Tài liệu Tiểu luận vật liệu xây dựng vật liệu thép

 LỜI NÓI ĐẦU  ---oOo--Từ xưa đến nay, nơi ăn chốn ở luôn là vấn đề được con người quan tâm hàng đầu. Bởi lẽ, mọi phong tục, tập quán, sinh hoạt, ăn uống của ta đều bắt đầu từ đây. Từ xa xưa, tổ tiên ta đã biết dùng các hang động để cư ngụ và sinh sống, rồi từ đó phát kiến ra những cách tạo dựng cho mình nơi ở đầu tiên như biết xếp chồng các khối đá tương thích lên nhau hay gắn kết chúng bằng những chất kết dính thô có sẵn như đất sét, thạch cao, v.v… Đó chính là những phương thức xây dựng đầu tiên của con người. Qua các thời kỳ, nhu cầu của con người về nơi ở lại càng cao đòi hỏi vật liệu làm ra phải càng có nhiều đặc tính kỹ thuật tốt (có độ bền cao hơn, chống chịu ăn mòn tốt, cách âm, cách nhiệt tốt, v.v…). Ngoài ra, sự phát triển của xã hội loài người còn gắn liền với sự phát triển của công cụ sản xuất và kỹ thuật, mà vật liệu là yếu tố quyết định cho hai ngành này. Ngày nay, với sự phát triển như vũ bão của khoa học và kỹ thuật thì vai trò của ngành vật liệu học càng ngày càng trở nên quan trọng hơn. Có rất nhiều loại vật liệu mới với những tính năng vượt trội, đặc biệt được ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển của khoa học – công nghệ và đời sống như vật liệu áp điện, vật liệu siêu dẫn, v.v… Tuy nhiên vật liệu truyền thống như thép vẫn giữ một vai trò quan trọng trong sản xuất và đời sống của chúng ta bởi vì so với các loại vật liệu khác thì việc sản xuất ra thép với khối lượng lớn là dễ dàng, ít tốn kém; hơn nữa, ta có thể điều chỉnh hàm lượng, phương pháp xử lý, nấu luyện để tạo ra nhiều loại thép khác nhau nhằm đáp ứng các mục đích sử dụng khác nhau trong thực tế. Trong cuộc sống, ta dễ dàng bắt gặp các loại đồ dùng, chi tiết, máy móc, được chế tạo từ thép. Tuy nhiên, không phải chi tiết nào cũng được làm từ cùng một loại thép; phải tùy vào chức năng, mục đích sử dụng và yêu cầu của chi tiết cần chế tạo để lựa chọn loại thép cho phù hợp. Có như vậy thì chi tiết tạo ra mới đảm bảo được chất lượng. Để giúp làm rõ hơn về các loại thép, đặc tính kỹ thuật, ứng dụng cũng như cách bảo quản thép, nhóm chúng em xin mang đến cho các bạn đề tài “Vật liệu thép” trong bài tiểu luận nho nhỏ này! Bài thuyết trình có thể chưa hoàn thiện và còn nhiều thiếu sót nhưng nhóm chúng em hy vọng cô có thể xem xét và đưa ra nhiếu ý kiến đóng góp khách quan để bài làm được hoàn chỉnh hơn. Nhóm chúng em xin chân thành cám ơn cô! Tiểu luận vật liệu XD GVHD: Cô Nguyễn Thanh Bảo Nghi  MỤC LỤC   LỜI NÓI ĐẦU  ...........................................................................................................1  MỤC LỤC  ..................................................................................................................2  NỘI DUNG  ................................................................................................................4 I. Khái niệm .................................................................................................................4 II. Nguồn gốc .................................................................................................................4 III. Phân loại ...................................................................................................................4 1) Phân loại theo thành phần hóa học ......................................................................4 a) Thép cacbon ......................................................................................................5 b) Thép hợp kim ....................................................................................................5 2) Phân loại theo mục đích .......................................................................................6 a) Thép kết cấu ......................................................................................................6 b) Thép dụng cụ.....................................................................................................6 c) Theo tính chất vật lý đặc biệt............................................................................6 3) Phân loại theo chất lượng thép .............................................................................7 a) Thép chất lượng bình thường ...........................................................................7 b) Thép chất lượng tốt ...........................................................................................7 c) Thép chất lượng cao .........................................................................................7 d) Thép chất lượng cao đặc biệt ...........................................................................7 4) Phân loại theo mức oxi hóa ..................................................................................7 a) Thép lặng ..........................................................................................................7 b) Thép sôi .............................................................................................................7 c) Thép bán lặng ...................................................................................................8 IV. Đặc tính kỹ thuật của thép ......................................................................................8 1) Các thông số kỹ thuật............................................................................................8 a) Cấu trúc tinh thể ...............................................................................................8 b) Thành phần hóa học .........................................................................................8 c) Số hiệu của thép xây dựng ................................................................................8  Thép carbon: ..................................................................................................8  Thép hợp kim thấp: .......................................................................................9 2) Sự làm việc của thép .............................................................................................9 a) Sự làm việc của thép chịu kéo...........................................................................9  Giai đoạn đàn hồi: .........................................................................................9  Giai đoạn chảy: ..............................................................................................9  Giai đoạn củng cố (tái bền): ..........................................................................9 b) Sự làm việc của thép chịu nén ..........................................................................9 c) Sự làm việc của thép chịu uốn ........................................................................10  Giai đoạn đàn hồi: .......................................................................................10 Nhóm 2 – Vật liệu thép Trang 2 Tiểu luận vật liệu XD GVHD: Cô Nguyễn Thanh Bảo Nghi  Giai đoạn có biến dạng dẻo: ........................................................................10 3) Các hiện tượng phá hoại.....................................................................................10 V. Các phương pháp sản xuất thép...........................................................................11 1) Phương pháp Bessemer ......................................................................................11 2) Phương pháp Martin...........................................................................................12 3) Phương pháp lò điện ...........................................................................................12 VI. Ứng dụng của thép.................................................................................................13 1) Thép không gỉ (Inox) ...........................................................................................13 a) Trong dân dụng...............................................................................................13 b) Trong công nghiệp ..........................................................................................13  Công nghiệp nặng:.......................................................................................13  Công nghiệp nhẹ:.........................................................................................13 2) Thép silic .............................................................................................................14 3) Thép cacbon ........................................................................................................14 VII. Bảo quản thép....................................................................................................14 VIII. Các loại thép .....................................................................................................15 1) Thép không gỉ (Inox) ...........................................................................................15  Nguồn gốc: ..................................................................................................15  Bí ẩn tại sao thép lại không gỉ: ....................................................................16  Phân loại: .....................................................................................................16  Các đặc tính của nhóm thép không gỉ – Inox: ............................................17 2) Ứng dụng của các loại thép không gỉ .................................................................18 3) Thép Silic ............................................................................................................19 a) Khái niệm ........................................................................................................19 b) Đặc tính ..........................................................................................................19 c) Thành phần .....................................................................................................20 d) Chế tạo ............................................................................................................20 e) Phân loại .........................................................................................................20 f) Thép cuộn Silic không định hướng cán nguội ................................................20  Ứng dụng: ....................................................................................................21 4) Thép Carbon .......................................................................................................21 a) Khái niệm ........................................................................................................21 b) Phân loại .........................................................................................................21  Theo tổ chức tế vi và hàm lượng carbon trên giản đồ trạng thái Fe – C:....21  Theo công dụng: ..........................................................................................22  Theo phương pháp luyện kim: ....................................................................22  Theo phương pháp khử oxi: ........................................................................22  Theo hàm lượng carbon: .............................................................................22  LỜI KẾT  ..................................................................................................................23 Nhóm 2 – Vật liệu thép Trang 3 Tiểu luận vật liệu XD GVHD: Cô Nguyễn Thanh Bảo Nghi  NỘI DUNG  I. Khái niệm Thép là hợp kim với thành phần chính là sắt (Fe), với cacbon (C), từ 0,02% đến 2,06% theo trọng lượng, và một số nguyên tố hóa học khác. Chúng làm tăng độ cứng, hạn chế sự di chuyển của nguyên tử sắt trong cấu trúc tinh thể dưới tác động của nhiều nguyên nhân khác nhau. Số lượng khác nhau của các nguyên tố và tỷ lệ của chúng trong thép nhằm mục đích kiểm soát các mục tiêu chất lượng như độ cứng, độ đàn hồi, tính dể uốn, và sức bền kéo đứt. Thép với tỷ lệ cacbon cao có thể tăng cường độ cứng và cường lực kéo đứt so với sắt, nhưng lại giòn và dễ gãy hơn. Tỷ lệ hòa tan tối đa của carbon trong sắt là 2,06% theo trọng lượng (ở trạng thái Austenit) xảy ra ở 1.1470C; nếu lượng cacbon cao hơn hay nhiệt độ hòa tan thấp hơn trong quá trình sản xuất, sản phẩm sẽ là xementit có cường lực kém hơn. Pha trộn với cacbon cao hơn 2,06% sẽ được gang. Thép cũng được phân biệt với sắt rèn, vì sắt rèn có rất ít hay không có cacbon, thường là ít hơn 0,035%. Ngày nay người ta gọi ngành công nghiệp thép (không gọi là ngành công nghiệp sắt và thép), nhưng trong lịch sử, đó là 2 sản phẩm khác nhau. Ngày nay có một vài loại thép mà trong đó cacbon được thay thế bằng các hỗn hợp vật liệu khác, và cacbon nếu có, chỉ là không được ưa chuộng. II. Nguồn gốc Trước thời kì Phục Hưng người ta đã chế tạo thép với nhiều phương pháp kém hiệu quả, nhưng đến thế kỉ 17 sau tìm ra các phương pháp có hiệu quả hơn thì việc sử dụng thép trở nên phổ biến hơn. Với việc phát minh ra quy trình Bessemer vào giữ thế kỉ 19, thép đã trở thành một loại hàng hoá được sản xuất hàng loạt ít tốn kém. Trong quá trình sản xuất càng tinh luyện tốt hơn như phương pháp thổi ôxy, thì giá thành sản xuất càng thấp đồng thời tăng chất lượng của kim loại. Ngày nay thép là một trong những vật liệu phổ biến nhất trên thế giới và là thành phần chính trong xây dựng, đồ dùng, công nghiệp cơ khí. Thông thường thép được phân thành nhiều cấp bậc và được các tổ chức đánh giá xác nhận theo chuẩn riêng. III. Phân loại 1) Phân loại theo thành phần hóa học Trong sự phụ thuộc vào thành phần hóa học thì thép được phân loại thành thép cacbon và thép hợp kim. Nhóm 2 – Vật liệu thép Trang 4 Tiểu luận vật liệu XD GVHD: Cô Nguyễn Thanh Bảo Nghi a) Thép cacbon Chiếm tỉ trọng lớn nhất trong tổng sản lượng thép (khoảng 80% – 90%). Đối với thép cacbon thì theo thứ tự có thế phân thành : - Thép chứa ít cacbon ,đối với thép này thì thành phần cacbon trong thép ko vượt quá 0,25%, đặc trưng của thép này là dẻo dai cao, nhưng độ bền độ cứng thấp – Thép chứa cacbon trung bình, thành phần cacbon trong thép chiếm từ 0,25% – 0,6%. Thép này thì độ bền, độ cứng cao, dùng để chế tạo các chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và chịu và đập cao. - Thép nhiều cacbon, thành phần cacbon trong thép cao hơn 0,6% (ko vượt quá 2,14%), thép này dùng để chế tạo dụng cụ cắt, khuôn dập, dụng cụ đo lường. b) Thép hợp kim Có độ bền cao hơn hẳn thép cacbon, nhất là sau khi tôi và ram. Đối với thép hợp kim thì có thể phân loại thành: - Hợp kim thấp, thành phần các nguyên tố hợp kim trong thép không vượt quá 2,5%. - Hợp kim trung bình, thành phần các nguyên tố hợp kim trong thép chiếm từ 2,5  10%. - Hợp kim cao, thành phần các nguyên tố hợp kim trong thép cao hơn 10%. Nhóm 2 – Vật liệu thép Trang 5 Tiểu luận vật liệu XD GVHD: Cô Nguyễn Thanh Bảo Nghi 2) Phân loại theo mục đích Theo mục đích thì thép được phân thành các nhóm sau: a) Thép kết cấu Khối lượng lớn nhất. Dùng để sản xuất, chế tạo các sản phẩm dùng trong ngành xây dựng và cơ khí chế tạo máy: b) Thép dụng cụ Cứng và chống mài mòn, vì vậy dùng để sản xuất các dụng cụ cắt, gọt, dụng cụ đo lường, chế tạo khuôn dập. c) Theo tính chất vật lý đặc biệt - Chẳng hạn như từ việc xác định tính chất từ của thép hay là hệ số nở dài nhỏ, mà ta phân thành: thép kĩ thuật điện,… - Theo tính chất hóa học đặt biệt : chẳng hạn như phân thành thép chịu nóng hay thép bền nóng, thép ko gỉ… Nhóm 2 – Vật liệu thép Trang 6 Tiểu luận vật liệu XD GVHD: Cô Nguyễn Thanh Bảo Nghi 3) Phân loại theo chất lượng thép Từ sự có mặt của các tạp chất có hại: lưu huỳnh và phôtpho trong thành phần của hỗn hợp thép ta có thể chia nhỏ thành các nhóm sau: a) Thép chất lượng bình thường Thành phần thép chứa khoảng 0,06% lưu huỳnh và 0,07% photpho trong hỗn hợp, thép được luyện từ lò L – D, năng suất thép cao và giá thành rẻ. b) Thép chất lượng tốt Thành phần thép chứa khoảng 0,035% lưu hùynh và 0,035% photpho trong hỗn hợp, được luyện ở lò mactanh và lò điện hồ quang. c) Thép chất lượng cao Thành phần thép chứa khoảng 0,025% lưu hùynh và 0,025% photpho trong hỗn hợp, được luyện ở lò điện hồ quang dùng nguyên liệu chất lượng cao. d) Thép chất lượng cao đặc biệt Thành phần thép chứa khoảng 0,025% phôtpho và 0,015% lưu huỳnh trong hỗn hợp, được luyện ở lò điện hồ quang, sau đó được tinh luyện tiếp tục bằng đúc chân không, bằng điện xỉ. 4) Phân loại theo mức oxi hóa Dựa vào mức oxi từ thép chúng ta phân loại ra các nhóm sau: a) Thép lặng Là thép oxi hóa hoàn toàn, thép này cứng bền, khó dập nguội, không bị rỗ khí khi đúc, nhưng co lõm lớn, không được đẹp lắm, dùng cho các kết cấu hàn, thấm cacbon. b) Thép sôi Là thép oxi hóa kém, thép này mềm, dẻo, dễ dập nguội, không dùng thép sôi để đúc định hình vì sẽ sinh bọt khí làm giảm chất lượng, ngoài ra cũng không được dùng thép sôi để làm chi tiết thấm cacbon vì bản chất hạt lớn. Nhóm 2 – Vật liệu thép Trang 7 Tiểu luận vật liệu XD GVHD: Cô Nguyễn Thanh Bảo Nghi c) Thép bán lặng - Là thép chiếm vị trí trung gian của 2 loại thép trên (thép lặng và thép sôi), dùng để thay thế cho thép sôi. - Đối với thép phân loại theo số oxi hóa thì kí hiệu được viết sau cùng của mác thép: thép lặng thường kí hiệu bằng chữ “l”, tuy nhiên đối với thép lặng thì người ta bỏ qua kí hiệu này, thép sôi kí hiệu là chữ cái: “s”, còn thép bán lặng kí hiệu bằng chữ: “n” (theo kí hiệu Việt Nam). IV. Đặc tính kỹ thuật của thép 1) Các thông số kỹ thuật a) Cấu trúc tinh thể Cấu trúc thép (hình 1.1) tạo bởi: - Ferit: Fe nguyên chất, chiếm 99% thế tích, dẻo và mềm. - Ximentic: Hợp chất Fe3C, cứng và giòn do thành phần C. - Màng peclit: Hỗn hợp Fe và Fe3C, là màng đàn hồi, bao quanh ferit. Màng càng dày, thép càng cứng và kém dẻo. b) Thành phần hóa học - Fe chiếm 99%. - C: Có hàm lượng nhỏ hơn 1,7%. Lượng C càng cao, thép có cường độ lớn nhưng giòn nên khó hàn và khó gia công. Yêu cầu thép xây dưng có: %C<0,22%. - Các thành phần có lợi:  Mn: 0,4  0,65 %. Tăng cường độ, độ dai, nhưng làm thép giòn  %Mn<1,5%  Si:0,12  0,35%. Tăng cường độ nhưng giảm tính chống gỉ, khó hàn  %Si<0,3%. - Các thanh phần có hại:  P: Giảm tính dẻo và độ dai va chạm, thép giòn ở nhiệt độ thấp.  S: Làm thép giòn ở nhiệt độ cao, dễ nứt khi rèn và hàn.  O2, N2: Làm thép giòn, cấu trúc không thuần nhất  %O2<0,05%; %N2<0,0015%. Ngoài ra, trong thép hợp kim còn có thêm một số thành phần Ni, Cr, Cu… để cải thiện tính chất thép. c) Số hiệu của thép xây dựng  Thép carbon: Theo ký hiệu Liên Xô (cũ) từ CT0  CT7. Chỉ số càng cao hàm lượng C càng lớn, thép có cường độ cao nhưng kém dẻo khó hàn và gia công. - CT0: Dẻo, dùng làm kết cấu không chịu lực: bulông thường, đinh tán, chi tiết… Nhóm 2 – Vật liệu thép Trang 8 Tiểu luận vật liệu XD GVHD: Cô Nguyễn Thanh Bảo Nghi CT1, CT2: Mềm, cường độ thấp, dùng trong kết cấu vỏ. - CT3: Phổ biến nhất trong xây dựng, thường là thép lò bằng-sôi hoặc thép nửa tĩnh. Kết cấu chịu tải trọng nặng, động dùng thép lò bằng-tĩnh. - CT4: Cường đô cao, dung trong công nghiếp đong tau. - CT5: Khó gia công chế tạo, khó hàn chỉ dùng cho kết cấu đinh tán. - CT6, CT7: Quá cứng, giòn không dùng được trong xây dựng, chỉ dùng làm máy công cụ… -  Thép hợp kim thấp: Ngày càng phổ biến trong xây dựng nhờ cường độ cao, bền và chống gỉ tốt. Theo ký hiệu Liên Xô (cũ), các chỉ số chỉ thành phần hóa học và hàm lượng C. Ví dụ: 15XCH: 0,15% C, C: Silic, H: Ni , : Cu. 2) Sự làm việc của thép a) Sự làm việc của thép chịu kéo  Giai đoạn đàn hồi: Tương quan giữa P và L bậc nhất. Lực lớn nhất trong giai đoạn này là lực tỉ lệ Ptl, ứng suất tương ứng trong mẫu là giới hạn tỉ lệ: P  tl  tl A0  Giai đoạn chảy: Lực kéo không tăng nhưng biến dạng tăng liên tục. Lực kéo tương ứng là lực chảy Pch và ta có giới hạn chảy: P  ch  ch A0  Giai đoạn củng cố (tái bền): Tương quan giữa P và biến dạng L là đường cong. Lực lớn nhất là lực bền Pb và ta có giới hạn bền: P b  b A0 b) Sự làm việc của thép chịu nén Khi nén mẫu vật liệu, ta chỉ xác định được giới hạn tỷ lệ và giới hạn chảy, mà không xác định được giới hạn bền do sự phình ngang của mẫu làm cho diện tích mặt cắt ngang mẫu liên tục tăng lên. Sau thí nghiệm mẫu có dạng hình trống. Nhóm 2 – Vật liệu thép Trang 9 Tiểu luận vật liệu XD GVHD: Cô Nguyễn Thanh Bảo Nghi c) Sự làm việc của thép chịu uốn  Giai đoạn đàn hồi: Khi P nhỏ, biểu đồ ứng suất dạng tam giác. Các thành phần nội lực M sinh ra ứng suất pháp  và Q sinh ra ứng suất tiếp T .  Giai đoạn có biến dạng dẻo: Tiếp tục tăng P, do tính chất “thềm chảy” nên dù biến dạng tăng, ứng suất các thớ biên vẫn không tăng, chỉ có ứng suất các thớ bên trong tiếp tục tăng và đạt giới hạn chảy, vùng dẻo lan dần vào các thớ trong. Khi toàn bộ tiết diện đạt giới hạn chảy  = c, biểu đồ ứng suất có dạng hình chữ nhật (II). Tại tiết diện đặt lực P xuất hiện “khớp dẻo” làm hai phần dằầm có thể xoay được. Ở trạng thái này, toàn bộ tiết diện dầm làm việc trong giới hạn dẻo. Momen đạt giá trị giới hạn và không tăng được nữa, dầm bị phá hoại. 3) Các hiện tượng phá hoại Sự phá hoại của thép khi làm việc có 2 loại: - Phá hoại dẻo: Phá hoại khi biến dạng lớn, xảy ra do sự trượt của các phần tử khi ngoại lực tác dụng lớn hơn lực chống trượt giữa chúng. - Phá hoai giòn: Phá hoại khi biến dạng còn nhỏ, đột ngột và kèm theo vết nứt do các phần tử tách rời nhau khi lức tương tác giữa chúng mất đi  Nguy hiểm hơn nhiều so với phá hoại giòn. Nhóm 2 – Vật liệu thép Trang 10 Tiểu luận vật liệu XD GVHD: Cô Nguyễn Thanh Bảo Nghi Thép luôn có lực chống trượt nhỏ hơn lực kéo đứt nên bình thường thép chỉ có thể bị phá hoại dẻo (mất khả năng chịu lực do biến dạng quá lớn). Trong những điều kiện đặc biệt (thép bị lão hóa, biến cứng, chịu ứng suất cục bộ, chịu tải trọng lặp…) thép mới bị phá hoại giòn (đứt gãy, sụp đổ…) rất nguy hiểm. - V. Các phương pháp sản xuất thép Nguyên tắc sản xuất thép là giảm hàm lượng các tạp chất C, Si, S, P, Mn,… có trong gang bằng cách oxi hóa các tạp chất đó thành oxit rồi biến thành xỉ và tách ra khỏi thép. Thép được sản xuất chủ yếu bằng các phương pháp sau: phương pháp lò Bessemer, phương pháp lò Martin, phương pháp lò điện, v.v… 1) Phương pháp Bessemer Trong phương pháp này gang lỏng được. đổ vào một lò có hình vỏ trứng, và sẽ được đốt nóng bởi dòng không khí thổi từ đáy lò. Lúc này, quá trình oxi hóa các tạp chất bắt đầu diễn ra, nhiệt độ mẻ thép cũng bắt đầu tăng. Do vậy, tùy thuộc vào thành phần và nhiệt độ gang lỏng có thể dùng đến 2% silic nếu là quy trình acid và 1,5 – 2% phospho nếu là quy trình basic để duy trì nhiệt độ. Quá trình thổi khí khi tinh luyện sẽ tạo ra ngọn lữa trên miệng lò kéo dài khoảng 25 phút – điều này gây khó khăn cho việc kiểm soát thành phần và chất lượng thép. Lò Bessemer có thể chuyển động theo trục nằm ngang, nén khí, không khí với áp suất cao. Các phản ứng kết thúc trong vòng 15 phút Các lò chuyển thường có năng suất từ 15 đến 25 ton/mẻ. Phương pháp này cung cấp thép giá thành rẻ dùng trong đóng tàu và kết cấu thép. Nhóm 2 – Vật liệu thép Trang 11 Tiểu luận vật liệu XD GVHD: Cô Nguyễn Thanh Bảo Nghi 2) Phương pháp Martin Nạp vào lò: gang, thép phế liệu, chất chảy. Đốt lò bằng dầu mazut hoặc khí đốt, không khí giàu oxi, nhiệt độ 17000C. Khi đó, trong lò sẽ xảy ra các phản ứng: Fe2O3 + 3C  2Fe + 3CO Phương pháp này thường cho năng suất từ 100 – 200 ton/mê. Thời gian luyện thép mỗi mẻ thường dài (10 – 12 giờ). 3) Phương pháp lò điện Phương pháp này dùng hồ quang cháy giữa các điện cực carbon và phôi để làm nóng chảy phôi liệu. Thường được dùng để tái chế thép từ các phế liệu hoặc phôi thép đã được luyện thô, “đánh xỉ” theo qui trình basic, mục đích chính là khử phospho. Xỉ được loại bỏ nhờ quay nghiêng lò, sau đó các hợp chất đá vôi được đưa vào để loại lưu huỳnh và khử oxi mẻ luyện. Nhờ đó có thể kéo dài thời gian nóng chảy và “đánh xỉ” nên các khí hòa tan và tạp chất được loại bỏ triệt để hơn, kết quả là mẻ thép sạch và có chất lượng cao hơn. Phương pháp này thường dùng để luyện các mác thép hợp kim chất lượng cao như thép inox, thép bền nhiệt (heat resisting steels) và thép dụng cụ (thép gió – high speed steel), v.v… Phương pháp Phương pháp Phương pháp Phương pháp Ưu/Nhược Bessemer Martin lò điện - Thời gian luyện - Luyện được thép thép nhanh (15’). có chất lượng cao, - Luyện được những - Thiết bị đơn giản, thành phần như mong loại thép đặc biệt. Ưu điểm vốn đầu tư ít. muốn. - Chất lượng thép - Không cần nhiên - Khối lượng mỗi mẻ cao. liệu. lớn (100 – 200 ton). - Thời gian luyện - Không luyện được dài, tốn nhiên liệu. thép có thành phần - Chưa điều chế Dung tích nhỏ. Khối như mong muốn. Nhược điểm được những thép hợp lượng mỗi mẻ thép - Chất lượng thép kim chứa kim loại không lớn. không cao (giòn do khó nóng chảy (Mo, có hòa tan N, O). W, Cr,…). Nhóm 2 – Vật liệu thép Trang 12 Tiểu luận vật liệu XD GVHD: Cô Nguyễn Thanh Bảo Nghi VI. Ứng dụng của thép 1) Thép không gỉ (Inox) Inox hay thép không rỉ là một dạng hợp kim thép được tổng hợp từ các loại kim loại màu có khả năng chịu mài mòn, chống oxi hóa rất cao nên được ứng dụng khá rộng rãi trong đời sống hiện nay. Đặc tính của inox là không nhiễm từ, mềm dẻo, dễ uốn và dễ gia công nên inox có thể tạo ra những vật dụng mang tính thẩm mỹ cao. Đó cũng chính là lý do inox được ứng dụng trong hầu hết các ngành dân dụng và công nghiệp. a) Trong dân dụng Khi đời sống con người ngày càng được nâng cao, nguyên vật liệu inox sẽ thay thế dần vật liệu thép đen và ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực dân dụng: - Thiết bị vật tư y tế - Vật liệu trang trí nội thất cho các nhà hàng, khách sạn, ga tàu, bến xe và nơi công cộng… - Làm đồ gia dụng như phụ kiện nhà bếp, bồn chứa nước, lò nướng, bếp ga, bếp công nghiệp, dụng cụ nhà bếp, thiết bị khử mùi, thiết bị vệ sinh, v.v… b) Trong công nghiệp Trong công nghiệp, inox có tên gọi kỹ thuật là “thép không gỉ”. Thép không gỉ được sử dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp, cả công nghiệp nặng và công nghiệp nhẹ.  Công nghiệp nặng: - Công nghiệp đóng tàu, công nghiệp dầu khí (đường khí dẫn dầu và khí ga công nghiệp), công nghiệp luyện clanke ở các nhà máy xi măng. - Các công trình thủy điện, các nhà máy hóa chất.  Công nghiệp nhẹ: - Phục vụ các ngành hóa thực phẩm như: Các nhà máy đồ hộp, nhà máy bia, nhà máy hóa chất… - Nhà máy chế biến thủy sản đông lạnh. - Hiện nay, theo nghiên cứu của các nhà khoa học, vật liệu inox cuộn bề mặt có độ bóng BA còn dùng để cán sóng thay thế cho tôn lợp. Vật liệu này có tác dụng phản quang, hắt nhiệt lên không trung làm giảm nhiệt độ trong các nhà xưởng ở các khu công nghiệp và các mái nhà dân dụng. Tùy theo vị trí địa hình để tạo ra góc lợp, độ dốc của mái làm phản quang lại ánh sáng mặt trời. Đây là phát minh mới nhất của các nhà khoa học cho nguyên vật liệu thép không gỉ. Nhóm 2 – Vật liệu thép Ống dẫn bằng inox Trang 13 Tiểu luận vật liệu XD GVHD: Cô Nguyễn Thanh Bảo Nghi 2) Thép silic Thép silic được sử dụng rộng rãi trong ngành chế tạo máy điện, như các động cơ điện, máy biến áp… Trong kỹ thuật dùng rất nhiều các thép silic với lượng cacbon rất thấp (mà thực chất là hợp kim sắt – silic vì hầu như không chứa cacbon) để làm nam châm điện, lõi máy biến áp và stato máy điện… 3) Thép cacbon - Các thép có hàm lượng carbon thấp (≤ 0,25%) nói chung dẻo, mềm và độ bền, độ cứng thấp, hiệu quả hóa bền bằng nhiệt luyện như tôi và ram không cao, nên chúng được dùng chủ yếu làm các chi tiết cần qua dập nguội (là những sản phẩm cần độ dẻo cao và không cần qua nhiệt luyện) và làm các kết cấu xây dựng. Muốn tăng hiệu qủa của nhiệt luyện của các thép này cần phải qua thấm carbon lớp bề mặt. - Các thép với hàm lượng carbon trung bình (0,3 – 0,5%) có cơ tính tổng hợp cao vì có sự hài hòa giữa độ bền, độ cứng, độ dẻo và độ dai. Các thép này thường được dùng làm các vật liệu kết cấu như các chi tiết chịu tải trọng tĩnh và va đập cao như trục truyền lực, bánh răng,… - Các thép có hàm lượng carbon tương đối cao (0,55 – 0,7%) có độ cứng cao và giới hạn đàn hồi cao nhất nên thường được sử dụng làm các chi tiết đàn hồi như lò xo, nhíp. - Các thép có hàm lượng carbon cao (≥ 0,7%) có độ cứng và tính chống mài mòn cao, nên thường được dùng làm dụng cụ cắt gọt, dụng cụ đo, khuôn dập nguội,… - Chú ý rằng, ngoài ảnh hưởng đến cơ tính, carbon coi ảnh hưởng đến một số tính chất hóa lý của thép. Chẳng hạn khi hàm lượng carbon tăng, mật độ (khối lượng riêng γ) cùng độ từ thẩm (µ) và khả năng chống ăn mòn của thép giảm đi còn điện trở (ρ) và lực khử từ (Hc) lại tăng lên. VII. Bảo quản thép Thép là vật liệu dễ bị ăn mòn do các tác dụng vật lý, hóa học của môi trường. Do đó phải được bảo quản ở nơi khô ráo, tránh đặt trên nền đất. Kho chứa thép phải cao ráo, thoáng, không dột, không hắt mưa. Thép trong kho phải xếp riêng từng loại. Thép thanh được bó thành từng bó xếp trên các giá đỡ. Thép sợi được cuộn thành cuộn. Thép lưới được cuộn hoặc để phẳng. Khi sử dụng thép phải sử dụng đúng loại, làm sạch gỉ, dầu, mỡ (nếu có). Trong quá trình sử dụng, thép là loại vật liệu dễ bị ăn mòn, dạng ăn mòn phổ biến là ăn mòn hoá học và ăn mòn điện hoá. Để bảo vệ vật liệu thép cho kết cấu có thể áp dụng một Nhóm 2 – Vật liệu thép Trang 14 Tiểu luận vật liệu XD GVHD: Cô Nguyễn Thanh Bảo Nghi số biện pháp sau: - Cách ly kim loại với môi trường bằng các lớp sơn chống gỉ, trong một số trường hợp đặc biệt có thể dùng các lớp sơn phủ phi kim loại (men, thuỷ tinh, chất dẻo) hoặc các lớp phủ kim loại (mạ kẽm) ngay từ khi sản xuất. - Cốt thép trong bê tông được bảo vệ khi chúng được bao bọc bằng lớp bê tông bảo vệ đặc chắc, dày, không nứt nẻ. Trong một số trường hợp cần làm tăng tính chống thấm cho lớp bê tông bảo vệ (tăng độ đặc chắc, sơn bê tông). Chúng cũng có thể được phủ bằng lớp phủ hữu cơ hoặc lớp phủ kim loại (mạ kẽm) ngay từ khi sản xuất. - Đối với cốt thép ứng suất trước có thể bảo vệ bằng vữa lỏng phun hoặc bằng mỡ được đổ vào ngay từ lúc sản xuất cốt thép. Trong những năm gần đây người ta dùng phương pháp mới bảo vệ kim loại khá hiệu quả: phương pháp sử dụng “chất cản” – cho vào môi trường để tạo nên màng chống ăn mỏng trên bề mặt kim loại. Thí dụ có thể dùng dầu Natri hoặc K2CrO2, Na2CO3 làm chất cản hoà tan vào nước. VIII. Các loại thép 1) Thép không gỉ (Inox)  Nguồn gốc: - Thép không gỉ là thuật ngữ chung dùng để chỉ tất cả những loại thép không bị gỉ có khả năng chống ăn mòn và chứa ít nhất 10,5% Crôm. Thép không gỉ gắn liền với tên tuổi của một chuyên gia ngành thép người Anh là ông Harry Brearley. Khi vào năm 1913, ông đã sáng chế ra một loại thép đặc biệt có khả năng chịu mài mòn cao, bằng việc giảm hàm lượng carbon xuống và cho Crôm vào trong thành phần thép (0.24% C và 12.8% Cr). Harry Brearley (1872-1948) Nhóm 2 – Vật liệu thép Trang 15 Tiểu luận vật liệu XD GVHD: Cô Nguyễn Thanh Bảo Nghi  Bí ẩn tại sao thép lại không gỉ: - Hầu như tất cả mọi kim loại đều tạo ra phản ứng với oxi trong không khí và tạo nên một lớp màng mỏng oxi trên bề mặt. Quá trình oxi hoá diễn ra trên bề mặt các loại thép thông thường sẽ làm chúng bị gỉ. Tuy nhiên, do thép không gỉ chứa ít nhất 10,5% Crôm nên có sự khác biệt trong đặc tính của loại oxít này. Với thép không gỉ, lớp màng mỏng và vô hình chứa Crôm (hay còn gọi là “lớp màng bị động”) có vai trò như một lớp bảo vệ có tác dụng chống lại sự ăn mòn, nó có khả năng tự phục hồi trong trường hợp bề mặt kim loại bị tác động. - Trong môi trường luôn tồn tại quá trình oxi hoá, một lớp màng bảo vệ bằng oxít crôm (như “lớp màng bị động”) sẽ tự động hình thành trên bề mặt thép không gỉ. - Khi bề mặt thép không gỉ bị trầy xước, hư hại hoặc được gia công bằng máy, lớp màng bảo vệ này sẽ mất đi làm cho bề mặt thép tiếp xúc trực tiếp với môi trường. Lớp màng bảo vệ này sẽ tự động hình thành khi xuất hiện oxi.  Phân loại: Có bốn loại thép không gỉ chính: - Austenitic là loại thép không gỉ thông dụng nhất. Thuộc dòng này có thể kể ra các mác thép SUS 301, 304, 304L, 316, 316L, 321, 310s… Loại này có chứa tối thiểu 7% niken, 16% Crôm, carbon (C) 0.08% max. Thành phần như vậy tạo ra cho loại thép này có khả năng chịu ăn mòn cao trong phạm vi nhiệt độ khá rộng, không bị nhiễm từ, mềm dẻo, dễ uốn, dễ hàn. Loại thép này được sử dụng nhiều để làm đồ gia dụng, bình chứa, ống công nghiệp, tàu thuyền công nghiệp, vỏ ngoài kiến trúc, các công trình xây dựng khác… - Ferritic là loại thép không gỉ có tính chất cơ lý tương tự thép mềm, nhưng có khả năng chịu ăn mòn cao hơn thép mềm (thép carbon thấp). Thuộc dòng này có thể kể ra các mác thép SUS 430, 410, 409… Loại này có chứa khoảng 12% – 17% crôm. Loại này, với 12% Cr thường được ứng dụng nhiều trong kiến trúc. Loại có chứa khoảng 17% Cr được sử dụng để làm đồ gia dụng, nồi hơi, máy giặt, các kiến trúc trong nhà… - Austenitic-Ferritic (Duplex) là loại thép có tính chất “ở giữa” loại Ferritic và Austenitic có tên gọi chung là DUPLEX. Thuộc dòng này có thể kể ra LDX 2101, SAF 2304, 2205, 253MA. Loại thép duplex có chứa thành phần Ni ít hơn nhiều so với loại Austenitic. Nhóm 2 – Vật liệu thép Trang 16 Tiểu luận vật liệu XD GVHD: Cô Nguyễn Thanh Bảo Nghi DUPLEX có đặc tính tiêu biểu là độ bền chịu lực cao và độ mềm dẻo được sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp hoá dầu, sản xuất giấy, bột giấy, chế tạo tàu biển… Trong tình hình giá thép không gỉ leo thang do ni ken khan hiếm thì dòng DUPLEX đang ngày càng được ứng dụng nhiều hơn để thay thế cho một số mác thép thuộc dòng thép Austenitic như SUS 304, 304L, 316, 316L, 310s… - Martensitic Loại này chứa khoảng 11% đến 13% Cr, có độ bền chịu lực và độ cứng tốt, chịu ăn mòn ở mức độ tương đối. Được sử dụng nhiều để chế tạo cánh tuabin, lưỡi dao…  Các đặc tính của nhóm thép không gỉ – Inox: Tốc độ hóa bền rèn cao. - Độ dẻo cao hơn. - Độ cứng và độ bền cao hơn. - Độ bền nóng cao hơn. - Chống chịu ăn mòn cao hơn. - Độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp tốt hơn. - Phản ứng từ kém hơn (chỉ với thép không gỉ austenit). - Các cơ tính đó thực ra đúng cho họ thép không gỉ austenit và có thể thay đổi khá nhiều đối với các mác thép không gỉ và họ thép không gỉ khác. Các cơ tính đó liên quan đến các lĩnh vực ứng dụng thép không gỉ, nhưng cũng chịu ảnh hưởng của thiết bị và phương pháp chế tạo. - Bảng 1 (Phần A). Tính chất so sánh của họ thép không gỉ - inox nhóm hợp kim Từ tính 1 Tốc độ hoá bền rèn Chịu ăn mòn 2 Khả năng hoá bền Austenit Không Rất cao Cao Rèn nguội Duplex Có Trung bình Rất cao Không Ferrit Có Trung bình Trung bình Không Martensit Có Trung bình Trung bình Tôi và Ram Hoá bền tiết pha Có Trung bình Trung bình Hoá già (1)- Sức hút của nam châm đối với thép không gỉ. Chú ý, một số mác thép không gỉ bị nam châm hút khi đã qua rèn nguội. (2)- Biến động đáng kể giữa các mác thép không gỉ trong mỗi nhóm, ví dụ các mác không gia được có tính chịu ăn mòn thấp hơn, khi có Mo cao hơn sẽ có tính kháng cao hơn. Bảng 1 (Phàn B). Cơ tính so sánh của họ thép không gỉ. - inox Nhóm hợp kim Tính dẻo Làm việc ở nhiệt độ cao Làm việc ở nhiệt độ thấp3 Tính hàn Austenit Rất cao Duplex Rất cao Rât tốt Rất cao Trung bình Thấp Trung bình Cao Ferrit Trung bình Cao Thấp Thấp Martensit Thấp Thấp Thấp Thấp Hoá bền tiết pha Trung bình Thấp Thấp Cao (3)- Đo bằng độ dẻo dai hoặc độ dẻo ở gần 0 °C. Thép không gỉ Austenit giữ được độ dẻo ở nhiệt độ thấp. Nhóm 2 – Vật liệu thép Trang 17 Tiểu luận vật liệu XD GVHD: Cô Nguyễn Thanh Bảo Nghi 2) Ứng dụng của các loại thép không gỉ Thép không gỉ được sử dụng phổ biến và rộng rãi mang lại những tính năng mà không một kim loại nào có thể có đáp ứng được, như khả năng chống ăn mòn, dễ dàng hàn hoặc tạo hình, chi phí bảo dưỡng thấp và khả năng tái chế. Chính điều đó làm cho thép không gỉ trở thành vật liệu lý tưởng để sản xuất hàng loạt các sản phẩm quan trọng trong đời sống hàng ngày từ thiết bị công nghiệp đến các sản phẩm đồ gia dụng, dường như bất cứ sản phẩm nào sản xuất ra cũng có thể sử dụng loại vật liệu đa năng này. - Đồ dùng nhà bếp: Thép không gỉ, đặc biệt là loại Austenitic 304 BA từ lâu đã được công nhận là loại vật liệu sạch, bền, đẹp mắt và dễ bảo dưỡng, phù hợp để sản xuất các loại dao kéo, đĩa, bát sáng bóng. - Thiết bị gia dụng: Vì thép không gỉ loại Austenitic có khả năng chống gỉ và không bị phá huỷ bởi axít hay muối cho nên nó là lựa chọn lý tưởng cho các nhà sản xuất đồ gia dụng như bồn rửa,Thiết bị vệ sinh, máy rửa bát, máy giặt, máy chế biến thực phẩm, lò nướng, bếp ga, thùng nước… - Công nghiệp xây dựng: Thép không gỉ đặc biệt là các sản phẩm ủ bóng (BA) được sử dụng rộng rãi trong kiến trúc. Chính bề mặt bóng gương, bóng mờ với chi phí thấp đã làm cho nhiều kiến trúc sư đương đại quyết định sử dụng thép không gỉ trong các thiết kế của mình. Bạn có thể nhận thấy thép không gỉ được sử dụng rất nhiều tại hành lang các các khách sạn, trung tâm mua sắm, khu liên hợp thương mại, trạm xe buýt, trạm điện thoại công cộng… Nhóm 2 – Vật liệu thép Trang 18 Tiểu luận vật liệu XD GVHD: Cô Nguyễn Thanh Bảo Nghi - Các vật dụng trang trí, nghệ thuật và đồ trang sức: Chính bề mặt sạch và bóng đẹp của thép không gỉ làm cho nó trở thành một vật liệu tuyệt vời để các nghệ sĩ và các nhà trang trí ngày nay sáng tạo ra những tác phẩm nghệ thuật, từ những công trình kiến trúc công cộng như các tác phẩm điêu khắc, các bức tượng cho tới những vòi nước để trang trí, đồ trang sức như dây chuyền, đồng hồ. Thép không gỉ trong những ứng dụng này chủ yếu là ferrtic vì chúng có khả năng chịu uốn và hàn tốt hơn. - Các sản phẩm khác: Thép không gỉ - cả austenitic và ferritic - rất an toàn và bền cho nên chúng cũng thường được sử dụng để sản xuất nhiều đồ chơi, vật dụng cho vật nuôi và những đồ trang trí thông thường khác. 3) Thép Silic a) Khái niệm Thép silic (hay còn gọi là thép kỹ thuật điện) là loại thép có chứa nguyên tố silic trong thành phần và thường được sử dụng rộng rãi trong ngành chế tạo máy điện như động cơ điện, máy biến áp… b) Đặc tính - Thép silic còn có tên gọi khác là tôn silic, thép kỹ thuật điện, thép điện từ, là thép chuyên dụng có tính năng từ tính cao, có tính trễ từ thấp và tính thấm từ rất cao. Nhóm 2 – Vật liệu thép Trang 19 Tiểu luận vật liệu XD GVHD: Cô Nguyễn Thanh Bảo Nghi - Thép silic thuộc loại hợp kim từ mềm (phân biệt với hợp kim từ cứng dùng chế tạo các nam châm vĩnh cửu) c) Thành phần - Hàm lượng carbon giới hạn 0,01 ÷ 0,1%. - Các tạp chất đủ nhỏ để đảm bảo tổ chức ferit. - Nguyên tố hợp kim chủ yếu: Silic (là nguyên tố mở rộng vùng α), khi hoà tan vào ferit nó nâng cao điện trở của pha này và làm giảm tổn thất dòng Foucault, ngoài ra Si còn tác dụng tăng độ từ thẩm và giảm lực khử từ, giá trị cảm ứng bão hoà lớn. - Hàm lượng Si không nên vượt quá 4%, bởi lớn hơn nữa có thể làm thép quá giòn. Tuy nhiên để làm lõi máy biên áp, stato máy điện có thể lấy hàm lượng Si ở giới hạn trên (3,8 ÷ 4,4%) bởi các chi tiết này làm việc ở chế độ tĩnh, ít bị biến động gây phá huỷ giòn. d) Chế tạo Thường được sản xuất bằng phương pháp cán nguội thành dạng tấm có chiều dày nhỏ hơn 2mm. Khi cán với các loại thép có textua cao phải lưu ý phương cán trùng với đường trục của lõi máy biến áp để đảm bảo giảm tổn thất riêng, do đó giảm được khối lượng và kích thước. Ví dụ: Dùng thép textua làm máy biến áp mạnh có thể giảm 20 - 25% khối lượng, biến áp rađiô giảm tới 40%. Để đạt được độ textua cao, thép phải qua quá trình gia công phức tạp bao gồm: cán nóng, cán nguội lần I, ủ, cán nguội lần II, ủ kết tinh lại và cuối cùng là ủ kết thúc ở nhiệt độ cao. Sau khi gia công như vậy thép sẽ có từ tính cao dọc theo phương cán. e) Phân loại Có 2 loại phổ biến là: - Thép silic không định hướng là loại thép có hướng tinh thể không trùng hướng cán; - Thép sillic định hướng là loại thép có hướng của các hạt tinh thể trùng với hướng cán và được gọi là cạnh vân (nguyên nhân là do khi cán lạnh làm cho vật liệu bị nén rất mạnh xuất hiện biến dạng và gây ra định hướng hạt tinh thể).  Định hướng thông thường;  Định hướng cao;  Định hướng laser. f) Thép cuộn Silic không định hướng cán nguội Thép cuộn silic không định hướng cán nguội, hay còn được gọi là thép cuộn kỹ thuật điện, chứa 0.5% đến 3.0% silic. Thép cuộn kỹ thuật điện với độ dày 0.5mm được tạo thành qua việc cán lạnh cuộn nóng dày từ 2 đến 3mm và được tẩy rửa hóa học bằng axit. Sản phẩm dược chế tạo từ bộ thiết bị tiên tiến. Do đó, sản phẩm của chúng tôi có bề mặt nhẵn bóng và độ dày tiêu chuẩn. Khi được ứng dụng cho động cơ và máy biến thế, nó không chỉ giúp tiết kiệm điện mà còn kéo dài tuổi thọ của máy và đơn giản thiết bị làm lạnh. Nếu động cơ và máy biến thế có điện áp không đổi, nó cần ít thép silic hơn, do đó tiết kiệm được chi phí sản xuất. Ngoài ra, với đặc tính từ tính cao, thép cuộn sẽ giảm được sự mất mát từ tính. Nhóm 2 – Vật liệu thép Trang 20