---------------  ---------------
GIÁO TRÌNH

VẬT LIỆU KIM LỌAI --------------------------

Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com
164
Phần III



5.1.1.

Thép cacbonThép cacbon hay thép thường, được dùng rất phổ biến trong đời sống cũng
như trong kỹ thuật, nó chiếm tỷ trọng rất lớn (tới 80 ữ 90%) trong tổng sản lượng
thép.
a. Thành phần hóa học
Như đ nói thép là hợp kim sắt - cacbon với lượng cacbon nhỏ hơn 2,14%
với đặc tính là có tính dẻo nên có thể cán nóng được (do khi nung nóng lên nhiệt
độ cao có tổ chức hoàn toàn austenit - dung dịch rắn với mạng A1, rất dẻo). Song
trong thực tế thép không chỉ là hợp kim sắt với cacbon mà còn với nhiều nguyên tố
khác. Do yêu cầu thông thường của công nghệ luyện kim, nhiều nguyên tố đ đi
vào thành phần của thép mà không cần phải khử bỏ đi do có lợi hoặc không cần
phải khử bỏ triệt để mặc dầu có hại do quá tốn kém không cần thiết.
Thép cacbon là thép thông thường (thép thường), ngoài cacbon ra còn chứa
một số nguyên tố với hàm lượng giới hạn mà trong thép nào cũng có, chúng được
gọi là tạp chất thường có hay chất lẫn vì không phải do cố ý đưa vào. Trong số các
tạp chất có một số có lợi và một số có hại. Hy xem xét các nguyên tố đó.
Tạp chất có lợi: mangan và silic

Bất kỳ thép nào dù đơn giản đến đâu cũng có mangan và silic với lượng
không vượt quá 1%, chúng đi vào thành phần của thép là do:
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com
165
- quặng sắt có lẫn các hợp chất (khoáng vật) khác như ôxyt mangan, ôxyt
silic, trong quá trình luyện gang chúng bị hoàn nguyên (MnO Mn, SiO
2

0,40%, P



0,050%, S



0,050%.Đó cũng là thành phần hóa học cơ bản của thép cacbon hay thép thường.
Các tạp chất khác
Ngoài phôtpho và lưu huỳnh, trong thép cũng luôn chứa các nguyên tố
hyđrô, ôxy, nitơ do chúng hòa tan vào thép lỏng từ khí quyển của lò luyện. Chúng
đặc biệt có hại vì làm thép không đồng nhất về tổ chức (gây tập trung ứng suất) và
giòn (riêng nitơ có tính hai mặt sẽ trình bày sau) song với lượng chứa quá nhỏ (ví
dụ: 0,006 ữ 0,008% đối với ôxy) nên rất khó phân tích, do vậy thường "dấu mặt"
trong bảng thành phần nên được gọi là tạp chất ẩn náu.
Đặc trưng của công nghiệp luyện kim hiện đại là sử dụng lại (tái chế) ngày
càng nhiều với tỷ lệ cao thép, gang và hợp kim phế liệu mà trong đó có một phần
là loại chứa các nguyên tố có lợi (nguyên tố hợp kim). Do vậy ngay trong thép
cacbon luyện ra cũng có thể chứa hàm lượng thấp các nguyên tố sau:
- crôm, niken, đồng

0,30% cho mỗi nguyên tố song tổng lượng của chúng
không được vượt quá 0,50%,
- vonfram, môlipđen, titan 0,05% cho mỗi nguyên tố.
Đáng chú ý xu thế này ngày một mạnh nên hàm lượng cho phép của các
nguyên tố trên trong thép thường cũng tăng lên.

lên lượng xêmentit II tăng lên tương ứng, đó là các thép sau cùng tích.
Chính do sự thay đổi tổ chức như vậy cơ tính của thép cũng biến đổi theo.
Hình 5.1.
ảnh hưởng của
cacbon đến cơ tính của thép
thường (ở trạng thái ủ).

Cơ tính
ảnh hưởng của cacbon đến cơ tính của thép thường ở trạng thái ủ được trình
bày trên hình 5.1.
Cacbon có ảnh hưởng bậc nhất (theo quan hệ đường thẳng) đến độ cứng HB.
Về mặt định lượng thấy rằng cứ tăng 0,10%C độ cứng HB sẽ tăng thêm khoảng 25
đơn vị.
Thoạt tiên cacbon làm giảm rất mạnh độ dẻo (, ) và độ dai va đập (a
K
) làm
cho các chỉ tiêu này giảm đi nhanh chóng, song càng về sau mức giảm này càng
nhỏ đi. Ví dụ: cứ tăng 0,10%C trong phạm vi cacbon thấp ( 0,25%) giảm 6%,

giòn mà còn làm giảm giới hạn bền.
Vai trò của cacbon. Công dụng của thép theo thành phần cacbon
Chính do cacbon có ảnh hưởng lớn đến cơ tính như vậy nên nó quyết định
phần lớn công dụng của thép. Muốn dùng thép vào việc gì điều cần xem xét trước
tiên là hàm lượng cacbon sau đó mới tới các nguyên tố hợp kim. Điều khá kỳ diệu
là chỉ cần thay đổi chút ít hàm lượng cacbon (chênh lệch nhau không quá 0,50%)
có thể tạo ra các nhóm thép có cơ tính đối lập nhau mà không nguyên tố nào có
được. Theo hàm lượng cacbon có thể chia thép thành ba - bốn nhóm với cơ tính và
công dụng rất khác nhau như sau.
- Thép có cacbon thấp (

0,25%) có độ dẻo, độ dai cao nhưng độ bền, độ
cứng lại thấp, hiệu quả nhiệt luyện tôi + ram không cao, được dùng làm kết cấu
xây dựng, tấm lá để dập nguội. Muốn nâng cao hiệu quả của nhiệt luyện tôi + ram
để nâng cao độ bền độ cứng phải qua thấm cacbon.
- Thép có cacbon trung bình (0,30
ữ
0,50%) có độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ
dai đều khá cao mặc dầu không phải là cao nhất, có hiệu quả tôi + ram tốt, tóm lại
có cơ tính tổng hợp cao nên được dùng chủ yếu làm các chi tiết máy chịu tải trọng
tĩnh và va đập cao.
- Thép có cacbon tương đối cao (0,55
ữ
0,65%) với ưu điểm là có độ cứng
tương đối cao, giới hạn đàn hồi cao nhất, được dùng làm các chi tiết đàn hồi.
- Thép có cacbon cao (

0,70%) với ưu điểm là có độ cứng và tính chống
mài mòn đều cao, được dùng làm công cụ như dao cắt, khuôn dập, dụng cụ đo.
Trong một số kiểu phân loại, nhóm thép có cacbon trung bình có lượng

Silic được cho vào nhiều loại thép dưới dạng ferô silic để khử ôxy triệt để
thép ở trạng thái lỏng:
Si + FeO Fe + SiO
2

(SiO
2
nổi lên đi vào xỉ và bị cào ra khỏi lò)
Giống như mangan, silic hòa tan vào ferit cũng nâng cao độ bền và độ cứng
của pha này (hình 5.2a) nên làm tăng cơ tính của thép, song lượng silic cao nhất
trong thép cacbon cũng chỉ trong giới hạn 0,20 ữ 0,40% nên tác dụng này cũng
không rõ rệt.
Phôtpho
Là nguyên tố có khả năng hòa tan vào ferit (tới 1,20% ở hợp kim thuần Fe
- C, còn trong thép giới hạn hòa tan này giảm đi mạnh) và làm xô lệch rất mạnh
mạng tinh thể pha này làm tăng mạnh tính giòn; khi lượng phôtpho vượt quá giới
hạn hòa tan nó sẽ tạo nên Fe
3
P cứng và giòn. Do đó phôtpho là nguyên tố gây giòn
nguội hay bở nguội (ở nhiệt độ thường). Chỉ cần có 0,10%P hòa tan, ferit đ trở
nên giòn. Song phôtpho là nguyên tố thiên tích (phân bố không đều) rất mạnh nên
để tránh giòn lượng phôtpho trong thép phải ít hơn 0,050% (để nơi tập trung cao
nhất lượng phôpho cũng không thể vượt quá 0,10% là giới hạn gây ra giòn).
Phôpho cũng có mặt lợi, được nói ở mục 5.3.6b.
Lưu huỳnh
Khác với phôtpho, lưu huỳnh hoàn toàn không hòa tan trong Fe (cả Fe

lẫn
Fe


Theo mức độ sạch tạp chất từ thấp đến cao có các mức chất lượng sau.
- Chất lượng thường, lượng P, S chỉ được khử đến mức 0,050% (hay cao hơn
một chút) cho mỗi nguyên tố. Phương pháp luyện thép L-D thường chỉ đạt được
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com
169
cấp chất lượng này mặc dầu nó cho năng suất rất cao và giá thành thép rẻ. Cấp
chất lượng này thường chỉ áp dụng cho nhóm thép có yêu cầu không cao như một
số thép xây dựng thông dụng.
- Chất lượng tốt, lượng P, S được khử đến mức 0,040% cho mỗi nguyên tố.
Phương pháp luyện thép bằng lò mactanh và lò điện hồ quang dễ dàng đạt được
cấp chất lượng này. Cấp chất lượng này thường áp dụng cho các nhóm thép dùng
trong chế tạo máy thông dụng, tức có yêu cầu cao hơn.
- Chất lượng cao, lượng P, S được khử khá cẩn thận, đến mức 0,030% cho
mỗi nguyên tố. Với các biện pháp kỹ thuật bổ sung (dùng chất khử mạnh, tuyển
chọn nguyên liệu vào...) vẫn có thể đạt được cấp chất lượng này bằng phương pháp
luyện thép trong lò điện hồ quang.
- Chất lượng rất cao, lượng P, S được khử ở mức triệt để nhất: 0,020% cho
mỗi nguyên tố. Chỉ với các lò điện hồ quang không thể đạt được giới hạn này.
Thép sau khi luyện ở lò này được tinh luyện tiếp tục: khử tạp chất ở ngoài lò bằng
xỉ tổng hợp, bằng điện xỉ. Ngoài ra để giảm tối đa lượng khí chứa trong thép người
ta phải áp dụng đúc rót thép trong chân không.
Các thép cacbon có thể được cung cấp ở ba cấp chất lượng: thường, tốt và
cao (ít gặp). Các thép hợp kim không có cấp chất lượng thường, chỉ có các cấp: tốt,
cao và rất cao. Thép xây dựng thường chỉ yêu cầu chất lượng thường, trong khi đó
thép chế tạo máy phải có chất lượng từ tốt trở lên. Riêng thép làm ổ lăn phải đạt
cấp chất lượng rất cao.
Theo phương pháp khử ôxy

Theo mức độ khử ôxy có triệt để hay không người ta chia ra hai loại thép sôi
và thép lặng.

- trong các kết cấu hàn chảy chỉ được phép dùng thép lặng,
- các chi tiết thấm cacbon chỉ được làm bằng thép lặng.
Do các đặc tính trội hơn thép sôi, thép lặng được sử dụng rộng ri hơn.
Nằm trung gian giữa hai thép trên là thép nửa lặng, nó chỉ được khử ôxy
bằng ferô mangan và nhôm. Tính chất của nó nằm trung gian giữa thép sôi và thép
lặng. Tuy xuất hiện sau song thép nửa lặng có khuynh hướng thay thế cho thép sôi.
Thép hợp kim chỉ có loại thép lặng, song thép cacbon có thể ở cả ba loại:
sôi, lặng và nửa lặng.
Theo công dụng

Theo mục đích sử dụng hay theo công dụng có thể chia thép cacbon thành
hai nhóm thép kết cấu và thép dụng cụ.
Thép kết cấu là loại được dùng làm các kết cấu, chi tiết chịu tải (lực) do đó
ngoài yêu cầu về độ bền bảo đảm còn cần phải có đủ độ dẻo, độ dai yêu cầu tức là
cơ tính tổng hợp. Đây là nhóm thép được sử dụng thường xuyên nhất với khối
lượng lớn nhất. Trong nhóm này còn có thể phân tiếp thành hai nhóm nhỏ hơn là
xây dựng và chế tạo máy:
- Thép xây dựng là loại chủ yếu được dùng trong xây dựng để làm các kết
cấu thép dưới dạng các thanh dài, tấm rộng ghép lại, chúng đòi hỏi cơ tính tổng
hợp song không cao. Thép xây dựng tuy có cần bền song phải có độ dẻo cao để dễ
uốn khi lắp ghép và độ dai cao để khó bị phá hủy giòn, có tính hàn tốt.
- Thép chế tạo máy đòi hỏi cơ tính tổng hợp ở mức độ cao hơn nên nói
chung đòi hỏi chất lượng cao hơn, đặc biệt là độ bền phải cao trong khi vẫn phải
bảo đảm tốt độ dẻo, độ dai.
Thép dụng cụ là loại chỉ chuyên dùng làm công cụ nên có yêu cầu chủ yếu
là cứng và chống mài mòn.
Trong thực tế người ta sử dụng tất cả các cách phân loại trên.

e.


tiêu khác như
0,2
, , , a
K
(xem bảng 5.1 ở mục 5.2.2b). Các phân nhóm B và C
về cơ bản giữ nguyên ký hiệu như ở phân nhóm A song ở đầu ký hiệu tương ứng
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com
171
có thêm chữ B và C là BCTxx và CCTxx. Phân nhóm B không quy định cơ tính
song lại quy định thành phần hóa học (phải tra bảng 5.2), còn phân nhóm C lại
quy định cả hai: cơ tính lẫn thành phần hóa học, ví dụ: mác CCT38 có cơ tính của
CT38 còn thành phần của BCT38.
TCVN 1766-75 quy định các mác thép kết cấu cacbon chất lượng tốt để chế
tạo máy qua nhiệt luyện, do vậy phải được bảo đảm (quy định) cả thành phần hóa
học lẫn cơ tính (phải tra bảng), các mác được ký hiệu bằng chữ C và số phần vạn
cacbon trung bình - Cxx. Ví dụ: C40 là mác có khoảng 0,40%C (0,38 ữ 0,45%) và
các tạp chất trong giới hạn đ trình bày. Do chất lượng tốt nên lượng P và S là
0,040% cho mỗi nguyên tố, các mác có chất lượng cao (P, S 0,030% cho mỗi
nguyên tố) ở cuối ký hiệu có chữ A, ví dụ C40A.
TCVN 1822-76 quy định các mác thép dụng cụ cacbon bằng CD (C là
cacbon, D là dụng cụ) với số tiếp theo chỉ lượng cacbon trung bình tính theo phần
vạn - CDxx hoặc CDxxx. Ví dụ, CD80 và CD80A là hai mác cùng có khoảng
0,80%C (0,75 ữ 0,84%) song với chất lượng tốt và cao.
Tiêu chuẩn các nước
OCT quy định các thép kết cacbon chất lượng thường bằng C
T
với các số từ

vì ba ưu điểm sau:
1) Rẻ, dễ kiếm không phải dùng các nguyên tố hợp kim đắt tiền.
2) Có cơ tính tổng hợp nhất định phù hợp với các điều kiện thông dụng.
3) Có tính công nghệ tốt: dễ đúc, cán, rèn, kéo sợi, hàn, gia công cắt (so với
thép hợp kim).
Nhược điểm

Thép cacbon cũng có nhiều nhược điểm, trong đó đáng chú ý nhất là:
1) Độ thấm tôi thấp nên hiệu quả hóa bền bằng nhiệt luyện tôi + ram không
cao, do đó ảnh hưởng xấu đến độ bền, đặc biệt đối với tiết diện lớn.
2) Tính chịu nhiệt độ cao kém: khi nung nóng độ bền cao của trạng thái tôi
giảm đi nhanh chóng do mactenxit bị phân hóa ở trên 200
o
C, ở trên 570
o
C bị ôxy
hóa mạnh.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com
172
3) Không có các tính chất vật lý hóa học đặc biệt như: cứng nóng, chống ăn
mòn.
Các thép hợp kim tránh được các nhược điểm này.
Do vậy trong thực tế thép cacbon được dùng làm các chi tiết với mặt cắt
ngang nhỏ, hình dạng đơn giản, chịu tải trọng nhẹ và vừa phải, làm việc ở nhiệt độ
thường; trong khi đó các thép hợp kim được dùng cho các trường hợp ngược lại.
5.1.2.

Thép hợp kim
Trong kỹ thuật dùng ngày càng nhiều thép hợp kim vào các mục đích quan
trọng.



0,50
ữ
ữữ
ữ
0,80%,
Ni



0,50
ữ
ữữ
ữ
0,80%, W



0,10
ữ
ữữ
ữ
0,50%, Mo



0,05
ữ
ữữ

quả sau đây:
- ở trạng thái không tôi + ram (ví dụ ở trạng thái ủ), độ bền của thép hợp
kim không cao hơn thép cacbon bao nhiêu. Cho nên đ dùng thép hợp kim thì phải
qua nhiệt luyện tôi + ram. Nếu dùng thép hợp kim ở trạng thái cung cấp (sau cán
nóng, gần như thường hóa) hay ủ là sự lng phí lớn về độ bền.
- ưu việt về độ bền cao của thép hợp kim càng rõ khi tiết diện của thép càng
lớn và lượng hợp kim đủ để bảo đảm tôi thấu. Khi tiết diện nhỏ ( 20mm) ưu việt
này của thép hợp kim không thể hiện được (vì với tiết diện nhỏ như vậy thép
cacbon cũng được tôi thấu).
- Do tính thấm tôi tốt, dùng môi trường tôi chậm (dầu) nên khi tôi ít biến
dạng và nứt hơn so với thép cacbon luôn phải tôi nước. Do vậy các chi tiết có hình
dạng phức tạp phải qua tôi (do đòi hỏi về độ bền) đều phải làm bằng thép hợp kim.
- Khi tăng mức độ hợp kim hóa làm tăng được độ thấm tôi làm tăng độ cứng,
độ bền song thường làm giảm độ dẻo, độ dai nên lượng hợp kim cần thiết chỉ cần
vừa đủ bảo đảm tôi thấu tiết diện đ cho là đủ, không nên dùng thừa (dùng thép
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com
173
hợp kim quá cao vừa đắt vừa khó gia công lại dễ bị phá hủy giòn hơn). Do vậy có
nguyên tắc là chọn mác thép hợp kim cao hay thấp là phụ thuộc kích thước (tiết
diện).
- Tuy đạt độ bền cao hơn nhưng thường có độ dẻo, độ dai thấp hơn. Do vậy
phải chú ý đến mối quan hệ ngược này để có xử lý thích hợp (bằng ram).
Mặc dầu có ưu điểm về độ bền, nói chung thép hợp kim có tính công nghệ
kém hơn thép cacbon (trừ tính thấm tôi).
Tính chịu nhiệt độ cao
Các nguyên tố hợp kim cản trở sự khuếch tán của cacbon do đó làm
mactenxit khó phân hóa và cacbit khó kết tụ ở nhiệt độ cao hơn 200
o
C, do vậy tại
các nhiệt độ này thép hợp kim bền hơn. Một số thép hợp kim với lớp vảy ôxyt tạo

làm xô lệch mạng do đó làm tăng độ cứng, độ bền và thường làm giảm độ dẻo, độ
dai. ảnh hưởng của bốn nguyên tố trên đến hai chỉ tiêu điển hình là độ cứng và độ
dai được trình bày trên hình 5.2. Qua đó thấy rõ có hai nhóm khác nhau: Mn và Si,
Cr và Ni. Hai nguyên tố Mn và Si làm tăng rất mạnh độ cứng (độ bền) song cũng
làm giảm mạnh độ dai (độ dẻo), đặc biệt khi thép chứa 2%Si hoặc 3,5%Mn ferit
đ có độ dai rất thấp ( 500kJ/m
2
) làm thép giòn không cho phép sử dụng. Do vậy
mặc dầu có lợi thế là rẻ hơn, khả năng hóa bền cao Mn và Si chỉ được dùng với
hàm lượng hạn chế 1 ữ 2%. Như thế không thể dùng thép Mn, Si với độ thấm tôi
cao vì bị hạn chế bởi lượng đưa vào. Còn Ni và Cr (cho tới hàm lượng 4%) trong
khi làm tăng độ cứng chẳng những không làm giảm còn làm tăng chút ít độ dai.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com
174
Do vậy hợp kim hóa thép bằng Cr, Ni hay đồng thời bằng cả hai là rất tốt vì ngoài
làm tăng độ thấm tôi, bản thân chúng nâng cao độ cứng, độ bền mà vẫn duy trì tốt
độ dẻo, độ dai của ferit. Vì thế thép có độ thấm tôi cao thuộc nhóm được hợp kim
hóa bằng Cr - Ni. Mặc dầu giá thành có cao hơn (do Cr và đặc biệt Ni ngày càng
đắt, hiếm) loại thép này vẫn được ưa chuộng trong chế tạo các chi tiết đòi hỏi độ
tin cậy cao.
Với lượng nhiều (>10%) Cr, Ni, Mn chúng làm thay đổi hẳn cấu hình của
giản đồ pha Fe - C, đặc biệt rõ là làm thay đổi các khu vực của ferit và austenit.
Trên hình 5.3 trình bày ảnh hưởng của hàm lượng Mn và Cr đến khu vực
(austenit) của giản đồ pha Fe - C. Thấy rất rõ Mn (và cả Ni nữa) mở rộng (nhiệt độ
tồn tại của) khu vực (tương ứng thu hẹp khu vực ). Với hàm lượng lớn trong
khoảng 10 ữ 20% tổ chức austenit tồn tại cả ở nhiệt độ thường (không biểu thị ở
hình 5.3a), tức là khi nung nóng hay làm nguội không có chuyển biến pha
như thường gặp, thép được gọi là thép austenit. Còn Cr ngược lại thu hẹp khu vực
(tương ứng mở rộng khu vực như ở hình 5.3b). Với hàm lượng Cr đủ lớn
(khoảng gần 20%) khu vực không còn tồn tại, tổ chức ferit tồn tại cả ở nhiệt độ


Hình 5.3.
ảnh hưởng của Mn (a) và Cr (b) đến các vùng và trên giản đồ Fe-C.

Khi đưa vào thép các nguyên tố này, cacbon sẽ ưu tiên kết hợp với các
nguyên tố mạnh trước. Tùy theo nguyên tố hợp kim (Me) đưa vào và hàm lượng
của nó, trong thép hợp kim có các pha cacbit sau.
- Xêmentit hợp kim (Fe, Me)
3
C. Khi thép chứa một lượng ít (1 ữ 2%) các
nguyên tố tạo cacbit trung bình và khá mạnh là Mn, Cr, Mo, W chúng hòa tan
thay thế vị trí các nguyên tử Fe trong xêmentit tạo nên xêmentit hợp kim
(Fe, Me)
3
C. Xêmentit hợp kim có tính ổn định cao (khó phân hủy, kết tụ khi nung)
hơn xêmentit chút ít. Nhiệt độ tôi có tăng đôi chút.
- Cacbit với kiểu mạng phức tạp. Khi hợp kim hóa đơn giản (chỉ bằng một
nguyên tố hợp kim) song với lượng lớn (> 10%) Cr hoặc Mn (có d

trên. Nhiệt độ tôi của thép trong khoảng 1200 ữ 1300
o
C (xem mục thép gió
5.4.2c).
- Cacbit với kiểu mạng đơn giản MeC (Me
2
C). Các nguyên tố tạo thành
cacbit mạnh và rất mạnh là V, Ti, Zr, Nb khi đưa vào thép với lượng ít (0,1%)
cũng có khả năng liên kết hết với cacbon thành cacbit như VC, TiC, ZrC, NbC,
chúng chính là pha xen kẽ với kiểu mạng đơn giản (vì d
C
/ d
Me
< 0,59). Các đặc
tính của loại cacbit này là:
+ có độ cứng cao nhưng ít giòn hơn xêmentit,
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com
176
+ có nhiệt độ chảy rất cao (trên dưới 3000
o
C) nên rất khó phân hủy và hòa
tan vào austenit khi nung. Các nguyên tố này không có tác dụng tăng độ thấm tôi,
cacbit của chúng thường đóng vai trò giữ cho hạt nhỏ và nâng cao tính chống mài
mòn.
Như vậy các cacbit hợp kim cứng hơn, ổn định hơn, khó hòa tan vào austenit
hơn so với xêmentit làm thép hợp kim cứng, bền nóng hơn và có nhiệt độ tôi cao
hơn thép cacbon.
Do các nhóm thép sử dụng các loại nguyên tố hợp kim và lượng chứa khác
nhau nên nói chung mỗi nhóm thép thường chỉ gặp 1 ữ 2 loại cacbit kể trên, cụ thể
là:

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.
Chuyển biến khi nung nóng để tôi

Trừ một số thép đặc biệt, các thép hợp kim thông thường còn lại vẫn có tổ
chức peclit, nên khi nung nóng để tôi vẫn có các chuyển pha: peclit austenit,
cacbit hòa tan vào austenit, hạt austenit phát triển (như thép cacbon với pha cacbit
là xêmentit) song có các điểm đặc trưng sau:
- Sự hòa tan cacbit hợp kim khó hơn, đòi hỏi nhiệt độ tôi cao hơn và thời
gian giữ nhiệt dài hơn so với xêmentit trong thép cacbon. Hy so sánh các thép
cùng có 1,00%C nhưng với lượng hợp kim cao thấp khác nhau:
+ thép cacbon 1,00%C (mác CD100), Fe
3
C, nhiệt độ tôi khoảng 780
o
C,
+ thép hợp kim thấp 1,00%C + 1,50%Cr (thép ổ lăn), (Fe,Cr)
3
C, nhiệt độ tôi
khoảng 830
o
C,
+ thép hợp kim cao 1,00%C + 12,0%Cr (thép khuôn dập), Cr
23
C
6
, nhiệt độ
tôi > 1000
o
C.

vào austenit đều làm tăng độ thấm tôi (hình 5.4b). Như thấy rõ từ hình vẽ, do
đường cong chữ "C" trong thép hợp kim dịch sang phải nên có V
t.h2
< V
t.h1
của thép
cacbon, tương ứng
2
là độ thấm tôi của thép hợp kim,
1
- độ thấm tôi của thép
cacbon, ta luôn có
2
>
1
.
Nhờ hiệu quả này trong thép hợp kim có thể xảy ra các trường hợp sau mà ta
không thể gặp trong thép cacbon:
- V
t.h
bé đến mức nhỏ hơn cả V
nguội
của lõi, do đó sau khi tôi lõi cũng có tổ
chức mactenxit, đây là trường hợp tôi thấu. Hình 5.4.
So sánh giản đồ T - T - T, V
th
(a) và độ thấm tôi (b) giữa thép cacbon

Khi hòa tan vào austenit, các nguyên tố hợp kim (trừ Co, Al, Si) đều hạ thấp
nhiệt độ chuyển biến austenit thành mactenxit, do đó làm tăng lượng austenit dư
sau khi tôi (xem lại phần giải thích ở hình 4.13).
Cứ 1% nguyên tố hợp kim làm giảm M
s
như sau: Mn - 45
o
C, Cr - 35
o
C, Ni -
26
o
C, Mo - 25
o
C, còn Co làm tăng 12
o
C, Al làm tăng 18
o
C, Si không ảnh hưởng gì.
Do austenit dư tăng mạnh ở các thép có cacbon cao - hợp kim cao, độ cứng
sau khi tôi có thể bị sụt 1 ữ 10 đơn vị HRC so với mức cao nhất có thể đạt được.
Tuy đây là nhược điểm song hoàn toàn có thể khắc phục được bằng gia công lạnh
hay ram nhiều lần ở nhiệt độ thích hợp để austenit dư mactenxit, độ cứng lại
đạt được mức cao nhất.

e.

Chuyển biến khi ram
Nói chung các nguyên tố hợp kim hòa tan trong mactenxit đều cản trở sự
phân hóa của pha này khi ram hay nói cụ thể hơn là làm tăng các nhiệt độ chuyển

6
C ở 550 ữ 600
o
C,
(VC, TiC, ZrC, NbC không hòa tan khi nung nóng nên không tiết ra).
Nhờ vậy dẫn đến các hiệu ứng sau.
- Nâng cao tính chịu nhiệt độ cao, tính bền nóng, tính cứng nóng.
- Do khuếch tán khó khăn cacbit tạo thành rất phân tán và nhỏ mịn, làm tăng
độ cứng và tính chống mài mòn, được gọi là hóa cứng phân tán. Sự tăng độ cứng
khi ram thép hợp kim ở nhiệt độ thích hợp làm cho austenit dư mactenxit và
cacbit tiết ra ở dạng phân tán, nhỏ mịn được gọi là độ cứng thứ hai.
- Cùng ram hay cùng làm việc ở một nhiệt độ, thép hợp kim bao giờ cũng có
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com
179
độ cứng, độ bền cao hơn. Điều này cũng có nghĩa để cùng đạt độ cứng độ bền như
nhau, phải ram thép hợp kim ở nhiệt độ cao hơn nên khử bỏ được ứng suất bên
trong nhiều hơn vì thế thép có thể bảo đảm độ dai tốt.
Tóm tắt các tác dụng tốt của nguyên tố hợp kim là:
+ khi hòa tan vào dung dịch rắn:
ferit làm tăng xô lệch mạng gây hóa bền (cacbon cũng có tác dụng này
song chỉ ở trạng thái tôi, sau khi ram bị giảm rất mạnh),
austenit làm tăng tính ổn định của austenit quá nguội, giảm V
t.h
, tăng độ
thấm tôi, thép tôi ít biến dạng và gy vỡ hơn nhờ dùng dầu và các môi trường
nguội chậm hơn.
+ khi tạo thành cacbit hợp kim:
bản thân pha này cứng và chống mài mòn hơn xêmentit, khó hòa tan khi
nung giữ cho hạt nhỏ,
khó tiết ra khỏi mactenxit hơn nên gây nên bền nóng và cứng nóng,

gặp ở nhà máy cơ khí, nơi chỉ gia công tiếp tục các bán thành phẩm cán thành sản
phẩm cơ khí với hình dạng, kích thước, cơ tính theo quy định.
Giòn ram
Đối với thép cacbon, khi tăng nhiệt độ ram độ dai tăng lên liên tục cho đến
650
o
C (vượt quá sẽ tạo ra peclit - hỗn hợp ferit - xêmentit thô, độ dai giảm đi), còn
đối với thép hợp kim thấy có hai cực tiểu về độ dai ở hai khoảng nhiệt độ ram
(hình 5.5) mà ta gọi là giòn ram, ứng với hai cực tiểu đó là hai loại giòn ram.
Nguyên nhân của chúng chưa xác định được rõ ràng.
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com
180
Giòn ram loại I (không thuận nghịch, không chữa được). Loại giòn ram này
thể hiện rất rõ ở trong thép hợp kim khi ram ở khoảng 280 ữ 350
o
C (mỗi mác có
một khoảng hẹp hơn trong phạm vi này), khi đó thấy độ dai rất thấp, đối với một
số loại thép nó còn thấp hơn cả ở trạng thái mới tôi. Các thép cacbon cũng bị giòn
ram loại này và xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn. Nguyên nhân có thể là do trong
khoảng nhiệt độ này cacbit được tiết ra khỏi mactenxit có dạng tấm hay
dư

M, làm thép trở nên giòn.
Đây là loại giòn không thể tránh được, tốt hơn cả là tránh ram ở khoảng
nhiệt độ gây ra giòn ram này cho mỗi mác (khoảng hẹp hơn, chỉ 10 ữ 20
o
C so với
70
o
C kể trên).

sau khi ram cao,
- với các chi tiết lớn làm nguội như vậy vẫn không đủ nhanh để làm mất giòn
ram, lúc này phải dùng thép có hợp kim hóa thêm bằng 0,20 ữ 0,50%Mo hay 0,50
ữ 1,00%W.

g.

Phân loại thép hợp kim
Đối với thép hợp kim có nhiều cách phân loại hơn và mỗi loại cũng cho biết
một đặc trưng cần biết để sử dụng tốt hơn.
Theo tổ chức cân bằng

Theo tổ chức cân bằng (ở trạng thái ủ), với lượng cacbon tăng dần có thể lần
lượt được các thép với tổ chức sau:
- thép trước cùng tích: peclit + ferit tự do,
- thép cùng tích: peclit,
- thép sau cùng tích: peclit + cacbit tự do,
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com
181
- thép lêđêburit (cacbit): có lêđêburit.
Riêng trường hợp thép được hợp kim hóa cao chủ yếu bằng một trong hai
nguyên tố Cr, Mn hay Cr - Ni, sẽ có:
- thép ferit: loại có Cr rất cao (> 17%) và thường rất ít cacbon,
- thép austenit: loại có Mn cao (> 13%) và thường có cacbon cao, và
loại có Cr (> 18%) + Ni (> 8%).
Theo tổ chức thường hóa

Theo tổ chức thường hóa các mẫu nhỏ 25, theo lượng nguyên tố hợp kim
tăng lên sẽ có các thép sau đây (hình 5.6):
- thép họ peclit: loại hợp kim thấp, đường cong chữ "C" sát trục tung, nguội

182
Theo tổng lượng nguyên tố hợp kim
Theo tổng (hàm) lượng của các nguyên tố hợp kim có trong thép từ thấp đến
cao, người ta chia ra:
- Thép hợp kim thấp: loại có tổng lượng < 2,5% (thường là thép peclit).
- Thép hợp kim trung bình: loại có tổng lượng từ 2,5 đến 10% (thường là
thép họ từ peclit đến mactenxit).
- Thép hợp kim cao: loại có tổng lượng >10% (thường là họ mactenxit hay
austenit)
Trong sách này dùng theo cách phân loại trên đ quen thuộc ở nước ta, theo


OCT. Tuy nhiên các nước trên thế giới quan niệm hợp kim hóa cao thấp không
giống nhau. Trung Quốc cũng có ba loại như trên song ranh giới giữa thấp và
trung bình là 5% chứ không phải là 2,5%. Các nước Tây Âu chỉ phân biệt hai loại
thấp và cao, trong đó hợp kim thấp là loại không chứa nguyên tố hợp kim nào
nhiều hơn 5%, còn hợp kim cao là loại có ít nhất một nguyên tố nhiều hơn 5%.
Theo công dụng
Theo công dụng người ta chia thép hợp kim ra làm ba nhóm:
- thép hợp kim kết cấu,
- thép hợp kim dụng cụ và
- thép hợp kim đặc biệt,
trong đó hai nhóm đầu cũng có trong loại thép cacbon, còn nhóm thứ ba thì không
có. Đây là nhóm với tính chất vật lý - hóa học đặc biệt, thường chứa tổng lượng
hợp kim cao và rất cao (> 20%).
Các cách phân loại trên thường có quan hệ với nhau và cho biết một số đặc
trưng của thép. Thép austenit, ferit bao giờ cũng là loại thép đặc biệt, hợp kim cao
hoặc rất cao, đắt và khó gia công cắt. Thép mactenxit là loại thép rất dễ tôi song
rất khó gia công cắt phôi ở trạng thái cung cấp. Thép lêđêburit bao giờ cũng thuộc
nhóm hợp kim cao - cacbon cao, rất cứng để làm dụng cụ. Thép Cr - Ni bao giờ

OCT ký hiệu thép hợp kim theo trật tự sau đây:
- số chỉ hàm lượng cacbon trung bình theo phần vạn (nếu là thép kết cấu) và
phần nghìn (nếu là thép dụng cụ, loại có cacbon cao), khi 1,00% không biểu thị,
- các nguyên tố hợp kim theo chữ cái Nga (thường là chữ đầu theo tên gọi,
nếu trùng phải lấy chữ khác) như sau:
theo chữ cái đầu tiên có: X cho crôm, H cho niken, B cho vonfram,
M cho môlipđen, T cho titan, K cho côban;
theo chữ cái tiếp sau có: cho mangan, C cho silic, cho vanađi,
cho đồng, cho nhôm, P cho bo,
- thành phần của từng nguyên tố được biểu thị theo phần trăm đặt ngay
sau mỗi chữ cái tương ứng, khi lượng chứa < 1,5% không biểu thị.
- các thép chuyên dùng như thép gió, ổ lăn, kỹ thuật điện... có quy ước
riêng.
Theo đó bốn ký hiệu thép trên của TCVN sẽ tương ứng với OCT như sau:
40Cr là 40X, 12CrNi3 là 12XH3, 140CrW5 hay CrW5 là XB5, nhưng 90CrSi là
9XC. Qua đó thấy có những sai khác nhỏ, song cách ký hiệu thép của TCVN về cơ
bản là của

OCT, rất dễ viết chuyển đổi cho nhau.

Tiêu chuẩn Hoa Kỳ
Đối với thép hợp kim kết cấu, Hoa Kỳ thường sử dụng AISI và SAE, chúng
có cách biểu thị giống nhau bằng bốn số xxxx nên được viết là AISI/SAE xxxx,
trong đó hai số cuối biểu thị lượng cacbon theo phần vạn trung bình. Sau đây là
một số quy ước:
thép cacbon 10xx,
thép cacbon có mangan nâng cao 15xx,
thép dễ cắt (2 loại) 11xx, 12xx,
thép mangan 13xx,
thép niken (2 loại) 23xx, 25xx,

Tiêu chuẩn Nhật Bản
JIS cũng ký hiệu thép hợp kim bắt đầu bằng chữ S song tiếp theo có những
chữ cái biểu thị loại thép hợp kim và cuối cùng là ba số xxx (trong đó hai số cuối
chỉ phần vạn cacbon trung bình) hay một hoặc hai số theo thứ tự:
SCrxxx - thép kết cấu crôm, SNCxxx - thép kết cấu niken - crôm,
SMnxxx - thép mangan, SCMxxx - thép kết cấu crôm - môlipđen,
SACMxxx - thép nhôm - crôm - môlipđen,
SNCMxxx - thép kết cấu niken - crôm - môlipđen,
SUJx - thép ổ lăn, SUMx - thép dễ cắt,
SUPx - thép đàn hồi, SUSxxx - thép không gỉ (xxx lấy theo AISI),
SUHx - thép bền nóng, SKx - thép dụng cụ cacbon,
SKHx - thép gió, SKSx, SKDx, SKTx - thép dụng cụ hợp kim.
5.2.

Thép xây dựng
Đây là nhóm thép được dùng ở trạng thái cung cấp không qua nhiệt luyện,
chủ yếu để làm các kết cấu xây dựng.
5.2.1.

Đặc điểm chung - phân loại

a.

Đặc điểm chung
Các kết cấu thép xây dựng thường là các thanh (dầm) dài ghép lại với nhau
bằng các mối hàn chảy hoặc bắt bulông, tán rivet, chúng đòi hỏi các yêu cầu kỹ
thuật sau.
Về cơ tính, ngoài yêu cầu về độ bền mà bất cứ vật liệu kết cấu nào cũng đòi
hỏi ra, thép xây dựng phải có:
- độ dẻo tốt và cao ( ~ 15 ữ 35%) để phù hợp với đòi hỏi trong quá trình

không thể đạt được độ bền rất cao nhờ tăng cacbon, hợp kim hóa và nhiệt luyện.
Nói chung để bảo đảm tính hàn thép phải có C

0,22%, thép với lượng cacbon >
0,25% tính hàn đ trở nên kém. Nếu tính cả các nguyên tố khác để xác định tính
hàn người ta thường dùng khái niệm cacbon đương lượng C
đ.l
tính theo công thức:

15
CuNi
5
VMoCr
6
Mn
CC
dl
+
+
++
++=
không được vượt quá 0,55%.
Trong quá trình chế tạo kết cấu đôi khi thép cũng phải qua cắt gọt (ví dụ,
khoan lỗ để bắt bulông) nhưng không nhiều, song nói chung thép xây dựng không
phải là loại khó cắt gọt. Do tính chất chịu lực (cần dẻo dai tốt) và do đặc thù kích
thước (rất dài) nên rất khó tiến hành nhiệt luyện trên thành phẩm, vì vậy khả năng
nhiệt luyện không được đặt ra với thép này, vì thế thép thường được sử dụng trực
tiếp ở trạng thái cung cấp từ nhà máy luyện kim. Nếu thép dược nhiệt luyện tôi +
ram để hóa bền thì nguyên công này được tiến hành trên bán thành phẩm ở nhà
máy luyện kim (xưởng cán).

này thường được ký hiệu (gắn mác, đánh số) theo độ bền: giới hạn bền (hay giới
hạn chảy) hoặc theo cấp thứ tự (1, 2, 3... hay A, B, C...).
Ví dụ, để chọn dây thép chằng buộc hàng thép không những không bị đứt
mà phải không được gin dài ra dưới ứng suất làm việc, trong trường hợp này phải
chọn theo giới hạn chảy, từ đây sẽ tìm ra mác thép có
0,2
phù hợp.

b.

Tiêu chuẩn Việt Nam
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com
186
TCVN 1765 - 75 quy định các mác và yêu cầu kỹ thuật cho thép cacbon kết
cấu thông thường chính là nhóm này. Thép được chia thành ba phân nhóm A, B và
C, trong đó phân nhóm A được sử dụng rất phổ biến.
Bảng 5.1.
Cơ tính của các thép thông dụng phân nhóm A (TCVN 1765-75)

0,2
, kG/mm
2
(không nhỏ
hơn), cho độ dày, mm

5
(1)
, % (không
nhỏ hơn), cho độ
dày, mm

20
20-
40
>40

20
>20
CT31 >31 - - - - 23 22 20
d=2a
CT33s, 31-40 - - - - 35 34 32 d=0
CT33n,
CT33
32-42 - - - - 34 33 31 d=0
CT34s 33-42 22 21 20 19 33 32 30 d=0
CT34n,
CT34
34-44 23 22 21 20 32 31 29 d=0
CT38s 37-47 24 23 22 20 27 26 24
d=0,5a
CT38n,
CT38
38-49 25 24 23 21 26 25 23
d=0,5a
CT38Mn
38-50 25 24 23 21 26 25 23
d=0,5a
CT42s 41-52 26 25 24 23 25 24 22
d=2a
CT42n,
CT42

dày

của

mẫu
Ghi chú: 1 -
5
là độ gin dài của mẫu có l
0
= 5d
0
Phân nhóm A (thứ nhất)
Phân nhóm A quy định các mác bằng CTxx, trong đó xx là số chỉ giới hạn
bền tối thiểu theo kG/mm
2
gồm bảy mác chính từ CT31 đến CT61, nó chỉ được
bảo đảm về mặt cơ tính mà không bảo đảm về thành phần hóa học (tức là về
nguyên tắc nó có thành phần C và các nguyên tố bất kỳ miễn sao đạt được các chỉ
tiêu cơ tính, tuy nhiên như đ biết trong điều kiện thông thường cho thép cacbon
vẫn có sự phụ thuộc của độ bền vào hàm lượng cacbon, theo kinh nghiệm thì từ
CT33 trở đi các mác chênh lệch nhau 0,06 ữ 0,07%C, tức CT38 có khoảng 0,18 ữ
0,21%C, CT51 - 0,30 ữ 0,35%C). Ví dụ CT38 có
b
38kG/mm
2
hay 380MPa,
các chỉ tiêu khác như
0,2
, , , a
K

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
0,04 0,05
BCT34n 0,09-0,15 0,25-0,50 0,05-0,17 0,04 0,05
BCT34 0,09-0,15 0,25-0,50 0,12-0,30 0,04 0,05
BCT38s 0,14-0,22 0,30-0,60
0,07
0,04 0,05
BCT38n 0,14-0,22 0,40-0,65 0,05-0,17 0,04 0,05
BCT38 0,14-0,22 0,40-0,65 0,12-0,30 0,04 0,05
BCT38Mn 0,14-0,22 0,80-1,10
0,15
0,04 0,05
BCT42s 0,18-0,27 0,40-0,70
0,07
0,04 0,05
BCT42n 0,18-0,27 0,40-0,70 0,05-0,17 0,04 0,05
BCT42 0,18-0,27 0,40-0,70 0,12-0,30 0,04 0,05
BCT51n 0,28-0,37 0,50-0,80 0,05-0,17 0,04 0,05
BCT51 0,28-0,37 0,50-0,80 0,15-0,35 0,04 0,05
BCT52nMn 0,22-0,30 0,80-1,20
0,15
0,04 0,05
BCT61n 0,38-0,49 0,50-0,80 0,05-0,17 0,04 0,05
BCT61 0,38-0,61 0,50-0,80 0,15-0,35 0,04 0,05
Ghi chú: mọi thép trừ BCT31 có thể chứa < 0,30Cr, < 0,30Ni, < 0,30Cu, song tổng
lượng của chúng không vượt quá 0,50%.