam)ở đâycũng được chia ra làm ba phân nhóm giống với tiêu chuẩn Việt Nam.
2.1.5.2. Nhóm thép kết cấu
Đây là nhóm thép cacbon chất lượng tốt, lượng P, S thấp hơn, cụthể: S≤ 0,04%, P≤ 0,035% và được quy định cảvềthành phần hóa học và cơ tính, được dùng chủyếu để làm chi tiết máy. Theo TCVN 1766-75, nhóm thép này được ký hiệu bằng chữ C (thép cacbon) với con số chỉ lượng cacbon trung bình theo phần vạn. Nếu là thép sôi thì thêm chữs, nếu là thép nửa lặng thì thêm chữnởphía sau. Ví dụ, C10s là thép sôi, với lượng cacbon trung bình là 0,10%.
Theo tiêu chuẩn Nga chỉ có con số chỉ hàm lượng cacbon trung bình tính theo phần vạn.
2.1.5.3. Nhóm thép dụng cụ
Đây là nhóm thép có thành phần cacbon cao (≥ 0,70% C), thuộc loại thép chất lượng tốt, được quy định khá chặt vềthành phần hóa học, nhất là lượng chứa của P và S, được dùng đểlàm các dụng cụ với năng suất thấp và trung bình. Theo TCVN 1822- 76, nhóm thép này được ký hiệu bằng chữCD (C là cacbon, D là dụng cụ), với con số chỉ lượng cacbon trung bình theo phần vạn.Các mác đều chứa hàm lượng S≤ 0,030%, P≤ 0,035%. Nếu lượng chứa P, S thấp hơn 0,025% sẽthêm chữAởcuối, biểu thịthép chất lượng cao. Ngoài ra, chúng còn có thể chứa một lượng nhỏ các nguyên tố, như ≤ 0,20% Cr;≤ 0,25% Ni,…
Theo tiêu chuẩn Nga nhóm thép được ký hiệu bằng chữ Y đằng sau là con sốchỉ hàm lượng cacbon tính theo phần nghìn.
2.1.5.4. Nhóm thép cacbon có công dụng riêng a.Thép đường ray
Đường ray xe lửa yêu cầu có độ bền và tính chống mài mòn cao, dùng với khối lượng lớn, thường có nhà máy chế tạo riêng. Đó là loại thép cacbon chất lượng cao, với lượng chứa cacbon và mangan tương đối cao: 0,50 -0,80% C; 0,60 – 1,0% Mn. Còn lượng photpho và lưu huỳnh thấp S < 0,05%, P < 0,04%. Ray hỏng có thể tận dụng để chếtạo các chi tiết và dụng cụ như đục, dao, nhíp, dụng cụgia công gỗ,…
b. Dây thép các loại
Dây thép được sản xuất từcác nhà máy luyện kim bằng cách kéo nguội. Cơ tính của dây thép phụthuộc vào thành phần cacbon và mức độbiến dạng.
Dây thép cacbon cao và được biến dạng lớn khi kéo nguội (đường kính dây rất nhỏ khoảng 0,1 mm), giới hạn bền kéo có thể đạt đến giá trị rất cao: 4000-4500 MPa, (nhưng nếu đem ủthìđộ bền lại giảm đi và cơ tính lại giống thép ủ). Dây thép cacbon thấp thường được mạ tráng kẽm hoặc thiếc (để chống ăn mòn trong khí quyển), dùng làm dây điện thoại và trong sinh hoạt. Dây thép có thành phần 0,50-0,70% C dùng để cuốn thành các lò xo tròn.
Trong kỹthuật còn dùng các loại dây cáp có độ bền rất cao, chính là do các sợi thép nhỏ được kéo nguội, có độbền cao, bện lại.
c.Thép lá để dập nguội
Thép để dập nguội thường ở dạng tấm mỏng (lá), đòi hỏi phải có tính dẻo cao, đặc biệt với chi tiết dập sâu. Muốn vậy, lượng cacbon phải rất thấp, thường chỉ 0,05 - 0,20% C. Tổ chức chủ yếu là ferit. Lượng silic cũng phải thấp (0,07-0,17% Si, vì Si làm giảm mạnh độ dẻo của ferit, do vậy thép lá để dập sâu thường là thép sôi, ví dụ C5s, C8s, C10s, C15s, …
Để tăng khả năng chống ăn mòn trong khí quyển, các tấm thép lá mỏng có thể được tráng Sn (gọi là sắt tây), hoặc tráng Zn (gọi là tôn tráng kẽm).
2.1.6. Ưu nhược điểm của thép cacbon
Thép cacbon vẫn được dùng rộng rãi trong công nghiệp và trong đời sống, do hai