10 Nguyên tố hóa học quan trọng nhất quyết định tính chất của thép

Thép là hợp kim với thành phần chính là sắt (Fe) và Carbon (C) từ 0.02% đến 2.14% theo khối lượng cùng với một số nguyên tố hóa học khác.

Cacbon làm tăng độ cứng và hạn chế sự di chuyển của các phân tử sắt trong mạng tinh thể. Dưới tác động của nhiều nguyên nhân khác nhau. Số lượng khác nhau của các nguyên tố và số lượng của chúng trong thép nhằm mục đích kiểm soát các mục tiêu chất lượng như độ cứng, độ đàn hồi, tính dễ uốn, sức bền kéo đứt. Thép với hàm lượng carbon cao có thể làm tăng độ cứng và lực kéo đứt so với sắt, nhưng lại dòn và dễ gãy hơn.

Tỷ lệ hòa tan tối đa của carbon trong sắt là 2.14% theo trọng lượng xảy ra ở nhiệt độ 1147 độ C. Nếu lượng Carbon cao hơn hay nhiệt độ hòa tan thấp hơn trong quá trình sản xuất sẽ làm giảm cường độ thép. Pha trộn với Carbon cao hơn 2.01% sẽ được gang. Thép cũng được phân biệt với sắt rèn. Vì sắt rèn có rất ít hoặc không có carbon, thường là ít hơn 0.035%. Ngày nay có một số loại thép mà trong đó Cacbon được thay thế bằng một số nguyên tố khác, hoặc cacbon nếu có cũng có hàm lượng nhỏ.

Thép được chế tạo bằng nhiều nhóm hợp kim khác nhau, tùy theo thành phần hóa học của các nguyên tố cho vào mà cho ra các sản phẩm phù hợp với yêu cầu công nghệ của chúng. Thép cacbon gồm có hai nguyên tố chính là sắt và cacbon, Chiếm 90% tỷ trọng các loại thép được sản xuất trên thế giới. Thép hợp kim thấp có độ bền cao được bổ sung thêm các nguyên tố khác như Mn, Cr, Ni đồng thời cũng làm giá thành thép tăng thêm. Các loại thép không gỉ (inox, SUS) có ít nhất 10% Crom, trong nhiều trường hợp có kết hợp với 10% Niken, nhằm mục đích chống lại sự ăn mòn.

Ảnh hưởng của Carbon đến độ bền của thép

Đây là nguyên tố quan trọng nhất, quyết định đến tổ chức và tính chất của thép cacbon (và cả đối với thép hợp kim). Sự thay đổi hàm lượng cacbon ảnh hưởng đến các tính chất cơ lý của thép gồm giới hạn bền, độ cứng, độ giãn dài, độ thắt tỷ đối, độ dai và va đập. Khi hàm lượng cacbon tăng độ cứng và độ bền của thép tăng lên đồng thời độ dẻo, độ dai của thép lại giảm. Tuy nhiên, độ bền của thép chỉ tăng lên và đạt tới giá trị cực đại, khi hàm lượng cacbon tăng lên tới khoảng 0.8% đến 1%, vượt quá giới hạn này độ bền của thép sẽ giảm đi.

Ảnh hưởng của Mangan đến độ bền của thép

Mangan có ảnh hưởng tốt đến cơ tính, khi hòa tan nó vào ferit nó nâng lên độ bền và độ cứng của pha này, do vậy làm tăng cơ tính của thép. Song lượng cacbon cao nhất trong thép carbon cũng chỉ nằm trong giới hạn 0.5% đến 0.8%. Nên ảnh hưởng này không quan trọng. Mn còn làm giảm tác hại của lưu huỳnh.

Ảnh hưởng của Silic (Si) đến độ bền của thép

Giống như Mn, Si hòa tan bào ferit cũng làm tăng độ bền và độ cứng của pha này, tuy nhiên hàm lượng của Si trong thép là nhỏ 0.2% đến 0.4% nên tác dụng này không rõ rệt.

Ảnh hưởng của photpho (P) đến độ bền của thép

Photpho là nguyên tố gây dòn nguội và bở nguội, chỉ cần có 0.1%P hòa tan, ferit cũng trở nên giòn. Song photpho là nguyên tố thiên tích (phân bố không đồng đều) rất mạnh, nên để tránh cho thép bị giòn hàm lượng P không được vượt quá 0.05%.

Ảnh hưởng của lưu huỳnh (S) đến độ bền của thép

Khác với phôtpho, lưu huỳnh hoàn toàn không hòa tan trong Fe (cả Feα lẫn Feγ) mà tạo nên hợp chất FeS. Cùng tinh (Fe + FeS) tạo thành ở nhiệt độ thấp (988oC), kết tinh sau cùng do đó nằm ở biên giới hạt; khi nung thép lên để cán, kéo (thường ở 1100 – 1200oC) biên giới bị chảy ra làm thép dễ bị đứt, gãy như là thép rất giòn. Người ta gọi hiện tượng này là giòn nóng hay bở nóng.

Khi đưa mangan vào, do có ái lực với lưu huỳnh mạnh hơn sắt nên thay vì FeS sẽ tạo nên MnS. Pha này kết tinh ở nhiệt độ cao, 1620oC, dưới dạng các hạt nhỏ rời rạc và ở nhiệt độ cao có tính dẻo nhất định nên không bị chảy hoặc đứt, gãy. Sunfua mangan cũng có lợi cho gia công cắt.

Ảnh hưởng của Crom (Cr) đến độ bền của thép

Bản chất trơ của thép không gỉ được giải thích là nhờ crom là nguyên tố phản ứng cao. Nhờ có Crom mà thép không gỉ chịu được tác nhân mài mòn và oxi hóa. Một khi hàm lượng Cr ở mức tối thiểu 10.5% thì sẽ hình thành lớp mặt không tan bám chặt hình thành ngăn chặn sự khuếch tán oxi trên bề mặt chống oxi hóa sắt, mức crom càng cao thì mức chống gỉ càng cao

Ảnh hưởng của Niken (Ni) đến độ bền của thép

Sự có mặt của niken hình thành cấu trúc austenite làm cho mác thép này có độ bền và tính dai, ngay cả ở nhiệt độ hỗn hợp làm nguội. Niken cũng là chất không từ tính. Trong khi vai trò của niken không có ảnh hưởng trực tiếp đến lớp trơ trên bề mặt, Ni cải thiện đáng kể khả năng chịu acid.

Ảnh hưởng của Molybden (Mo) đến độ bền của thép

Chất phụ gia Molybden khi thêm vào thép Cr-Fe-Ni sẽ tăng tính chống mòn lỗ cục bộ và chống mòn kẽ nứt tốt hơn. Molybden chống tác động thiệt clorua. Lượng Molybden càng cao thì mức chịu clorua càng cao.

Ảnh hưởng của Đồng (Cu) đến độ bền của thép

Với hàm lượng nhỏ (0.3% – 0.8%) có tác dụng làm tăng thêm độ bền, độ dẻo, độ dai, va đập và chống ăn mòn của thép. Đồng không làm ảnh hưởng đến tính hàn của thép.

Ảnh hưởng của Nito (N) đến độ bền của thép

Các loại thép không gỉ, N làm tăng sự tấn công ăn mòn lỗ chỗ cục bộ và sự ăn mòn giữa các hạt. Khi hàm lượng Carbon thấp sẽ làm giảm sức bền, Chất phụ gia Nito giúp làm tăng sức bền như mác thép chuẩn.