Vật liệu xây dựng chuyên ngành Thép chất lượng cao

Thép chất lượng cao

GVHD: TS. Nguyễn
Nhóm x:

1. MỞ ĐẦU

Cuối thế kỷ 19, vật liệu thép bắt đầu được sử dụng trong các cơng trình nhà và cầu
Hiện nay các cơng trình cầu và nhà
đã phát triển với quy mơ rất lớn, có
khả năng chịu các tải trọng lớn và
các tác động của môi trường như
nước biển, động đất, gió bão, hỏa
hoạn..
Thép chất lượng cao (HPS) ra đời
đem lại sự cân bằng tối ưu giữa các
tính năng của chúng với giá thành
sản xuất

2

2. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THÉP
CHẤT LƯỢNG CAO

2.1. Khái niệm thép chất lượng cao
Thép chất lượng cao là thép thế hệ
mới có sự kết hợp tối ưu giữa cường
độ và các tính năng khác của thép
nhằm mang lại hiệu quả sử dụng lớn
nhất cho kết cấu đồng thời đảm bảo
giá thành hợp lý.

3

Đặc điểm của HPS:

 Hàm lượng carbon và hệ số đương lượng carbon thấp, do đó có tính hàn cao.
 Có thể hàn với nguồn gia nhiệt thấp, thậm chí khơng cần gia nhiệt và khơng đòi

hỏi kỹ thuật hàn phức tạp.
 Độ bền dai lớn, bởi vậy chúng có thể làm việc ổn định ở vùng có nhiệt độ thấp

mà khơng bị phá hoại giịn.
 Có khả năng chịu động đất và làm tăng độ vững chắc của kết cấu cơng trình
 Có khả năng chống ăn mịn do thời tiết và có thể sử dụng mà không cần sơn

phủ bảo vệ.

4

2.2. Các tiêu chuẩn thiết kế

Tiêu chuẩn về HPS của Mỹ

 ASTM A709 và AASHTO M270: (các
đặc tính kỹ thuật của thép kết cấu dùng
cho cầu).

 ASTM A992: (các đặc tính kỹ thuật của
thép hình dùng cho kết cấu).

 HPS được chia thành 3 cấp: giới hạn
chảy tối thiểu là 50, 70, 100 ksi (345,
485 và 690 MPa),

 Ký hiệu là HPS 50W (HPS 345W), HPS
70W (HPS 485W), HPS 100W (HPS
690W). Ký hiệu W biểu thị tính bền với
thời tiết.

5

2.2. Các tiêu chuẩn thiết kế

Tiêu chuẩn về HPS của châu Âu

 HPS có giới hạn chảy tối thiểu là 355 MPa và được chia ra thành
rất nhiều loại theo các tiêu chuẩn dưới đây :

 EN 10025-3: thép tiêu chuẩn hạt mịn
 EN 10025-4: thép cán nhiệt-cơ hạt mịn
 EN 10025-5: Thép kết cấu có sức kháng ăn mịn thời tiết cao
 EN 10025-6: (thép kết cấu có giới hạn chảy cao được sản xuất

bằng phương pháp tôi và ram

6

2.3. Phương pháp sản xuất
Phương pháp kiểm soát nhiệt-cơ (TMCP)
 Q trình kiểm sốt nhiệt-cơ: kiểm sốt thành phần hóa học

được kết hợp chặt chẽ với quá trình nhiệt-cơ.
 TMCP chia thành 2 loại:

- Cán nhiệt-cơ TM: thường dùng để sản xuất các loại
HPS có giới hạn chảy 300-550 MPa.
-Cán nhiệt-cơ kết hợp làm nguội tăng tốc TM & ACC :
sản xuất HPS có giới hạn chảy 350-700 MPa.

7

Phương pháp kiểm
soát nhiệt-cơ (TMCP)

 Cho phép giảm đáng kể hàm lượng carbon so với thép thơng thường
 Cho phép tạo ra các loại thép có cấu trúc vi mô siêu mịn.

So sánh cấu trúc vi mô của HPS
với thép thông thường

N: phương pháp thông thường,
TM: cán nhiệt-cơ,

TM&ACC: cán nhiệt-cơ kết hợp
làm nguội tăng tốc,
QT: tôi và ram.

8

2.3. Phương pháp sản xuất

Phương pháp tôi và ram
 Phương pháp tôi và ram (Quenching and

Tempering-QT) cho phép sản xuất thép cường
độ siêu cao.
 Giới hạn chảy của thép có thể đạt đến 1100
MPa.
 Phương pháp này được chia thành 2 bước:

Bước 1 là tôi
Bước 2 là ram.

9

3. CÁC TÍNH CHẤT CỦA THÉP CHẤT
LƯỢNG CAO

3.1. Thành phần hố học
• Để có được các tính năng mong muốn, HPS yêu cầu rất chặt chẽ về thành phần

hóa học:
• Hàm lượng carbon và đương lượng carbon cần được khống chế nhằm cải thiện

tính hàn;
• Cường độ của HPS phụ thuộc vào hàm lượng các nguyên tố Mn, Mo, V, Nb;
• Thành phần Cr, Cu và Ni cho phép nâng cao khả năng chống ăn mịn;
• Si, Al đóng vai trị khử oxy;
• Thành phần S, P cần được hạn chế tối đa để không ảnh hưởng đến cường độ và

tính hàn của thép chất lượng cao.

10

3.2. Các tính chất cơ học

11

3.3. Đặc tính mỏi
 Kiểm sốt phá hoại giịn là một tính năng vượt trội của HPS.
 Sức kháng mỏi lớn hơn rất nhiều so với thép thông thường.
 Quá trình chuyển tiếp từ trạng thái dẻo sang trạng thái giòn xảy ra ở

nhiệt độ thấp hơn nhiều so với thép thông thường.
 Yêu cầu về tính bền dai nhằm tránh hiện tượng phá hoại giịn cho kết

cấu thép khi khai thác ở nhiệt độ thấp.

12

3.4. Tính hàn
 Hàm lượng carbon càng lớn sẽ làm tăng nguy cơ nứt xảy ra khi hàn, do

đó địi hỏi kỹ thuật hàn phức tạp và làm tăng chi phí thi cơng.
 Để đảm bảo tính hàn, HPS có:

- Hàm lượng carbon rất thấp;
- Các thành phần hoá học thúc đẩy q trình nóng chảy nhưng
không gây nứt hoặc phát sinh các khuyết tật sau khi hàn
 . Việc cải thiện tính hàn cho phép giảm nhiệt độ gia nhiệt, giảm nguy cơ
nứt do oxy hóa và giảm giá thành sản xuất kết cấu.

13

3.5. Các đặc tính về thời tiết
 Một trong những mục tiêu nghiên cứu ban đầu của thép chất lượng cao

là các đặc tính về thời tiết.
 HPS có khả năng chống ăn mịn cao hơn thép truyền thống có cùng

cường độ.
 Thép chịu thời tiết (thép chống ăn mòn – Weathering Steel) rất bền với

thời tiết và có khả năng chống ăn mịn cao.
 Loại thép này có thể sử dụng mà khơng cần sơn phủ bảo vệ hoặc các

biện pháp chống ăn mòn khác.

14

4. CÁC LOẠI THÉP CHẤT LƯỢNG CAO

Các loại thép HPS:
Thép cường độ cao
Thép có tính hàn cao
Thép chịu nhiệt
Thép chịu động đất
Thép chống ăn mòn (thép chịu thời tiết)

15

4.1. Thép có tính hàn cao

• Hàn phải đảm bảo tính dễ thi cơng, chất lượng và tính kinh tế
• Các cơng trình đặc biệt ở dưới nước và các kết cấu ở vùng khí hậu lạnh

(Alaska, Siberie, biển Bắc,…) cần dùng thép có cường độ và độ dai cao đồng
thời phải hàn được dễ dàng.
• Để có tính hàn cao, hàm lượng carbon phải được kiểm sốt chặt chẽ
• Hàm lượng carbon được khống chế nhỏ hơn 0,1%
• Thép có hàm lượng carbon cực thấp (ULCB) được sử dụng ở Mỹ là HT590:
hàm lượng carbon nhỏ hơn 0,06%.
• Các loại HPS theo các tiêu chuẩn của JIS - Nhật Bản đều có tính hàn cao.
• 3 loại thép dành cho cơng trình cầu BHS (Bridge Highperformance Steel) :
BHS500 và BHS500W không cần gia nhiệt trước khi hàn, BHS700W có thể hàn
với nhiệt độ gia nhiệt thấp (500C).

16

4.2. Thép chịu nhiệt

• Thép chịu nhiệt có thêm một số thành phần hạt mịn như Mo, Nb, Cr, W, V, Ti.
• Được kiểm sốt chặt chẽ các q trình ứng xử nhiệt khi chế tạo.
• Thép chịu nhiệt của Nhật Bản (theo JISF203b) đảm bảo giới hạn chảy gần như

không đổi đến 400oC và ≥ 2/3 lần giới hạn chảy ở nhiệt độ phịng cho đến
600oC
• Thơng thường, ở 6000C, giới hạn chảy > 200 MPa và môđun đàn hồi ≥ 80% mô
đun đàn hồi cơ sở (ở nhiệt độ phịng).
• Các vật liệu hàn và bu lơng cường độ cao với tính năng chịu nhiệt cũng được
nghiên cứu phát triển phổ biến.

17

4.3. Thép chịu động đất

• Các tinh thể hình thành ở nhiệt độ thấp: bainite và martensite là mấu chốt để gia
tăng cường độ chịu uốn và chịu kéo.

• Có thể thêm Nb và Mn và điều chỉnh kích thước các phần tử hạt.

18

4.4. Thép chịu thời tiết

• Có khả năng chống ăn mịn khí quyển bằng cách tạo ra lớp oxit bảo vệ trên bề
mặt thép.

• Lớp oxit này tồn tại dưới dạng một lớp gỉ mịn bao phủ bề mặt thép và ngăn chặn
q trình ăn mịn sâu hơn.

• Khơng cần sơn phủ hoặc các biện pháp chống gỉ khác
• Giảm thời gian thi cơng, giảm chi phí bảo dưỡng và tăng tuổi thọ kết cấu cơng

trình.
• Thành phần có thêm một lượng nhỏ các hợp kim như Cu, Cr, Ni để tạo lớp gỉ

bảo vệ.

19

5. ỨNG DỤNG CỦA THÉP CHẤT
LƯỢNG CAO

Ống thép nhồi bê tông CFT (concrete filled tube)

20