10 Nguyên Tố Quyết định đến Tính Chất Cơ Học Của Thép

Tổng quan về thép

Thép là một loại hợp kim rất quan trọng, được sử dụng phổ biến trong ngành vật tư xây dựng. Trong thành phần của thép, ngoài sắt, cacbon (với tỷ lệ từ 0.02% – 2.14% theo trọng lượng) và một số nguyên tố hóa học khác. Đây là những nguyên tố hóa học quyết định đến tính chất của thép như độ cứng, độ đàn hồi, tính dễ uốn và sức bền kéo đứt của thép bởi khả năng hạn chế sự di chuyển của nguyên tử sắt trong cấu trúc tinh thể dưới tác động của nhiều nguyên nhân. Bài viết dưới đây vật tư Hải Dương sẽ chia sẻ cho bạn đọc 10 nguyên tố quyết định đến tính chất cơ học của thép.

Ngoài yếu tố thành phần, phương pháp xi mạ kẽm cũng là một phương pháp có tính ảnh hưởng nhất định đến tính chất cơ học của sản phẩm thép. Xem thêm về phương pháp xi mạ kẽm tại:

Vậy 10 nguyên tố quyết định đến tính chất cơ học của thép là những nguyên tố nào? Và chúng ảnh hưởng như thế nào? Hãy cùng tìm hiểu ngay sau đây

10 nguyên tố quyết định đến tính chất cơ học của thép

1. Nguyên tố cacbon ảnh hưởng độ cứng của thép

Cacbon (C) là nguyên tố phải kể đến đầu tiên vì nó quyết định đến việc tổ chức và tính chất của thép. Sự thay đổi của hàm lượng cacbon dù với tỉ lệ rất nhỏ cũng ảnh hưởng đến tính cơ học của thép. Bao gồm giới hạn bền, độ cứng, độ kéo dài, độ thắt tỉ đối và độ dai va đập của thép trong các ứng dụng thực tế.

Tỷ lệ hòa tan tối đa của cacbon trong sắt là 2.14% quy đổi theo trọng lượng và chỉ xảy ra ở ngưỡng nhiệt độ là 1147 độ C.

Nếu lượng cacbon trong thép cao hơn hoặc nhiệt độ hòa tan thấp hơn tiêu chuẩn trong quá trình sản xuất thì hợp kim thép sẽ có cường lực kém hơn.

Về tổng thể, độ bền của thép chỉ tăng lên và đạt được giá trị cực đại khi hàm lượng của cacbon tăng tới khoảng từ 0.8-1%. Nếu vượt quá khoảngnnày thì độ bền của thép sẽ giảm đi.

Theo các chuyên gia nghiên cứu, cứ 0.1% cacbon được tăng thêm thì độ cứng của thép sẽ tăng lên khoảng 20-25HB. Độ bền tăng lên được 60-80 MPa nhưng độ dẻo hay khả năng giãn dài tương đối của thép lại giảm đi khoảng 2-4%. Độ thắt tỉ đối giảm từ 1-5% và độ dai va đập thì giảm khoảng 200kJ/m.

Xem thêm bảng tra cường độ thép tại đây: https://vattuhaiduong.vn/tin-tuc-su-kien/bang-tra-cuong-do-thep/

2. Nguyên tố Mangan với độ bền của thép

Nguyên tố được kể đến thứ 2 ở đây là Mangan (Mn). Lượng Mn trong thép tuy không lớn, giới hạn trong khoảng 0.5-0.8% theo trọng lượng. Nhưng khi được hòa tan vào ferit thì sẽ có tác dụng nâng cao độ bền và độ cứng của pha này, làm tăng cơ tính của thép đồng thời có thể làm giảm tác hại của nguyên tố lưu huỳnh trong thép.

Theo đó, Mangan được cho vào quy trình sản xuất thép dưới dạng ferô mangan để khử ôxy thép ở trạng thái lỏng để loại trừ FeO:

Mn + FeO → Fe + MnO    (MnO nổi lên đi vào xỉ và bị cào ra khỏi lò)

Trong thực tế, tỉ lệ mangan là yếu tố quyết định đến sự thay đổi giá thành của thép.

3. Nguyên tố Silic và ảnh hưởng tới độ cứng của thép

Silic (Si) cũng có vai trò như mangan. Khi được hòa tan vào ferit thì cũng ó khả năng nâng cao độ bền và độ cứng của thép. Silic được cho vào thép dưới dạng ferô silic để khử ôxy triệt để thép ở trạng thái lỏng. Theo phương trình:

Si + FeO → Fe + SiO2     (SiO2 nổi lên đi vào xỉ và bị cào ra khỏi lò)

Lượng Silic chuẩn trong thép cacnon thường được giới hạn trong khoảng từ 0.2-0.4%.

4. Nguyên tố Photpho và tính giòn của thép

Photpho (P) là nguyên tố được biết đến với khả năng tạo nên độ giòn nguội hay bở nguội ngay ở nhiệt độ thường đối với thép.

Với đặc tính có thể hòa tan vào ferit tới 1.2% ở hợp chất thuần Fe – C. Điều này có thể làm xô lệch rất mạnh mạng tinh thể pha này để tăng tính giòn lên nếu lượng photpho vượt quá giới hạn hòa tan (0.1%) thì nó sẽ tạo ra Fe3P.

Do đặc tính của nguyên tố này là sự phân bố không đều rất mạnh. Để tránh hiện tượng thép bị giòn quá tiêu chuẩn thì cần giới hạn hàm lượng của nguyên tố này trong thép luôn luôn ít hơn 0.05%.

5. Nguyên tố lưu huỳnh quyết định khả năng cắt của thép

Lưu huỳnh (S) là một nguyên tố không hòa tan trong Fe mà nó tạo nên hợp chất FeS. Cùng tinh (Fe + FeS) được tạo thành ở nhiệt độ khoảng 988 độ C. Kết tinh sau cùng do đó nằm ở biên giới hạt. Khi nung thép để cán hoặc kéo trong khoảng nhiệt độ từ 1100 – 1200 độ C, biên giới hạt bị chảy ra làm thép bị đứt và gãy như là hiện tượng thép bị giòn.

Hiện tượng này được gọi là giòn nóng hoặc bở nóng. Khi đưa Mangan vào trong thép, nguyên tố này sẽ kết hợp với lưu huỳnh để tạo nên MnS.

Pha này kết tinh ở nhiệt độ cao 1620 độ C. Dưới dạng các hạt nhỏ rời rạc và ở nhiệt độ cao có tính dẻo nhất định nên không bị chảy, đứt hoặc gãy. Như vậy, nguyên tố lưu huỳnh trong thép có yếu tố quyết định đến tính dẻo của thép.

6. Nguyên tố Crom tạo khả năng chống gỉ của thép

Crom (Cr) là nguyên tố có độ phản ứng cao. Đây là nguyên tố tạo nên sự “trơ” của các loại thép không gỉ. Giúp cho hợp kim thép có thể chống lại các ăn mòn hóa và gỉ oxit. Thường xảy ra đối với các loại thép cacbon thông thường.

Để tạo nên loại thép không gỉ chỉ cần tăng hàm lượng Crom lên. Hàm lượng Crom càng cao thì càng tăng độ chống gỉ của thép lên. Hàm lượng Crom đạt mức tối thiểu là 10.5% thì sẽ hình thành một lớp bảo vệ bề ngoài chắc chắc. Có khả năng chặn sự khuyêchs tế của không khi môi trường ô xi hóa lên bề mặt sản phẩm thép.

7. Nguyên tố Niken cải thiện độ bền và chịu axit của thép

Sự có mặt của nguyên tố Niken (Ni) trong thép sẽ hình thành cấu trúc austenite. Với đặc trưng làm cho mác thép có độ bền, độ dẻo dai cao hơn ngay cả trong điều kiện nhiệt độ hỗn hợp làm nguội. Là một chất không có từ tính, Niken trong thép có vai trò cải thiện khả năng chống chịu với tính ăn mòn của axit đối với thép. Đặc biệt là đối với axit sulfuric.

Cường độ chịu kéo của thép là một yếu tố quyết định độ dẻo dai của sản phẩm thép. Tìm hiểu về yếu tố này tại:

8. Nguyên tố Molybden và khả năng chống ăn mòn của thép

Nguyên tố Molybden (Mo) được coi là một chất phụ gia khi cho vào trong mác thép “Cr-Fe-Ni”. Để tăng tính chống mòn lỗ chỗ cục bộ và chống mòn kẽ nứt thông qua cơ chế chống tác động thiệt clorua.

Lượng Molybden càng cao (có thể lên đến 6%) thì khả năng chịu clorua càng cao.

9. Nguyên tố Đồng giúp tăng độ bền, độ dai va đập của thép

Đồng (Cu) được cho vào thép với hàm lượng nhỏ, chỉ khoảng 0.3-0.8% nhưng nó lại là nguyên tố tham gia củng cố cho tính dẻo, độ dai va đập và khả năng chống ăn mòn tăng lên, mà lại không làm ảnh hưởng đến tính hàn của thép.

10. Nguyên tố Nito giúp tăng sức bền của loại thép cacbon thấp

Nito (N) trong các mác thép không gỉ Ferritic, Austenitic,.. giúp tăng khả năng chống ăn mòn giữa các hạt và làm tăng sức bền cho các loại mác thép có hàm lượng cacbon thấp (nhỏ hơn 0.03%) đạt được độ bền như loại mác thép chuẩn khác.

Như vậy, 10 nguyên tố kể trên chính là những nguyên tố tiêu biểu có ảnh hưởng nhất đến cơ tính của các loại thép.

Tùy theo nhu cầu sử dụng mà nhà sản xuất sẽ thay đổi hàm lượng các nguyên tố hóa học. Để cho ra thép có tính cơ học phù hợp với mục đích dùng.