164
Phần III vật liệu kim loại

Chương 5

thép và gang

Các hợp kim trên cơ sở của sắt chiếm tỷ lệ áp đảo trong vật liệu kim loại, có
tỷ lệ lớn trong vật liệu nói chung và được dùng rất phổ biến trong kỹ thuật cũng
như trong đời sống, làm các chi tiết quan trọng với yêu cầu kỹ thuật cao. Trong số
các hợp kim của sắt trong chương này chỉ đề cập đến hợp kim Fe-C tức thép và
gang, là loại rất thường gặp với nhiều chủng loại đa dạng thích ứng với rất nhiều
mục đích sử dụng khác nhau. Sẽ lần lượt trình bày các nhóm thép và gang.
Thép là loại vật liệu kim loại có cơ tính tổng hợp cao, có thể chịu tải trọng
rất nặng và phức tạp, đó là vật liệu chế tạo máy thông dụng, chủ yếu và quan trọng
nhất. Hầu như mọi thép đều có thể áp dụng nhiệt luyện và hóa - nhiệt luyện để
thay đổi cơ tính theo hướng mong muốn. Do có khả năng biến dạng dẻo tốt, trong
công nghiệp thép được cung cấp dưới dạng các bán thành phẩm: dây, sợi, thanh,
tấm, lá, băng, ống, góc, và các dạng hình khác nhau rất tiện cho sử dụng. Ngoài
khả năng biến dạng dẻo một số nhóm thép còn có tính hàn tốt, rất tiện sử dụng
trong xây dựng. Tính đúc của thép nói chung không cao song một số mác có thể
tiến hành đúc thành các sản phẩm định hình tương đối phức tạp. Do những ưu
điểm như vậy thép được coi là vật liệu xương sống của công nghiệp.
Cần chú ý là thép là loại vật liệu kim loại với nhiều nhóm có tính chất, công
dụng rất khác nhau, do đó phải nắm vững tính chất, tác dụng của cacbon và từng
nguyên tố, cũng như từng nhóm, phân nhóm, mác điển hình.
Theo thành phần hóa học có hai loại thép: cacbon và hợp kim. Trước tiên
hy phân biệt, so sánh các đặc tính cơ bản của hai loại thép chính này.
5.1.

Khái niệm về thép cacbon và thép hợp kim

đi vào gang rồi vào thép,
- khi luyện thép phải dùng ferô mangan và ferô silic để khử ôxy, phần không
tác dụng hết với ôxy sẽ đi vào thành phần của thép {ferô là loại hợp kim trung
gian, dễ luyện vì có nhiệt độ chảy tương đối thấp, là nguyên liệu để pha chế, sử
dụng trong quá trình luyện kim; nó chứa sắt, cacbon (> 1%) và lượng lớn nguyên
tố hợp kim tương ứng. Ví dụ ferô mangan 80 là loại có khoảng 80%Mn}.
Trong các điều kiện thông thường của quá trình luyện, các thép đều có chứa
0,80%Mn, 0,40%Si. Chúng là các nguyên tố có ích, có tác dụng tốt đến cơ
tính: nâng cao độ cứng, độ bền (cũng làm giảm độ dẻo, độ dai), song với lượng ít
như vậy không có ảnh hưởng đáng kể đến cơ tính của thép cacbon.
Tạp chất có hại: phôtpho và lưu huỳnh

Hai nguyên tố này đi vào thành phần của gang và thép qua con đường quặng
sắt và nhiên liệu (than coke khi luyện gang). Chúng làm thép giòn do đó phải được
khử bỏ đến giới hạn cho phép, song thông thường cao nhất cũng không được vượt
quá 0,05% cho mỗi nguyên tố.
Vậy thép nào ngoài sắt ra cũng đều có chứa:
C



2,14%, Mn



0,80%, Si



0,40%, P

Song dù như vậy người ta vẫn chỉ coi chúng là tạp chất (chất lẫn vào) vì:
- không cố ý đưa vào,
- với lượng ít như vậy, chúng không có ảnh hưởng đáng kể đến tổ chức và cơ
tính của hợp kim Fe - C, về cơ bản thép tạo thành có tổ chức phù hợp với giản đồ
pha Fe - C.
Sau đây xét ảnh hưởng của năm nguyên tố thường gặp nhất trong thép
cacbon.

b.

ả
nh hưởng của cacbon đến tổ chức, tính chất và công dụng
của thép thường
166

Tuy là nguyên tố hóa học rất bình thường song có thể nói cacbon là nguyên
tố quan trọng nhất, quyết định chủ yếu đến tổ chức, tính chất (cơ tính), công dụng
của thép (cả thép cacbon lẫn thép hợp kim thấp).
Tổ chức tế vi

Như thấy rõ từ giản đồ pha Fe-C, khi hàm lượng cacbon tăng lên tỷ lệ
xêmentit là pha giòn trong tổ chức cũng tăng lên tương ứng (cứ thêm 0,10%C sẽ
tăng thêm 1,50% xêmentit) do đó làm thay đổi tổ chức tế vi ở trạng thái cân bằng
(ủ).
- C 0,05% - thép có tổ chức thuần ferit (hình 3.19a), coi như sắt nguyên
chất.
- C = 0,10 ữ 0,70% - thép có tổ chức ferit + peclit, khi %C tăng lên lượng
peclit tăng lên (các hình 3.22a,b,c), đó là các thép trước cùng tích.
- C = 0,80% - thép có tổ chức peclit (hình 3.20a,b), đó là thép cùng tích.
- C 0,90% - thép có tổ chức peclit + xêmentit II (hình 3.23), khi %C tăng

a
K
giảm 300kJ/m
2
, còn trong phạm vi cacbon trung bình (0,30 ữ 0,50%) tương ứng
là 3% và 200kJ/m
2
...Như vậy hàm lượng cacbon càng cao thép càng cứng, càng
kém dẻo dai và càng giòn. Có thể dễ dàng giải thích điều này là do lượng pha
xêmentit cứng và giòn tăng lên.
ảnh hưởng của cacbon đến giới hạn bền
b
không đơn giản như đối với độ
cứng. Thấy rằng cứ tăng 0,10%C trong khoảng 0,10 ữ 0,50%C
b
tăng khoảng 70
167
ữ 90MPa, trong khoảng 0,60 ữ 0,80%C
b
tăng rất chậm và đạt đến giá trị cực đại
trong khoảng 0,80 ữ 1,00%C, khi vượt quá giá trị này
b
lại giảm đi. Có thể giải
thích như sau: thoạt tiên tăng số phần tử xêmentit trong nền ferit sẽ làm tăng số
chốt cản trượt cho pha này do vậy
b
tăng lên cho đến khi có tổ chức hoàn toàn là
peclit, khi vượt quá 0,80 ữ 1,00%C ngoài peclit (tấm) ra bắt đầu xuất hiện lưới
xêmentit II (hình 3.23) giòn lại ở dạng liên tục (lưới) làm cho thép không những
giòn mà còn làm giảm giới hạn bền.

cacbon thay đổi từ 0,30 đến 0,65%. Thật ra các giới hạn về thành phần cacbon kể
trên để định ranh giới giữa các nhóm cũng không hoàn toàn cứng nhắc, có thể xê
dịch đôi chút.
Tính công nghệ

Tính hàn và khả năng dập nguội, dập sâu của thép phụ thuộc nhiều vào hàm
lượng cacbon. Thép càng ít cacbon càng dễ hàn chảy và dập.
Hàm lượng cacbon cũng có ảnh hưởng đến tính gia công cắt của thép. Nói
chung thép càng cứng càng khó cắt nên thép có hàm lượng cacbon có tính gia
công cắt kém. Song thép quá mềm và dẻo cũng gây khó khăn cho cắt gọt, nên thép
có cacbon thấp cũng có tính gia công cắt kém.
Nói chung tính đúc của thép không cao.

c.

ả
nh hưởng của các tạp chất thường có
Mangan

Mangan được cho vào mọi thép dưới dạng ferô mangan để khử ôxy thép ở
trạng thái lỏng tức là để loại trừ FeO rất có hại:
Mn + FeO Fe + MnO
(MnO nổi lên đi vào xỉ và bị cào ra khỏi lò)
Ngoài ra mangan cũng loại trừ được tác hại của lưu huỳnh.
Mangan có ảnh hưởng tốt đến cơ tính, khi hòa tan vào ferit nó nâng cao độ
168
bền và độ cứng của pha này (hình 5.2a), do vậy làm tăng cơ tính của thép, song
lượng mangan cao nhất trong thép cacbon cũng chỉ nằm trong giới hạn 0,50 ữ
0,80% nên ảnh hưởng này không quan trọng. Mn còn có tác dụng làm giảm nhẹ
tác hại của lưu huỳnh.

lẫn
Fe

) mà tạo nên hợp chất FeS. Cùng tinh (Fe + FeS) tạo thành ở nhiệt độ thấp
(988
o
C), kết tinh sau cùng do đó nằm ở biên giới hạt; khi nung thép lên để cán,
kéo (thường ở 1100 ữ 1200
o
C) biên giới bị chảy ra làm thép dễ bị đứt, gy 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, 1620
o
C, dưới dạng các hạt
nhỏ rời rạc và ở nhiệt độ cao có tính dẻo nhất định nên không bị chảy hoặc đứt,
gy. Sunfua mangan cũng có lợi cho gia công cắt (mục 5.3.6b).

d.

Phân loại thép cacbon
Có nhiều cách phân loại thép cacbon mà mỗi cách cho biết một đặc trưng
riêng biệt cần để ý để sử dụng thép được tốt hơn.
Theo độ sạch tạp chất có hại và phương pháp luyện

Rõ ràng là thép càng ít tạp chất có hại (P, S) và các khí (H, O, N) có độ dẻo,
độ dai càng cao tức có cơ tính tổng hợp cao, chất lượng càng cao. Các phương
pháp luyện thép khác nhau có khả năng loại trừ tạp chất có hại khác nhau này ở
các mức cao thấp khác nhau do đó tạo cho thép chất lượng tốt, xấu khác nhau. Có
nhiều phương pháp luyện thép song cho đến hiện nay trên thế giới chỉ còn tồn tại

Theo mức độ khử ôxy có triệt để hay không người ta chia ra hai loại thép sôi
và thép lặng.
Thép sôi là loại không được khử ôxy triệt để, tức chỉ bằng chất khử không
mạnh là ferô mangan, nên trong thép lỏng vẫn còn FeO và do đó có phản ứng:
FeO + C Fe + CO
Khí CO bay lên làm mặt thép lỏng chuyển động như thể bị "sôi" vậy (nên có tên là
thép sôi) và tạo ra bọt (rỗ) khí trong thỏi đúc. Khi cán nóng tiếp theo phần lớn bọt
khí được hàn kín lại (chú ý là vỏ bọc khí nằm trong thỏi đúc, không tiếp xúc với
không khí nếu không lưu kho quá lâu sẽ chưa bị ôxy hóa nên các nguyên tử sắt dễ
khuếch tán, hàn kín lại khi cán nóng) nên nói chung không ảnh hưởng xấu đến cơ
tính của thép đ qua biến dạng nóng. Các đặc điểm của thép sôi là:
- do không được khử bằng ferô silic nên chứa rất ít silic, thường là 0,05 ữ
0,07%, nên ferit của thép rất mềm và dẻo, rất dễ dập nguội,
- không cho phép dùng thép sôi để chế tạo các vật đúc định hình vì các rỗ
khí làm giảm mật độ, tập trung ứng suất gây ảnh hưởng rất xấu đến cơ tính,
- không cho phép dùng thép sôi để làm các kết cấu hàn chảy, do trong thép
vẫn còn ôxy (FeO) nên khi chảy lỏng phản ứng tạo CO lại xảy ra, mối hàn chứa
nhiều bọt khí.
- không cho phép dùng thép sôi để làm chi tiết thấm cacbon do không được
khử ôxy triệt để nên thuộc loại thép hạt bản chất lớn.
Thép lặng là loại được khử ôxy triệt để bằng cả ferô mangan lẫn ferô silic là
chất khử mạnh và nhôm, nên trong thép lỏng không xảy ra phản ứng trên, mặt thép
lỏng luôn "phẳng lặng" (nên có tên là thép lặng). Các đặc điểm của thép lặng là:
- do được khử bằng ferô silic nên chứa một lượng nhất định silic, thường
trong khoảng 0,15 ữ 0,35%, vì thế ferit của thép cứng và bền hơn, khó dập nguội
hơn,
170
- trong tổ chức không có rỗ khí nên có cấu trúc xít chặt hơn, có cơ tính cao
hơn thép sôi, các vật đúc bằng thép phải được chế tạo bằng thép lặng, tuy nhiên
lõm co trong thép lặng khá lớn (phần này phải cắt bỏ đi làm giảm hiệu quả kinh


Tiêu chuẩn thép cacbon
Tiêu chuẩn Việt Nam

Tiêu chuẩn Việt Nam đ quy định những loại thép cacbon chính.
TCVN 1765 - 75 quy định các mác thép kết cấu cacbon chất lượng thường
để làm các kết cấu xây dựng, được sử dụng ở trạng thái cung cấp, không qua nhiệt
luyện. Do yêu cầu chất lượng không cao lượng nên lượng P, S cho phép khá lớn: P
là 0,040
ữ
0,070%, S là 0,050
ữ
0,060%. Thép được ký hiệu bằng CT (với ý nghĩa
là thép cacbon chất lượng thường) với các chữ ở sau cùng: s chỉ thép sôi, n chỉ thép
nửa lặng, nếu không có chữ gì là thép lặng.
Trong nhóm thép này lại quy định có ba phân nhóm A, B và C, trong đó
phân nhóm thứ nhất A là chủ yếu. Phân nhóm A phân loại các mác theo giới hạn
bền kéo tối thiểu đạt được tính theo đơn vị kG/mm
2
- CTxx. Cách ký hiệu theo

b

(min) như vậy khá tiện cho việc tính toán sơ bộ sức bền cũng như tiết diện thép. Ví
dụ CT38, CT38n, CT38s là ba mác cùng có ơ
b
38kG/mm
2
hay 380MPa song với
ba phương pháp khử ôxy khác nhau: lặng, nửa lặng và sôi nên các chỉ tiêu cơ tính

0, 1 đến 6 chỉ cấp độ bền (số càng to độ bền càng cao). Cũng có các phân nhóm
theo thứ tự A, , B lần lượt tương ứng với các phân nhóm A, B, C của TCVN. Về
thép kết cấu cacbon chất lượng tốt

OCT quy định các mác ký hiệu theo số phần
vạn cacbon trung bình, như mác 40 có khoảng 0,40%C như mác C40 của TCVN.
Về thép cacbon dụng cụ

OCT quy định các mác bằng với số tiếp theo chỉ
lượng cacbon theo phần nghìn cacbon trung bình như 12 có khoảng 1,20%C. Tuy
có một số khác biệt nhỏ về cơ bản TCVN về thép cacbon vẫn theo các nguyên tắc
cơ bản của

OCT, nên có sự trùng hợp hoàn toàn giữa hai tiêu chuẩn này. Hoa
Kỳ sử dụng nhiều tiêu chuẩn cho thép cacbon. ASTM được dùng cho thép xây
dựng. AISI và SAE cho các thép chế tạo máy và dụng cụ.
JIS quy định các thép kết cấu chất lượng thường bằng SS hay SM với số tiếp
theo chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu tính theo đơn vị MPa - SSxxx, SMxxx; các thép
kết cấu cacbon chất lượng tốt bằng SxxC trong đó xx là số chỉ lượng cacbon trung
bình theo phần vạn, các thép cacbon dụng cụ bằng SK với các số thứ tự từ 1 đến 7
- SKx.

f.

!
u nhược điểm của thép cacbon

!u điểm

Thép cacbon được dùng rất rộng ri trong kỹ thuật nói chung và chế tạo máy

a.

Thành phần hóa học
Khác với thép cacbon, thép hợp kim là loại thép mà người ta cố ý đưa thêm
vào (không phải do yêu cầu thông thường của công nghệ luyện kim) các nguyên tố
có lợi với lượng đủ lớn để làm thay đổi tổ chức và cải thiện tính chất (cơ, lý, hóa).
Các nguyên tố có lợi được đưa vào một cách đặc biệt với lượng đủ lớn như
vậy được gọi là nguyên tố hợp kim, chúng bao gồm các nguyên tố với hàm lượng
lớn hơn các giới hạn cho từng nguyên tố (không có giá trị chung cho mọi nguyên
tố) như sau:

Mn



0,80
ữ
ữữ
ữ
1,00%, Si



0,50
ữ
ữữ
ữ
0,80%, Cr



0,20%,
Ti



0,10%, Cu



0,30, B



0,0005%.
Nhỏ hơn giới hạn dưới kể trên được coi là tạp chất. Tuy nhiên các giới hạn
trên cũng chỉ là quy ước và không cứng nhắc một cách quá chặt chẽ.
Thép hợp kim là loại có chất lượng từ tốt trở lên nên chứa ít và rất ít các tạp
chất có hại.

b.

Các đặc tính của thép hợp kim
ở đây nói kỹ hơn các đặc tính trội hơn hẳn của thép hợp kim so với thép
cacbon (thép cacbon tương đương được mang ra đối chứng phải là loại có cùng
thành phần cacbon với thép hợp kim đ cho).
Cơ tính

Do một số yếu tố mà chủ yếu là do tính thấm tôi cao hơn nên thép hợp kim
có độ bền cao hơn hẳn so với thép cacbon, điều này thể hiện đặc biệt rõ ràng ở
thép sau khi tôi + ram. Khi hết sức tận dụng ưu điểm này cần chú ý đến đến các hệ

thành ở nhiệt độ cao khá xít chặt, có tính bảo vệ tốt.
Tính chất vật lý, hóa học đặc biệt

Bằng cách đưa vào thép các nguyên tố khác nhau với lượng lớn quy định có
thể tạo ra cho thép các tính chất đặc biệt:
- không gỉ, chống ăn mòn trong axit, badơ, muối,
- từ tính đặc biệt hoặc không có từ tính,
- gin nở nhiệt đặc biệt...
Qua đó thấy rằng thép hợp kim là vật liệu cần thiết, không thể thiếu cho
những ngành kỹ thuật quan trọng đòi hỏi các tính chất cao hoặc khác với thông
thường.

c.

Tác dụng của nguyên tố hợp kim đến tổ chức của thép
Một cách đơn giản có thể xem một thép hợp kim đơn giản (chỉ có một
nguyên tố hợp kim) là đưa thêm nguyên tố hợp kim vào hợp kim Fe - C. Vậy hy
xem nguyên tố hợp kim ảnh hưởng như thế nào đến hợp kim Fe - C mà ta đ
nghiên cứu, cụ thể là đến các tổ chức chính: các dung dịch rắn ferit, austenit, hợp
chất xêmentit (pha cacbit), tổ chức peclit (hỗn hợp ferit - cacbit)... Các nguyên tố
khi đưa vào thép cũng không ngoài hai tác dụng: hòa tan vào sắt thành dung dịch
rắn và kết hợp với cacbon thành cacbit. Cũng khó phân loại rạch ròi song có thể
tạm chia thành hai dạng nguyên tố hợp kim để tiện khảo sát: dạng chủ yếu hòa tan
vào sắt và dạng có ái lực mạnh với cabon tạo nên cacbit. Hy xét từng khả năng.
Hòa tan vào sắt thành dung dịch rắn

Đó là trường hợp của phần lớn nguyên tố mà điển hình và thường gặp là Mn,
Si, Cr, Ni.
Với lượng ít nguyên tố hợp kim (khoảng vài %) chúng không làm thay đổi
đáng kể cấu hình của giản đồ pha Fe - C, chúng hòa tan vào sắt tức ferit ở nhiệt độ

(khoảng gần 20%) khu vực không còn tồn tại, tổ chức ferit tồn tại cả ở nhiệt độ
cao cho tới khi chảy lỏng. Thép này cũng không có chuyển biến pha và được gọi là
thép ferit. Những trường hợp như vậy chỉ gặp ở thép đặc biệt. Rõ ràng là các thép
này không thể áp dụng hóa bền bằng tôi. Hình 5.2. ảnh hưởng của độ hòa tan của các nguyên tố hợp kim chủ
yếu trong dung dịch rắn ferit đến độ cứng (a) và độ dai va đập (b)

Tạo thành cacbit

Trừ các nguyên tố Si, Ni, Al, Cu, Co không tạo thành được cacbit trong thép
(chỉ có thể hòa tan vào sắt), các nguyên tố hợp kim còn lại gồm Mn, Cr, Mo, W,
Ti, Zr, Nb ngoài khả năng hòa tan vào sắt còn có thể kết hợp với cacbon thành
cacbit.
Người ta nhận thấy rằng số điện tử của phân lớp nd (3d, 4d, 5d) trong
nguyên tử của nguyên tố nào càng bị thiếu thì nguyên tố đó càng có ái lực mạnh
với cacbon và tất nhiên là trong thép (chủ yếu là sắt) chỉ nguyên tố nào có số điện
tử của phân lớp nd ít hơn của Fe (là 6) thì mới có khả năng tạo thành được cacbit.
Phù hợp với số thiếu hụt của điện tử, các nguyên tố tạo thành cacbit trong
thép theo thứ tự từ yếu đến mạnh như sau:
175
Fe (6), Mn (5), Cr (5), Mo (5), W (4), V (3), Ti (2), Zr (2), Nb (2)
[số trong ngoặc là số điện tử trong phân lớp nd], trong đó:
- Mn và Cr là các nguyên tố tạo thành cacbit trung bình,
- Mo và W là các nguyên tố tạo thành khá mạnh,
- V là nguyên tố tạo thành cacbit mạnh, và
- Ti, Zr, Nb là các nguyên tố tạo thành cacbit rất mạnh.
Me
> 0,59)
chúng tạo nên với C loại cacbit với kiểu mạng phức tạp (xem lại mục pha xen kẽ
3.1.3b) như: Cr
7
C
3
, C
23
C
6
, Mn
3
C. Các đặc tính của cacbit này là:
+ có độ cứng cao (hơn xêmentit một chút),
+ có nhiệt độ chảy không cao lắm, trong khoảng 1550 ữ 1850
o
C (cao hơn
xêmentit), nên có tính ổn định cao hơn. Nhiệt độ tôi của thép phải cao hơn 1000
o
C.
- Cacbit kiểu Me
6
C. Trong các thép chứa Cr với W hoặc Mo sẽ tạo nên
cacbit loại Me
6
C với kiểu mạng phức tạp, trong đó Me là các nguyên tố Cr, W, Mo
và cả Fe. Loại cacbit này còn khó hòa tan vào austenit hơn và ổn định hơn loại
trên. Nhiệt độ tôi của thép trong khoảng 1200 ữ 1300
o

+ cacbit kiểu Me
6
C trong thép gió (thuộc thép dụng cụ),
+ cacbit với kiểu mạng đơn giản MeC được tạo thành với lượng ít trong các
nhóm thép khác nhau.
Vai trò của cacbit hợp kim

- Giống như xêmentit, cacbit hợp kim cũng có tác dụng làm tăng độ cứng,
tính chống mài mòn của thép song có phần mạnh hơn. Như sau này sẽ thấy thép
làm dụng cụ tốt nhất phải là loại thép có cacbon cao và hợp kim cao.
- Do khó hòa tan vào austenit khi nung nóng nên một mặt nâng cao nhiệt độ
tôi mặt khác lại giữ được hạt nhỏ khi nung, điều này giúp nâng cao độ dai và cơ
tính nói chung.
- Khi ram, cacbit hợp kim tiết ra khỏi mactenxit và kết tụ lại ở nhiệt độ cao
hơn so với xêmentit ở trong thép cacbon, do đó giữ được độ cứng cao của trạng
thái tôi ở nhiệt độ cao hơn 200
o
C, đôi khi tới 500 ữ 600
o
C, tức có tính cứng hay
bền nóng.

d.

ả
nh hưởng của nguyên tố hợp kim đến quá trình nhiệt
luyện
Các nguyên tố hợp kim có ảnh hưởng lớn đến quá trình nhiệt luyện, đặc biệt
là tôi + ram, do vậy sẽ ảnh hưởng lớn đến cơ tính, đây là đặc tính nổi bật của thép
hợp kim. Hy xét tới từng mặt và từng quá trình của nhiệt luyện.

mạnh với W, Mo. Riêng thép có Mn lại có khuynh hướng làm to hạt austenit. Các
177
nguyên tố hợp kim còn lại Cr, Ni, Si, Al được coi là trung tính. Chính vì vậy thép
hợp kim thường giữ được hạt nhỏ hơn thép cacbon khi cả hai cùng bị nung nóng ở
cùng nhiệt độ (ví dụ khi thấm cacbon).
Sự phân hóa đẳng nhiệt của austenit quá nguội và độ thấm tôi

Đây là tác dụng quan trọng nhất và điển hình nhất, cần nắm vững và tận
dụng triệt để.
Sự phân hóa đẳng nhiệt của austenit quá nguội
. Khi hòa tan vào austenit, tất
cả các nguyên tố hợp kim (trừ Co) với các mức độ khác nhau đều làm chậm tốc độ
phân hóa đẳng nhiệt của austenit quá nguội tức là làm đường cong chữ "C" dịch
sang phải do đó làm giảm tốc độ tôi tới hạn V
t.h
(hình 5.4a). Trong đó đáng để ý:
các nguyên tố có tác dụng rất mạnh là Mo (khi riêng rẽ) và Cr - Ni (khi kết hợp),
mạnh là Cr, Mn, B. Với cùng tổng lượng hợp kim, khi hợp kim hóa phức tạp làm
giảm V
th
mạnh hơn khi hợp kim hóa đơn giản.
Cần chú ý là khi nguyên tố hợp kim không hòa tan vào austenit mà ở dạng
cacbit không những không làm tăng mà còn làm giảm tính ổn định của austenit
quá nguội, dẫn tới tăng V
t.h
.
Độ thấm tôi
. Do làm giảm V
t.h
, các nguyên tố hợp kim (trừ Co) khi hòa tan


- V
nguội
trong không khí cũng có thể lớn hơn V
t.h
, do đó thường hóa cũng đạt
được tổ chức mactenxit, đó là hiện tượng tự tôi (trong khi đó thường hóa thép
cacbon chỉ đạt được xoocbit là cùng).
Do độ thấm tôi tăng lên sẽ có hai hiệu quả chính sau đây:
178
1) Hiệu quả hóa bền của tôi + ram tăng lên rõ rệt, đặc biệt khi tôi thấu sẽ
đạt tới cơ tính cao và đồng nhất trên toàn tiết diện, nâng cao mạnh sức chịu tải
của chi tiết. Vì thế:
- Để phát huy hết khả năng chịu tải của chi tiết bằng thép hợp kim, phải sử
dụng nó ở trạng thái tôi + ram, có như vậy mới đạt hiệu quả kinh tế (vì thép hợp
kim đắt hơn).
- Với tiết diện càng lớn càng phải dùng thép hợp kim và dùng nó càng hiệu
quả. Do vậy phải căn cứ vào tiết diện và cơ tính yêu cầu mà chọn mác thép: tiết
diện càng lớn, độ bền đòi hỏi càng cao, lượng hợp kim trong thép càng phải cao để
có thể tôi thấu.
2) Khi tôi có thể dùng các môi trường nguội chậm mà vẫn đạt được
mactenxit như tôi trong dầu, trong muối nóng chảy (phân cấp hay đẳng nhiệt),
điều này dẫn đến các ưu việt sau:
- Chi tiết, dụng cụ với hình dạng phức tạp khi tôi không sợ gy, nứt. Trong
khi đó nếu làm bằng thép cacbon phải tôi trong nước dễ sinh vỡ.
- ít biến dạng, trong nhiều trường hợp có độ cong vênh dưới mức cho phép,
đặc biệt khi tôi phân cấp hay đẳng nhiệt.
Chuyển biến mactenxit

Khi hòa tan vào austenit, các nguyên tố hợp kim (trừ Co, Al, Si) đều hạ thấp

cacbon. Đặc biệt W, Mo, Cr có ái lực khá mạnh với cacbon có xu hướng giữ
cacbon lại trong mactenxit, do đó duy trì độ cứng cao ở nhiệt độ cao hơn. Ví dụ,
sự tiết ra cacbit hợp kim ra khỏi mactenxit ở các nhiệt độ sau:
- xêmentit Fe
3
C ở 200
o
C,
- xêmentit hợp kim (Fe,Me)
3
C ở 250 ữ 300
o
C,
- cacbit crôm Cr
7
C
3
, Cr
23
C
6
ở 400 ữ 450
o
C,
- cacbit Fe
3
W
3
C loại Me
6

f.

Các khuyết tật của thép hợp kim
Tuy có nhiều ưu việt, thép hợp kim đôi khi cũng thể hiện một số khuyết tật
cần biết để phòng tránh.
Thiên tích

Thép hợp kim, đặc biệt là loại được hợp kim hóa cao với nhiều thành phần
hóa học phức tạp, sau khi kết tinh sẽ có tổ chức không đồng nhất, khi cán sẽ tạo
nên tổ chức thớ làm cơ tính chênh lệch mạnh giữa các phương dọc và ngang (có
khi chênh lệch tới 50 ữ 70% hay hơn nữa). Khắc phục bằng ủ khuếch tán rồi đem
cán nóng, song nhiều khi ở các bán thành phẩm có tiết diện lớn vẫn còn thấy dạng
khuyết tật này. Rõ ràng tiết diện của sản phẩm cán càng nhỏ dạng khuyết tật này
càng ít thể hiện. Tuy các nhà máy luyện kim phải chịu trách nhiệm về loại khuyết
tật này song nếu bị lọt lưới, các nhà máy cơ khí phải tiến hành biến dạng nóng lại
với mức độ lớn.
Đốm trắng

Đó là dạng khuyết tật: trên mặt của một số thép hợp kim có các vết nứt nhỏ
ở dạng đốm trắng. Nguyên nhân là hyđrô hòa tan vào thép lỏng rồi nằm lại trong
thép rắn. ở trạng thái rắn do giảm đột ngột độ hòa tan ở dưới 200
o
C, hyđrô thoát ra
mạnh, gây ra nứt. Đốm trắng là phế phẩm không chữa được, nó chỉ thể hiện trong
thép có độ thấm tôi cao như Cr - Ni, Cr - Ni - Mo, Cr - Ni - W khi cán nóng (khi
đúc không xuất hiện đốm trắng do các rỗ co phân tán là túi chứa hyđrô). ở nhà
máy luyện kim người ta ngăn ngừa khuyết tật này bằng cách giảm hơi nước trong
khí quyển, sấy khô mẻ luyện (cả mẻ liệu - sắt thép vụn lẫn trợ dung - vôi) và làm
nguội thật chậm sau khi cán để hyđrô kịp thoát ra.
Hai dạng khuyết tật trên phải được khử bỏ ngay ở nhà máy luyện kim, rất ít

Hình 5.5. ảnh hưởng của nhiệt độ
đến độ dai va đập của thép hợp
kim (có đối chứng với thép
cacbon).

Giòn ram loại II
(thuận nghịch hay có thể chữa được). Loại này chỉ xảy ra
trong thép được hợp kim hóa bằng Cr, Mn, Cr - Ni, Cr - Mn khi ram ở khoảng 500
ữ 600
o
C với cách làm nguội thông thường sau đó (trong không khí). Cũng ram tại
nhiệt độ đó song lại làm nguội nhanh sau đó (trong dầu hay nước chả hạn) thì
cũng không có cực tiểu thứ hai này (đường chấm chấm trên hình vẽ). Nguyên nhân
có thể là nguội chậm sau khi ram cao thúc đẩy tiết ra các pha giòn ở biên giới hạt.
Giòn ram loại II là thuận nghịch tức là có thể bị lại nếu đem ram lần nữa cũng với
chế độ nhiệt như trên (500 ữ 600
o
C, nguội chậm).
Đây là loại giòn ram có thể tránh được. Biện pháp phòng tránh như sau:
- với các chi tiết nhỏ và trung bình: làm nguội nhanh trong dầu, trong nước
sau khi ram cao,


Hình 5.6. Tổ chức sau khi thường hóa của các thép với
lượng hợp kim tăng dần: a. peclit, b. mactenxit, c. austenit.

- thép họ mactenxit: loại hợp kim hóa trung bình (> 4 ữ 6%) và cao, đường
cong chữ "C" dịch sang phải khá mạnh, nguội trong không khí cũng được
mactenxit,
- thép họ austenit: loại có chứa Cr cao và Ni cao (> 8%) hoặc Mn (> 13%)
cao, chúng mở rộng khu vực và hạ thấp điểm M
s
(< 0
o
C) nên làm nguội trong
không khí (chỉ đến nhiệt độ thường, cao hơn M
s
) cũng không có chuyển biến gì,
giữ nguyên tổ chức austenit.
Cách phân loại này cho biết tổ chức của thép ở trạng thái cung cấp (sau cán
nóng làm nguội trong không khí).
Theo nguyên tố hợp kim

Dựa vào tên nguyên tố hợp kim chính đưa vào để gọi, như:
- Thép chỉ có một nguyên tố hợp kim chính như Cr, Mn được lần lượt gọi là
thép crôm, thép mangan, chúng là các thép hợp kim (hóa) đơn giản.
- Thép có hai hay nhiều nguyên tố hợp kim như Cr - Ni, Cr - Ni - Mo được
lần lượt gọi là thép crôm - niken, thép crôm - niken - môlipđen, chúng là các thép
hợp kim (hóa) phức tạp.
182
Theo tổng lượng nguyên tố hợp kim



h.

Tiêu chuẩn thép hợp kim
Tiêu chuẩn Việt Nam

TCVN 1759 - 75 đ quy định nguyên tắc ký hiệu thép hợp kim theo trật tự
như sau:
- số chỉ hàm lượng cacbon trung bình theo phần vạn, nếu 1% có thể không
cần biểu thị,
- các nguyên tố hợp kim theo ký hiệu hóa học và ngay sau đó là hàm lượng
theo phần trăm trung bình (thường đ được quy tròn thành số nguyên), khi lượng
chứa của nguyên tố khoảng 1% thì không cần biểu thị (bằng số).
Ví dụ: - thép có 0,36 ữ 0,44%C, 0,80 ữ 1,00%Cr sẽ được ký hiệu là 40Cr,
- thép có 0,09 ữ 0,16%C, 0,60 ữ 0,90%Cr, 2,75 ữ 3,75%Ni sẽ được ký
hiệu là 12CrNi3,
- thép có 1,25 ữ 1,50 %C, 0,40 ữ 0,70 %Cr, 4,5 ữ 5,5 %W sẽ được ký
hiệu là 140CrW5 hay dơn giản chỉ là CrW5,
- thép có 0,85 ữ 0,95%C, 1,20 ữ 1,60 %Si. 0,95 ữ 1,25 %Cr sẽ được ký
hiệu là 90CrSi.
Như vậy trên nguyên tắc rất dễ hiểu này có thể ký hiệu mọi thép theo thành
phần của chúng mà không có những trùng lặp quan trọng. Nguyên tắc này được sử
dụng để ký hiệu các thép khi cần thiết phải rút gọn cách biểu thị thành phần hóa
học.
183
TCVN chưa phủ hết các thép hợp kim thường dùng.
Tiêu chuẩn Nga




thép niken (2 loại) 23xx, 25xx,
thép niken-crôm (4 loại) 31xx, 32xx, 33xx, 34xx,
thép môlipđen (2 loại) 40xx, 44xx,
thép crôm-môlipđen 41xx,
thép niken-crôm-môlipđen (11 loại)43xx, 43BVxx, 47xx, 81xx, 86xx,
87xx, 88xx, 93xx, 94xx, 97xx, 98xx,
thép niken-môlipđen (2 loại) 46xx, 48xx,
thép crôm (2 loại) 50xx, 51xx,
thép crôm với 0,50 ữ 1,50%C 501xx, 511xx, 521xx,
thép crôm-vanađi 61xx,
thép vonfram-crôm 72xx,
thép silic-mangan 92xx,
thép bo xxBxx,

Đối với thép dụng cụ, Hoa Kỳ thường sử dụng AISI với ký hiệu gồm một
chữ cái chỉ nhóm thép và số thứ tự. Sau đây các chữ cái (thường lấy theo chữ cái
đầu tiên chỉ nhóm thép) đó:
W cho thép tôi nước (water),
O cho thép tôi dầu (oil),
184
S cho thép dụng cụ chịu va đập (shock),
T cho thép gió vonfram (tungsten),
M cho thép gió môlipđen - vonfram,
H cho thép làm dụng cụ biến dạng nóng (hot),
D cho thép làm dụng cụ biến dạng nguội (cold),
A cho thép làm dụng cụ biến dạng nguội, tự tôi, trong không khí (air),
Đối với thép không gỉ và bền nóng, Hoa Kỳ dùng AISI với ký hiệu là nhóm
ba số xxx, trong đó: 2xx và 3xx là thép austenit,
4xx là thép ferit,
4xx và 5xx là thép mactenxit.

- độ dẻo tốt và cao ( ~ 15 ữ 35%) để phù hợp với đòi hỏi trong quá trình
chế tạo kết cấu các thanh, dầm thường phải chịu uốn (cong, gập),
- độ dai tốt (a
K
~ 500

kJ/m
2
) để có thể chịu được các tải trọng va đập do
phương tiện giao thông hay gió, bo gây ra một cách đột ngột, ở các xứ lạnh người
ta còn quan tâm đến độ dai va đập ở nhiệt độ âm do xu hướng biến giòn khi hạ
thấp nhiệt độ.
Trong mối quan hệ đó, thông thường độ bền của thép xây dựng không thể
đạt cao lắm.
Về tính công nghệ, ngoài yêu cầu độ dẻo tốt và cao không những ở trạng thái
nóng mà cả ở trạng thái nguội như đ trình bày thép phải có tính công nghệ nổi bật
là tính hàn cao và bảo đảm vì phần lớn các kết cấu kim loại được ghép lại bằng
cách hàn chảy.
Về thành phần hóa học, để bảo đảm độ dẻo, độ dai và tính hàn cao thép bị
hạn chế hàm lượng cacbon. ở trên đ trình bày ảnh hưởng của cacbon đến cơ tính
nên ở đây chỉ nói về ảnh hưởng của nó đến tính hàn. Như đ nói ở phần nhiệt
185
luyện, khi hàn một phần thép cơ sở bị chảy và nung nóng đến nhiệt độ cao (>
1000
o
C) hạt austenit bị lớn lên và khi nguội trong không khí sẽ chuyển pha thành
hỗn hợp ferit + xêmentit nhỏ mịn dạng xoocbit hay trôxtit tuy bền song kém dẻo,
dai. Chính vì vậy bao giờ bản thân mối hàn hay chính xác hơn là vùng sát với vùng
chảy (gọi là vùng ảnh hưởng nhiệt) cũng là vùng giòn nhất, dễ bị gẫy nhất khi làm
việc. Vì lý do như vậy phải hạn chế hàm lượng cacbon và nguyên tố hợp kim nên


b.

Phân loại

Theo thành phần hóa học hay độ bền, thép xây dựng có hai phân nhóm lớn:
cacbon hay thông dụng và hợp kim thấp độ bền cao.
Theo công dụng có thể chia ra các phân nhóm: công dụng chung và các
công dụng riêng như chuyên làm cốt bêtông, chuyên đóng tàu, làm cầu... Do đa
dạng như vậy ở đây sẽ trình bày chủ yếu theo cách phân loại đầu, song có kết hợp
với phân loại theo công dụng.
5.2.2.

Thép thông dụng

a.

Đặc điểm chung
Thép thông dụng là phân nhóm thép cacbon (hay còn gọi là thép thường) với
chất lượng thường, được sản xuất nhiều nhất, thường gặp nhất với độ bền bình
thường (
0,2
< 300 ữ 320MPa), có giá bán rẻ nên có thể gặp chúng ở mọi nơi, mọi
lúc ở dưới dạng các bán thành phẩm cán nóng khác nhau (ống, thanh, góc, hình,
lá, tấm, băng cho đến dây, sợi...) rất dễ sử dụng và thường được dùng ở trạng thái
cung cấp, không qua nhiệt luyện. Do tính phổ biến và đa năng người ta thường gọi
nó là sắt. Nói chung có thể dùng nó vào các mục đích thông thường, không quan
trọng trong đời sống cũng như trong xây dựng. Để chọn được loại phù hợp ngoài
phải có tiết diện quy định việc quyết định cuối cùng là độ bền ở trạng thái cung
cấp, do vậy mọi việc trở nên đơn giản và nhanh chóng. Chính vì vậy phân nhóm


(
a
-độ
dày mẫu,
d
- đường
kính gối uốn) cho
độ dày,
mmMác
thép

b
,
kG/mm
2


20
20-
40
40-
100
>100

20
20-

CT51n,
CT51
51-64 29 28 27 26 20 19 17
d=3a
CT52nMn
46-60 29 28 27 26 20 19 17
d=3a
CT61n,
CT61
61
32 31 30 30 15 14 12
d=3a
đường

kính

gối

uốn

tăng

lên

theo

độ

dày


mác thép này.
Các mác CT31, CT33 đều không quy định
0,2
song CT31 vừa kém bền lại
vừa kém dẻo. Các mác còn lại có độ bền tăng lên thì độ dẻo lại kém đi. Cần chú ý
là với cùng một mác cơ tính lại thay đổi chút ít theo tiết diện (chiều dày, đường
kính): tiết diện càng nhỏ độ bền và độ dẻo lại càng tốt (có thể giải thích là do càng
ít gặp khuyết tật và được nguội nhanh hơn sau khi cán nóng). Hai mác được dùng
nhiều hơn cả là CT38 và CT51.
187
CT38 được dùng rất phổ biến trong các kết cấu thông dụng, không đòi hỏi
độ bền cao, có tính hàn tốt. Hầu như phần lớn các kết cấu thép thường gặp (cột,
tháp, xà ngang, ống, dây, lá để lợp, tấm để che, đỡ...) đều được làm bằng mác thép
này hay tương đương. Trong khi đó CT51 được dùng cho các kết cấu chịu lực cao
hơn song tính hàn lại không tốt bằng, được dùng nhiều trong máy nông nghiệp
(lưỡi cày, bánh lồng...) và dụng cụ bằng tay để gia công gỗ.
Bảng 5.2. Thành phần hóa học (%) của thép thông dụng phân nhóm B (TCVN 1765-75)
Mác thép Cacbon Mangan Silic
P, max S, max
BCT31 <0,23 - - 0,07 0,06
BCT33s 0,06-0,12 0,25-0,50
0,05
0,04 0,05
BCT33n 0,05-0,12 0,25-0,50 0,05-0,17 0,04 0,05
BCT33 0,06-0,12 0,25-0,50 0,12-0,30 0,04 0,05
BCT34s 0,09-0,15 0,25-0,50
0,07

b
). Có các mác từ BCT31 đến
BCT61. Muốn biết thành phần hóa học phải tra bảng 5.2.

Phân nhóm C
(thứ ba)
Phân nhóm này quy định cả cơ tính lẫn thành phần hóa học, cũng được ký
hiệu như phân nhóm A nhưng đằng trước có chữ C, tức CCTxx. Cơ tính và thành
phần hóa học được tuân theo các mác tương ứng của các phân nhóm A và B. Ví
dụ: CCT38 có cơ tính như CT38, còn thành phần như BCT38.
Nếu như phân nhóm A có chất lượng thường thì các phân nhóm B và C có
chất lượng nâng cao tuy chưa đạt được chất lượng tốt. Chúng tuy ít được dùng hơn
song cần thiết trong những trường hợp quan trọng hơn đôi chút như khi phải bảo
đảm tính hàn hay qua biến dạng nóng bộ phận (do biết được thành phần).

188

c.

Tiêu chuẩn các nước


OCT 380 ký hiệu các thép thông dụng bằng C
T
x, trong đó x là số thứ tự từ
0 đến 6, có sự tương đương, trùng khớp hoàn toàn về các yêu cầu kỹ thuật giữa
nhóm thép này của TCVN và

OCT (với các cặp số tương đương 31- 0, 33 - 1,
34 - 2, 38 - 3, 42 - 4, 51 - 5, 61 - 6, nói chính xác hơn TCVN chỉ đổi cách đánh số

cơ tính lẫn thành phần hóa học, có các mác SM 400, 490, 520, 570 (có thể có các
đuôi: A, B, C, YA, YB); trong đó số chỉ
b
tối thiểu theo MPa.
EN ký hiệu thép thông dụng bằng Fe với số tiếp theo chỉ
b
tối thiểu theo
MPa, ví dụ Fe 360B, Fe 430C, Fe 510D1...
5.2.3.

Thép hợp kim thấp độ bền cao HSLA

a.

Đặc điểm chung
Nhóm thép hợp kim thấp độ bền cao (High Strength Low Alloy steel) được
viết tắt là HSLA có nhiều tính năng cao hơn thép thông dụng mà trước hết là có độ
bền cao hơn (ơ
0,2
> 300 ữ 320MPa) trong khi các chỉ tiêu cơ tính khác vẫn bảo đảm
yêu cầu của thép xây dựng.
Để nâng cao độ bền mà không làm hại nhiều các chỉ tiêu khác, người ta hợp
kim hóa thấp thép bằng nhiều nguyên tố hòa tan vào ferit nhưng ít làm hại tính hàn
như Mn, Si, Cr, Cu và có thể cả Ni, B và N. Để duy trì tốt độ dẻo và độ dai có thể
còn hợp kim hóa bằng các nguyên tố tạo cacbit mạnh như V, Nb để giữ cho hạt
nhỏ. Ngoài làm tăng độ bền, hợp kim hóa thấp còn làm tăng (gấp 2 ữ 4 lần) tính
chống ăn mòn trong khí quyển, đặc biệt khi thép chứa khoảng 0,20 ữ 0,30%Cu.
Để không làm tăng mạnh giá thành, người ta thường tận dụng việc hợp kim hóa tự
nhiên (dùng gang luyện từ vùng quặng giầu nguyên tố hợp kim) hay sử dụng lại
phế liệu là thép hợp kim và dùng các nguyên tố rẻ như Mn, Si. Do vậy tổng lượng