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 sơi thì thêm chữs, nếu là thép nửa lặng thì thêm chữnởphía sau. Ví dụ: CT33s, CT42n,…Ngồi 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 trịn bằng 10). Nhóm thép này lại được phân chia thành ba phân nhóm nhỏ.
Phân nhóm A chỉ quy định về cơ tính, mà khơng quy định vềthành phần hóa học. Phân nhóm B chỉ quy định vềthành phần hóa học mà khơng 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, cịn 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 khơng phải gia cơng 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 cơng 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 cơng 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 (khơng thay đổi)ởcác phần khơng 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 cịn 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 sơi thì thêm chữs, nếu là thép nửa lặng thì thêm chữnởphía sau. Ví dụ, C10s là thép sơi, 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. Ngồi ra, chúng cịn 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 cơng dụng riêng a.Thép đường ray
Đường ray xe lửa yêu cầu có độ bền và tính chống mài mịn 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 ủthìđộbền lại giảm đi và cơ tính lại giống thép ủ). Dây thép cacbon thấp thường được mạ tráng kẽm hoặc thiếc (để chống ăn mịn 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 sơi, ví dụ C5s, C8s, C10s, C15s, …
Để tăng khả năng chống ăn mịn 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 ưu điểm cơ bản sau.
Rẻ tiền, vì dễ nấu luyện và trên hết không phải dùng các nguyên tố hợp kim đắt tiền.
Có cơ tính nhất định (chẳng hạn độ cứng sau khi tôi của thép C cao không thua kém thép hợp kim có lượng C tương tự) và nhất là có tính cơng nghệ tốt như dễ đúc, hàn, cán, rèn, dập, kéo sợi, gia công cắt gọt,… tốt hơn so với thép hợp kim.
Độ bềnở trạng thái cung cấp (thường hóa) và trạng thái ủ thấp, giới hạn đàn hồi khơng vượt q 700MPa, chưa kể đếnkhi đó thìđ ộ dẻo và độ dai đã giảm đi rất mạnh. Với thép hợp kim vi lượng, đã có thểcải thiện tính chất này một cách đáng kể.
Độ thấm tơi của thép cacbon nói chung thấp, khó có thể tơi thấu một chi tiết có đường kính khoảng 15mm, mà muốn tơi thấu phải chọn mơi trường tơi mạnh, điều đó sẽ dẫn đến nguy cơ biến dạng nhiều và thậm chí gây nứt, vỡ. Các nguyên tố hợp kim sẽcải thiện đáng kể độthấm tôi của thép.
Độbền và nhất là độ cứng ởnhiệt độcao (> 3000C) rất thấp, một phần do khơng cịn mactenxit nữa, một phần do hiện tượng dão. Đây là yếu điểm rất cơ bản của thép cacbon so với thép hợp kim, mà không thể dùng nó làm dụng cụ cắt nhanh hoặc chi tiết làm việcởnhiệt độcao.
Độbền chống mài mòn tuy thép cacbon sau khi tơi đúng, có độcứng khơng thua kém so với thép hợp kim có lượng C tương tự, nhưng khả năng chống mài mòn kém hơn, do trong thép cacbon hầu như khơng có hoặc có rất ít các loại cacbit hợp kim, một yếu tốquan trọng góp phần nâng cao độbền chống mài mòn cho thép.
Độ bền chống ăn mịn của thép cacbon nói chung thấp, ngay cảtrong khí quyển thơng thường (có chút ít hơi nước hoặc khí CO2), thép đã có thể bị gỉ. Chỉ cần cho thêm một lượng nhỏ Cu là đã có thểcải thiện tốt khả năng này của thép, cịn nếu cho vào thép một lượng thích hợp Cr, Ni…sẽlàm cho thép trởnên không gỉ.
2.2. Thép hợp kim
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, hyđrơ, 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 cơng 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 tơi 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 khơng khí, bị ăn mịn mạnh trong các mơi trịng axit, bazơ và muối… Nhờ hợp kim hóa mà có thểtạo ra thép khơng gỉ, thép có tính giãn nở và đàn hồi đặc biệt, thép có từ tính cao và thép khơng 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, cơng 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.
2.2.1. Tác dụng của nguyên tốhợp kim
Có thểnói, sựcó mặt của nguyên tốhợp kim trong thép ởtrạng thái cân bằng chủ yếu ở hai dạng sau: hòa tan vào sắt (α-Fe, γ-Fe) dưới dạng dung dịch rắn và kết hợp với cacbon thành cacbit hợp kim.
Hình 2.3. Giản đồpha sắt–nguyên tốhợp kim
a. Khi hịa tan vơ hạn vàoγ-Fe; b. Khi hịa tan có hạn vàoγ-Fe
Khi hòa tan vào sắt, các nguyên tố hợp kim có thể thay thế Fe trong mạng α-Fe (mạng A2), gọi là ferit hợp kim, hoặc trong mạngγ-Fe (mạng A1) gọi là austenit hợp kim. Một sốnguyên tố Ni, Mn, C, N, Cu,… khi hòa tan vào trong Fe sẽmởrộng vùng ổn địnhγvà làm hạthấp nhiệt độchuyển biếnα↔γ(hình 2.3).
Đặc biệt với Mn và Ni, khi lượng đủlớn (ví dụMn lớn hơn 10% còn Ni lớn hơn 20%) thép sẽ có tổ chức austenit ngay cả ở nhiệt độ thường. Riêng Ni (mạng lập phương tâm mặt) có thểhịa tan vơ hạn vàoγ-Fe.
Một số nguyên tố khác như Cr, V, Ti, Mo, W, Nb, Si… lại thu hẹp vùngổn định của γ và nâng cao nhiệt độ chuyển pha γ↔α (hình 2.4). Riêng Cr (mạng A2) có thể hịa tan vơ hạn vàoα-Fe.
Hình 2.4. Giản đồpha sắt–nguyên tốhợp kim
a. khi hịa tan vơ hạn vàoα-Fe; b. khi hịa tan có hạn vàoα-Fe
Trong thực tế thường gặp các thép được hợp kim hóa bằng một lượng không nhiều Mn, Ni và các nguyên tốmởrộng vùngα như Cr, Si, V, W, Ti…
Hình 2.5.Ảnh hưởng của nguyên tốhợp kim đến cơ tính của ferit(a. độ cứng HB, b. độ dai va đập ak) (a. độ cứng HB, b. độ dai va đập ak)
Ởtrạng thái cân bằng các thép đó gồm hai pha là ferit và cacbit. Các thép kết cấu và dụng cụ thường gặp có tổchức như vậy, nhưng ferit này có cơ tính khác hẳn so với cơ tính của ferit trong thép cacbon.
Các nguyên tố hợp kim hòa tan vào sắt ở dạng thay thế, làm mạng tinh thể bị xô lệch và mức độxô lệch càng tăng khi nồng độnguyên tốhợp kim càng lớn, do vậy làm cho độ bền, độ cứng tăng lên, còn độ dẻo dai của thép sẽ giảm đi. Hình 2.5 cho thấy ảnh hưởng của các nguyên tốhợp kim chính (Cr, Ni, Mn, Si)đến cơ tính của ferit.
Ta thấy rằng Mn và Si là hai nguyên tố làm tăng rất mạnh đến độcứng cũng như độ bền, nhưng đồng thời chúng cũng làm giảm mạnh độ dẻo, độdai của ferit. Vì vậy trong thực tế, với thép hợp kim thông thường lượng Mn, Si cũng chỉ được dùng trong giới hạn từ1%-2%. Cịn Cr, Ni có mức độhóa bền vừa phải và khơng làm giảm mạnh độdẻo dai, nên được ưa dùng trong rất nhiều loại thép hợp kim (riêng Ni không nhưng không làm giảm độ dai mà cịn có phần cải thiện tính chất này, nó là nguyên tố hợp kim rất tốt cho thép hợp kim, nhất là thép kết cấu, nên phải hạn chếsửdụng nó vì nóđắt.
2.2.1.2. Sựtạo thành pha cacbit trong thép hợp kim
Người ta thấy rằng các nguyên tố tạo cacbit đều là các kim loại thuộc nhóm chuyển tiếp (số điện tử phân lớp d hoặc f của lớp trong chưa đầy mà đã có điện tử ở phân lớp s hoặc d của lớp ngoài). Cụthểvới Fe số điện tử3d là 6, phân lớp 4s là 2.