XCAS ĐỊNH HÀM LƯỢNG SẮT TRONG THÉP XÂY DỰNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT
 ☼ 



BÁO CÁO

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG
( 2006 )




Tên đề tài:


XÁC ĐỊNH HÀM LƯNG SẮT (Fe)
TRONG THÉP XÂY DỰNG

HỒ THỊ BÍCH NGỌC ( Khoa Hóa học) Chủ nhiệm đề tài:

Cộng tác viên: Nguyễn Hải Hà

Lê Thò Hải- Nguyễn Thò Như Mai
Đặng Thò Vónh Hòa- Phạm Nữ Ngọc Hân









MỤ
Ï
C

LỤ
Ï
C

MUC LUC
Trang
ĐẶT VẤN ĐỀ
1
PHẦN THỨ NHẤT:
TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
2

I. Sắt
I.1. Tính chất vật lý 2
I.2. Tính chất hóa học 2
I.3. Phương pháp điều chế 2
I.4. Trạng thái thiên nhiên 3
I.5. Ứng dụng 4
II. Thép
II.1. Thành phần, cấu tạo và đặc tính của thép 5
II.2. Các phương pháp chế tạo thép 10
II.3. Các loại thép thường dùng 13
II.3.1. Các phương pháp phân loại thép 13
II.3.2. Ký hiệu và công dụng của nhóm thép cán 15
nóng thông dụng (nhóm thép dùng trong xây dựng)
III. Các phương pháp phân tích đònh lượng sắt trong thép
III.1. Phân tích khối lượng 17
III.2.Phân tích thể tích 17
III.3. Các phương pháp phân tích hóa lý 18
PHẦN THỨ HAI:
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

19
I. Phương pháp phân tích khối lượng đònh lượng sắt
I.1. Nguyên tắc của phân tích khối lượng 19
I.2. Phân loại các phương pháp phân tích khối lượng 19
I.3. Phương pháp kết tủa xác đònh sắt trong thép xây dựng 19
I.3.1. Sơ đồ của sự xác đònh 19
I.3.2. Nghiên cứu xây dựng quy trình 19
I.3.3. Chuẩn bò mẫu 20
I.3.4. Phương pháp tính toán 20
II. Phương pháp chuẩn độ thể tích

II.1. Nguyên tắc của phân tích thể tích 22
II.2. Các phương pháp phân tích thể tích 22

II.3. Phương pháp chuẩn độ oxi hóa – khử xác đònh sắt 22
trong thép xây dựng
III. Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử (EAS)
III.1. Nguyên tắc 23
III.2. Quy trình phân tích 23
PHẦN THỨ BA:
THỰC NGHIỆM
24
I. Máy móc, dụng cụ, hóa chất 24
II. Nghiên cứu xây dựng quy trình phân tích bằng phương pháp
khối lượng

II.1. Khảo sát quy trình tạo kết tủa và nung kết tủa 25
II.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình tạo
kết tủa 25
II.1.2. Khảo sát các nguyên tố ảnh hưởng đến kết tủa 26
II.1.3. Khảo sát thời gian nung kết tủa 27
II.1.4. Khảo sát nhiệt độ nung kết tủa 28
II.2. Khảo sát quy trình phá mẫu 29
II.2.1. Khảo sát loại acid phá mẫu thích hợp 29
II.2.2. Khảo sát tỷ lệ mẫu : acid 30
II.2.3. Khảo sát nhiệt độ phá mẫu 30
II.2.4. Khảo sát thời gian phá mẫu 31
III. Xác đònh hàm lượng sắt trong các loại thép xây dựng bằng
phương pháp khối lượng
III.1. Quy trình phân tích 32
III.2. Xác đònh sai số của phương pháp 34

III.3. Tiến hành phân tích trên các mẫu cụ thể 34
III.3.1. Chuẩn bò mẫu 34
III.3.2. Phân tích mẫu 34
IV. Phân tích sắt bằng phương pháp chuẩn độ oxi hóa – khử 37
V. Phân tích sắt bằng phương pháp quang phổ phát xạ 39
VI. Kết quả phân tích sắt trong thép xây dựng bằng các
phương pháp 40
KẾT LUẬN
41













TÀ
Ø


L Ệ
Ä
U

THAM

KHẢ
Û
O

TA L EU THAM KHAO

1.Hóa học vô cơ- Hoàng Nhâm-Nhà xuất bản Giáo Dục, 2003
2.Hóa học vô cơ, các kim loại điển hình - PGS. Nguyễn Đức Vận
Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2004
3.Hóa đại cương-Nguyễn Đình Soa- Đại học Bách Khoa TPHCM,2005
4.Cơ sở hóa học phân tích- A.P.Kreskov
Nhà xuất bản Đại học và Giáo Dục chuyên nghiệp, Hà Nội –
Nhà xuất bản Mir, Maxcơva
5.Hóa học phân tích, cơ sở lý thuyết các phương pháp Hóa học phân tích-
Từ Vọng Nghi-Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia Hà Nội, 2001
6.Các phương pháp Hóa phân tích- G. Saclô
Nhà xuất bản Đại học và Giáo Dục chuyên nghiệp, 1978
7.Phân tích Lí – Hóa- Hồ Viết Quý-Nhà xuất bản Giáo Dục, 2000
8.Phân tích Hóa – Lí- Từ Văn Mặc-Nxb. Khoa học và Kỹ thuật, 1995
9.Các phương pháp phân tích Vật lí và Hóa lí- Nguyễn Đình Triệu
Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2001
10.Xử lý thống kê trong thực nghiệm hóa học-Cù Thành Long-
Trường Đại học Tổng hợp TPHCM,1994
11.Tiêu chuẩn Việt Nam, Thép kết cấu và thép dùng trong xây dựng
Nhà xuất bản Xây Dựng, 2001
12.Tính toán bằng đồ thò trong công nghệ chất vô cơ-Nxb. KHKT , 1977
13.Kim loại học-VLKL - Lê ngọc Quý-Đại học Bách Khoa TPHCM,2005
14.Vật liệu học-Lê Công Dưỡng-Nxb. Khoa học và Kỹ thuật, 1997

15.Handbook of Analytical Chemistry- Ju.Lurie-Mir Publishers Moscow
16. Principles of Quantitative Chemical Analysis- Robert de Levie
17. Modern Inorganic Chemistry - William.L.Jolly
Second Edition – McGraw – Hill, Inc. New York, 1991
18. Comparative Inorganic Chemistry - Bernard M
Edward Arnord, New York 1991
19.General Chemistry-N.L.Glinka-Mir Publlisher Moscow,1981
20.Standard Methods of Chemical Analysis-N.Howell Furman-Toronto

ĐẶT VẤN ĐỀ

Thép là hợp kim trên cơ sở sắt và cacbon, là sản phẩm của ngành
luyện kim nói chung, ngành luyện kim đen nói riêng. Thép có mặt ở
khắp mọi nơi : từ dụng cụ gia đình cho tới các tác phẩm nghệ thuật,
trong công nghiệp cơ khí (máy móc, công cụ và dụng cụ), trong ngành
xây dựng (nhà cửa, cầu cống...), trong giao thông vận tải (đường sắt,
tàu biển, ôtô, máy bay...), trong ngành năng lượng (khai thác than, dầu
mỏ, nhiệt điện và thủy điện), trong quốc phòng (vũ khí, xe cộ...), chúng
hiện chiếm khoảng 90% tổng khối lượng vật liệu kim loại dùng trong
công nghiệp của thế giới.
Ngày nay, nhiều loại vật liệu mới đã ra đời, nhưng vò trí then chốt
của thép vẫn chưa bò thay đổi; việc sản xuất thép, gang với khối lượng
lớn khá ổn đònh, và đã có thể chế tạo ra các loại thép với những tính
chất rất khác nhau nhờ hợp kim hóa, nhờ kỹ thuật nhiệt luyện. Do vậy,
chúng có thể thỏa mãn được những đòi hỏi rất đa dạng trong thực tế.
Tính chất của thép phụ thuộc chủ yếu vào thành phần hóa học của
nó cũng như vào kỹ thuật chế tạo (nhiệt luyện thép). Để đánh giá chất
lượng thép người ta dựa vào phương pháp phân tích thành phần kết hợp
với các phương pháp kiểm tra tính chất cơ lý.
Việc phân tích thành phần của thép thường được tiến hành bằng các

phương pháp hóa lý (phân tích quang phổ, phân tích điện hóa...). Với
hy vọng xây dựng một quy trình phân tích thép đơn giản, nhanh chóng,
tương đối chính xác bằng phương pháp hóa học, trong đề tài này, bước
đầu chúng tôi :
- Tiến hành khảo sát, phân tích sắt trong thép xây dựng - một loại vật
liệu quan trọng, có vai trò quyết đònh đến chất lượng của các công
trình xây dựng - bằng phương pháp khối lượng.
- Kiểm tra, so sánh kết quả nghiên cứu bằng các phương pháp chuẩn
độ oxi hóa – khử; phân tích quang phổ phát xạ.





1
PHẦN I :PHẦN I : TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
I.
Sắt
[1,2,17,18]
Kí hiệu hóa học : Fe (Z=26) 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d

6
4s
2

Sắt thuộc phân nhóm VIII
B
, chu kỳ IV bảng phân loại tuần hoàn.

B
I.1. Tính chất vật lý
Sắt là kim loại màu trắng xám, có ánh kim, dễ rèn và dát mỏng.
Trong thiên nhiên sắt có 4 đồng vò bền
54
Fe,
56
Fe ,
57
Fe và
58
Fe.

t
o
nóng chảy
= 1536
o
C, t
o
sôi
= 2880

o
C, tỉ khối d= 7.91g/cm
3
.
Sắt có 4 dạng thù hình bền ở những khoảng nhiệt độ xác đònh.
1536 ± 5
0
C
1390 ± 5
0
C
911 ± 5
0
C
768 ± 5
Feα Feβ Feγ Feδ Fe lỏng
Những dạng α, β và γ có kiến trúc tinh thể kiểu lập phương tâm khối
(Hình 1a), Feγ có kiến trúc tinh thể lập phương tâm diện (Hình 1b).
Sắt tạo nên rất nhiều hợp kim quan trọng, đặc biệt là hợp kim Fe – C.
Tùy thuộc vào lượng C trong sắt người ta chia ra : Sắt mềm (< 0,2 %C),
thép (0,2 ÷ 2,14%C) và gang (2,14 ÷ 5 %C).
I.2. Tính chất hóa học
Sắt là kim loại có hoạt tính hóa học trung bình.
Ở điều kiện thường nếu không có hơi ẩm, sắt không tác dụng rõ rệt
ngay với những nguyên tố không kim loại điển hình như O
2
, S, Cl
2
, Br
2

vì có màng oxit bảo vệ. Nhưng khi đun nóng, phản ứng xảy ra mãnh
liệt, nhất là khi kim loại ở trạng thái chia nhỏ.

(a) (b)
Hình 1 : Kiến trúc tinh thể của Feα, Feβ và Feδ (a)
Kiến trúc tinh thể của Feγ (b).

2
t
0
Ở dạng bột mòn, khi đun nóng sắt tác dụng trực tiếp với khí CO tạo
thành cacbonyl kim loại.
Ở dạng bột mòn, khi đun nóng sắt tác dụng trực tiếp với khí CO tạo
thành cacbonyl kim loại.
Fe + 5CO Fe(CO)
5
Sắt bền với kiềm ở các trạng thái dung dòch và nóng chảy. Sắt bền với kiềm ở các trạng thái dung dòch và nóng chảy.
Fe + 5CO Fe(CO)
5
Sắt tan trong dung dòch HCl, H
2
SO
4
loãng : Sắt tan trong dung dòch HCl, H
Fe + HCl FeCl
2
+ H
2
↑ Fe + HCl FeCl

2
SO
4
loãng :
Còn trong dung dòch H
2
SO
4
đặc, sắt bò oxi hóa đến Fe (III) : Còn trong dung dòch H
2
+ H
2
↑
2Fe + H
2
SO
4 (đ)
Fe
2
(SO
4
)
3
+ 3SO
2
↑ + 6H
2
O 2Fe + H
2
SO

4
đặc, sắt bò oxi hóa đến Fe (III) :
Với HNO
3
loãng và nồng độ vừa phải thì sắt bò hòa tan : Với HNO
2
SO
4 (đ)
Fe
2
(SO
4
)
3
+ 3SO
2
↑ + 6H
2
O
Fe + 4HNO
3
Fe(NO
3
)
3
+ NO↑ + 2H
2
O Fe + 4HNO
3
loãng và nồng độ vừa phải thì sắt bò hòa tan :

Khi nồng độ HNO
3
lớn, sự hòa tan bò chậm lại và sắt trở nên trơ. Khi nồng độ HNO
3
Fe(NO
3
)
3
+ NO↑ + 2H
2
O
Đối với không khí và nước, sắt tinh khiết bền. Ngược lại sắt có
chứa tạp chất bò ăn mòn dần dưới tác dụng đồng thời của hơi ẩm, khí
CO
2
và khí O
2
ở trong không khí tạo nên gỉ sắt.
Đối với không khí và nước, sắt tinh khiết bền. Ngược lại sắt có
chứa tạp chất bò ăn mòn dần dưới tác dụng đồng thời của hơi ẩm, khí
CO
3
lớn, sự hòa tan bò chậm lại và sắt trở nên trơ.
Fe + 3/2O
2
+ nH
2
O Fe
2
O

3
.nH
2
O Fe + 3/2O
2
và khí O
2
ở trong không khí tạo nên gỉ sắt.
Gỉ sắt tạo nên ở trên bề mặt là một lớp xốp và giòn không bảo vệ
được sắt và quá trình ăn mòn sắt tiếp tục diễn ra. Hàng năm, lượng sắt,
thép mất đi vì bò gỉ là vào khoảng ¼ lượng sắt thép được sản xuất trên
toàn thế giới.
Gỉ sắt tạo nên ở trên bề mặt là một lớp xốp và giòn không bảo vệ
được sắt và quá trình ăn mòn sắt tiếp tục diễn ra. Hàng năm, lượng sắt,
thép mất đi vì bò gỉ là vào khoảng ¼ lượng sắt thép được sản xuất trên
toàn thế giới.
2
+ nH
2
O Fe
2
O
3
.nH
2
O
I.3. Phương pháp điều chếI.3. Phương pháp điều chế
Cách đây hơn 4000 năm loài người đã biết luyện sắt từ quặng.
Khoảng 3000 năm trước, thời đại đồ sắt đã thay thế thời đại đồ đồng,
thiếc và tiếp tục phát triển cho đến ngày nay. Hiện nay sắt và hợp kim

của sắt chiếm 95% tổng lượng kim loại được sản xuất hàng năm trên
thế giới.
Mấy thế kỷ nay, sắt được sản xuất với quy mô công nghiệp bằng lò
cao. Nguyên liệu để luyện gang là quặng sắt, than cốc, chất chảy và
không khí.
Các phản ứng xảy ra :
C + O
2
CO
2
CO
2
+ C
nóng đỏ
2CO
Fe
2
O
3
+ 3CO 2Fe + 3CO
2
↑
Sắt luyện được thường lẫn các tạp chất như C, S...
Sắt tinh khiết được điều chế bằng các phương pháp :
• Dùng H
2
tinh khiết để khử oxit sắt tinh khiết

3
t

0
Fe
2
O
3
+ H
2
2Fe + 3H
2
O Fe
t
0
• Nhiệt phân sắt pentacacbonyl. • Nhiệt phân sắt pentacacbonyl.
2
O
3
+ H
2
2Fe + 3H
2
O
Fe(CO)
5
Fe + 5CO↑ Fe(CO)
• Sắt rất tinh khiết có thể điều chế bằng phương pháp điện phân
dung dòch muối Fe (II), với dương cực là tấm Fe – Cr, còn âm cực
là sắt tinh khiết. Quá trình điện phân phụ thuộc vào các yếu tố như
pH của dung dòch, nồng độ của chất điện phân, mật độ dòng của
anod và catod.
• Sắt rất tinh khiết có thể điều chế bằng phương pháp điện phân

dung dòch muối Fe (II), với dương cực là tấm Fe – Cr, còn âm cực
là sắt tinh khiết. Quá trình điện phân phụ thuộc vào các yếu tố như
pH của dung dòch, nồng độ của chất điện phân, mật độ dòng của
anod và catod.
5
Fe + 5CO↑
I.4. Trạng thái thiên nhiênI.4. Trạng thái thiên nhiên
Sắt là một trong những nguyên tố phổ biến nhất. Trữ lượng của sắt
trong vỏ quả đất là 1,5% tổng số nguyên tử (tương ứng). Sắt là kim loại
đã được biết đến từ thời cổ xưa, có lẽ nó có nguồn gốc vũ trụ. Trung
bình trong 20 thiên thạch từ không gian vũ trụ rơi xuống trái đất, có 1
thiên thạch sắt. Thiên thạch sắt chứa đến 90% Fe ; 8,5% Ni và 0,5%
Co. Thiên thạch sắt lớn nhất đã biết được có khối lượng 60 tấn.
Những khoáng vật của sắt là magnhetite (Fe
3
O
4
) chứa đến 72% Fe,
hematite (Fe
2
O
3
) chứa 60% Fe, pyrite (FeS
2
) và siderite (FeCO
3
) chứa
35% Fe. Ngoài những mỏ lớn tập trung khoáng vật của sắt, sắt còn
phân tán trong khoáng vật của những nguyên tố phổ biến nhất như Al,
Ti, Mn...

Sắt có vai trò sinh học rất lớn, hồng cầu của máu động vật chứa
phức chất của sắt. Ngoài ra sắt là nguyên tố vi lượng trong thực vật.
I.5. Ứng dụng
Sắt là kim loại quan trọng nhất đối với các ngành kỹ thuật và công
nghiệp hiện đại. Sắt được dùng chủ yếu để tạo ra các hợp kim, đặc biệt
là các loại thép.
Nhiều hợp chất của sắt có ý nghóa quan trọng trong thực tế như
FeCl
3
dùng làm chất đông tụ khi làm sạch nước, làm chất cầm máu,
làm chất xúc tác trong hóa học hữu cơ. Các muối ferit của kim loại hóa
trò hai dùng trong kỹ thuật máy tính.
Các oxit của sắt không những là nguồn điều chế nhiều hợp chất của
sắt mà còn là nguồn nguyên liệu quan trọng của ngành luyện kim đen.




4
II. Thép [1,2,13,14,]
II.1. Thành phần cấu tạo và đặc tính của thép

Trước thế kỷ XIX người ta đã biết chủ yếu hợp kim sắt – cacbon có
tên gọi là thép và gang. Sau này người ta đã tạo ra hợp kim trên cơ sở
sắt chứa crôm, niken và các nguyên tố khác. Hiện nay người ta chia
các hợp kim của sắt thành : thép cacbon, gang, thép hợp kim và thép có
tính chất đặc biệt.
Thép cacbon và gang là những hợp kim trên cơ sở sắt và cacbon.
Thép khác gang chủ yếu là ở thành phần hóa học, so với gang, thép
chứa ít cacbon hơn và ít các tạp chất có hại như phôtpho, lưu huỳnh.

Thành phần cacbon trong thép nhỏ hơn 2,14% về khối lượng còn gang
chứa tới 6,67%.
Độ tan của cacbon trong sắt phụ thuộc vào biến dạng tinh thể của
sắt và nhiệt độ. Cacbon tan trong Feα rất ít và được gọi là ferrite,
nhưng tan nhiều hơn trong Feγ. Dung dòch rắn của cacbon trong Feγ
được gọi là austenite. Đây là pha xâm nhập (dung dòch rắn xâm nhập).
Trong mạng lưới tinh thể austenite, những nguyên tử cacbon chiếm
trung điểm của các cạnh và tâm của lập phương (Hình 3). Austenite
bền về phương diện nhiệt động trong giới hạn rộng hơn nhiều so với
Feγ tinh khiết.
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1
2
34 56
7
8
9
10
11
12

13
A
B
C
D
E
F
G
PS
K
H
0
1
2
3
4
5
6
1394
912
1539
1147
727
C, % (k.l.)
Ferit
Austenit
(Mactexit)
Hợp kim lỏng
Nhiệt độ,
0

C
Nhiệt độ,
0
C
Fe
Fe
3
C
Ferit
0,8
2,14
4,3
N
J


Hình 2 :
Giản đồ trạng thái hệ sắt – cacbon

5

Hình 3 :
Kiến trúc tinh thể của austenite
Thép là hợp kim gồm 2 pha : ferrite (cacbon, mangan, silic... tan
trong Feα) và cementite (Fe
3
C). Thép cứng, bền, dễ gia công cơ học.
Tính chất của thép phụ thuộc nhiều vào thành phần và đặc biệt vào
việc xử lý nhiệt (nhiệt luyện thép) trong quá trình chế tạo.
II.1.1 Nhiệt luyện thép

[12,14]
Nhiệt luyện thép là công việc quan trọng nhất trong kỹ thuật thép,
nó có thể làm biến đổi rất mạnh đến tính chất của thép. Người ta dùng
các kiểu nhiệt luyện khác nhau để truyền cho thép các tính chất khác
nhau, trong đó quan trọng nhất là tôi, ram và xử lý hóa nhiệt.
- Tôi được thực hiện bằng cách đun thép đến nhiệt độ cao hơn so với
nhòêt độ 727
0
C (nhiệt độ chuyển hóa pearlite thành austenite), duy trì ở
nhiệt độ này và làm lạnh nhanh. Thép đã tôi có tính cứng, bền nhưng
giòn. Do đó thép tôi cần phải được ram.
- Ram là công việc nhiệt luyện cuối cùng. Ram được thực hiện bằng
cách đun nóng thép đến nhiệt độ thấp hơn một chút so với nhiệt độ
720
0
C, giữ ở nhiệt độ này và làm lạnh tương đối chậm.
Các quá trình xảy ra trong thép khi tôi và ram.


6
A + F
F + P
A + X
X + P
0
0,4
0,8
727
2,0
4

A
S
E
G
1,2
1,6
600
700
800
900
1000
1100
1
2
3
1147
C, % (k.l.)
Nhiệt độ,
0
C


Hình 4 :
Một phần giản đồ của hệ sắt – cacbon
Từ giản đồ nhận thấy :
• Khi đun thép có thành phần 0,8% cacbon (hỗn hợp eutecti của
ferrite và cementite còn gọi là pearlite) ở 727
0
C pearlite chuyển thành
austenite.

• Khi đun thép có thành phần cacbon nhỏ hơn 0,8% (cấu trúc của thép
gồm ferrite và pearlite); Ví dụ: 0,4%, ở 727
0
C pearlite chuyển thành
austenite chúa 0,8%C. Trên 727
0
C thì ferrite tan dần trong austenite,
khi đạt tới điểm 2 thì ferrite biến mất, hàm lượng cacbon trong
austenite đạt 0,4%.
• Khi đun thép có thành phần cacbon lớn hơn 0,8% (cấu trúc của thép
gồm pearlite và cementite); ví dụ 1,4%, ở 727
0
C thì pearlite chuyển
thành austenite chứa 0,8%C. Trên 727
0
C thì cementite tan trong
austenite, khi đạt tới điểm 4 thì cementite biến mất, hàm lượng cacbon
trong austenite bằng 1,4%.
Như vậy, giai đoạn đầu của sự tôi là sự đun nóng kèm theo sự
chuyển hóa thép thành austenite (sự khuếch tán của các nguyên tử xảy
ra trong vật rắn rất chậm ngay khi ở nhiệt độ cao, vì vậy để chuyển hóa
hoàn toàn, thép được giữ một thời gian ở nhiệt độ cao hơn một ít so với
các điểm tương ứng trên đường SG và SE).
Quá trình xảy ra khi làm lạnh chậm austenite ngược với quá trình
đốt nóng. Nhưng khi làm lạnh nhanh, sự khuếch tán các nguyên tử
cacbon và sắt không kòp xảy ra, tuy nhiên mạng tinh thể của sắt được
xây dựng lại ở tốc độ bất kỳ nên Feγ chuyển thành Feα. Kết quả thu
được pha không bền về mặt nhiệt động học đó là dung dòch rắn quá

7

bão hòa của cacbon trong Feα - được gọi là martencite (pha này không
bền về mặt nhiệt động học và không được phản ánh trên giản đồ trạng
thái). Sự chuyển hóa martencite không kèm theo sự phân bố khuếch
tán lại cacbon, nghóa là trong sự chuyển hóa này sự dòch chuyển các
nguyên tử cacbon và sắt không vượt quá khoảng cách giữa các nguyên
tử, chỉ xảy ra sự xây dựng lại mạng lập phương tâm mặt của Feγ thành
mạng lập phương tâm khối của Feα.

Hình 5 :
Kiến trúc tinh thể của martencite.
Martencite có độ rắn cao và tăng khi hàm lượng cacbon tăng. Độ
rắn của martencite là do tính không đồng nhất rất tinh tế của cấu tạo
làm cản trở sự lệch mạng. Nhưng martencite giòn vì sức căng nội tại
lớn xuất hiện khi tạo thành nó.
Khi ram, martencite (và austenite dư) bò phân hủy một phần. Mức
độ chuyển hóa của martencite và cấu trúc của sản phẩm tạo thành phụ
thuộc vào nhiệt độ khi ram :
• Ở nhiệt độ thấp (150 – 250
0
C) : cacbon chỉ thoát ra 1 phần khỏi
martencite, tạo thành những bản mỏng cementite. Sự ram ở nhiệt độ
thấp làm giảm sức căng nội tại trong thép, làm tăng độ bền của nó, còn
độ rắn và độ chòu mòn được bảo toàn (thép sản xuất các dụng cụ cắt
gọt và đo).
• Ở nhiệt độ trung bình (350 – 500
0
C) : sự khuếch tán của các nguyên
tử cacbon và sắt diễn ra khá nhanh, cacbon thoát ra hoàn toàn khỏi
martencite. Thép có cấu trúc ferrite và các tấm bản mỏng cementite,
có tính đàn hồi cao (thép sản xuất lò xo, nhíp...).

• Ở nhiệt độ cao (500 – 680
0
C) : ở nhiệt độ này xảy ra sự phát triển
các tinh thể cementite, những bản mỏng của nó lớn lên và chuyển

8
thành dạng tròn. Sự ram ở nhiệt độ cao làm tăng độ nhớt của thép, độ
bền và độ rắn của nó giảm xuống 1 ít nhưng vẫn còn lớn (thép kết cấu).
- Xử lý hóa nhiệt : Trong một số trường hợp bề mặt của vật phẩm
hoặc chi tiết phải có tính chất cơ học khác với tính chất trong toàn bộ
khối của nó. Ví dụ : trục ôtô phải có bề mặt rắn, chống mài mòn tốt và
không giòn, nghóa là có tính đàn hồi cần thiết để tránh vỡ khi va đập.
Trong những trường hợp này người ta xử lý thép bằng hóa nhiệt , tức là
làm cho bề mặt vật phẩm được bảo toàn cacbon, nitơ hoặc một số
nguyên tố khác – Sự bãûo hòa này đạt được bằng sự khuếch tán nguyên
tố từ môi trường ngoài ở nhiệt độ cao.
• Sự bão hòa cacbon (sự thấm cacbon) được thực hiện bằng cách đun
nóng vật phẩm trong khí quyển CO, CH
4
hoặc trong khối than hoạt
tính. Lúc đó lớp thép bề mặt với chiều sâu 0,5-2mm sẽ có độ rắn và
bền cao, còn khối thép bên trong vẫn dẻo và đàn hồi.
• Sự bảo hòa nitơ (sự thấm nitơ) được thực hiện bằng cách đun vật
phẩm thời gian dài trong khí quyển nitơ ở 500 – 600
0
C. Thép thấm nitơ
có độ rắn còn lớn hơn thép thấm cacbon, do tạo thành sắt nitrua ở lớp
bề mặt.
II.1.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố đến tính chất của thép
[13,14]

a. Ảnh hưởng của cacbon

Khi thay đổi lượng cacbon trong thép, cơ tính của thép thay đổi rất
nhiều. Bởi vì tổ chức của thép cacbon là hỗn hợp của 2 pha : ferrite và
cementite, trong đó ferrite là pha mềm dẻo, còn cementite là pha cứng,
giòn. Lượng cacon càng tăng thì lượng cementite trong thép cũng tăng
lên, nó cản trở sự di trượt của ferrite và do đó, độ bền và độ cứng của
thép tăng lên nhưng độ dẻo dai lại giảm đi.
b. Ảnh hưởng của mangan

Mangan được cho vào thép dưới dạng fero – mangan để khử FeO có
hại theo phản ứng sau :
FeO + Mn MnO + Fe
(MnO nổi lên đi vào xỉ, ra ngoài). Mangan còn loại trừ FeS có hại
đối với thép.
Mặt khác mangan lại còn hòa tan vào ferrite làm tăng độ bền và độ
cứng của pha này, do đó làm tăng cơ tính của thép. Tuy nhiên, do
lượng mangan ít nên tác dụng này không lớn lắm.

9
c. Ảnh hưởng của silic

Silic cũng giống như mangan được cho vào thép dưới dạng fero – silic
để khử oxi, tác dụng khử oxi của silic còn mạnh hơn mangan. Silic hòa
tan vào ferit làm tăng độ bền và độ cứng của pha này. Nhưng lượng
silic trong thép cacbon ít, nên ảnh hưởng này cũng không lớn lắm.
d. Ảnh hưởng của photpho

Photpho là tạp chất có hại, nó chứa sẵn trong quặng sắt và chỉ khử
được đến một giới hạn nhất đònh tùy theo phương pháp luyện. Khi

photpho hòa tan vào ferrite làm cho nó giảm độ dẻo và gây nên hiện
tượng giòn (ngay ở nhiệt độ thường).
Tuy nhiên có trường hợp photpho lại có lợi khi ta dùng nó trong thép
để tăng độ giòn, dễ gia công cắt gọt trên các máy tự động. Thép này
được gọi là thép tự động có thành phần phopho tới 0,15%.
e. Ảnh hưởng của lưu huỳnh

Lưu huỳnh là tạp chất có hại, nó làm cho thép giòn nóng, do đó khó
cán, rèn hay dập. Cho mangan vào thép sẽ làm giảm được tác dụng có
hại của lưu huỳnh.
Lưu huỳnh chỉ có lợi khi ta dùng nó để làm tăng độ giòn, dễ gia
công cắt gọt, nó được đưa vào thép tự động với thành phần tới 0,3%.
f. Ảnh hưởng của các chất khí (O
2
, N
2
)
Ngoài các nguyên tố ảnh hưởng nhiều đến thép như C, Si, Mn, P, S
ra trong thép còn có oxi, nitơ là các tạp chất có hại vì làm thép giòn
cứng (riêng nitơ có tác dụng tốt một phần ở chỗ nó làm nhỏ hạt) nhưng
chỉ có trong thép rất ít, bằng cách phân tích thông thường rất khó phát
hiện
II.2. Các phương pháp chế tạo thép

Thép là vật liệu quan trọng của nền kinh tế quốc dân và được sản
xuất với quy mô công nghiệp lớn. Phương pháp hiện đại điều chế thép
gồm các bước : Luyện gang từ quặng, luyện thép từ gang, sau cùng
thép lỏng được đúc, cán ép và nhiệt luyện (tùy theo công dụng).
II.2.1. Luyện gang từ quặng

Được tiến hành trong lò cao khổng lồ.


10
Xỉ
Gang
Không khí
nóng
Cốc, gang lỏng, xỉ
1300
0
C
1000
0
C
450
0
C
Khí lò cao
500
0
C
600
0
C
700
0
C
800
0

C
1500
0
C
Cốc và sắt rắn
3Fe
2
O
3
+CO=
2Fe
3
O
4
+CO
2
Quặng
Than cốc
Đá vôi
Fe
3
O
4
+CO=
3FeO+CO
2
FeO+CO=Fe+CO
2
CaCO
3

=CaO+CO
2
CaO+SiO
2
=CaSiO
3


Hình 6 :
Sơ đồ các phản ứng hóa học xảy ra ở các phần khác nhau của
lò cao.
Khi khử quặng thì thu được sắt ở trạng thái rắn, nó dần dần đi xuống
vào phần nóng hơn của lò (bụng lò) và hòa tan cacbon tạo thành gang.
Gang nóng chảy và chảy xuống phần dưới của nồi lò, còn xỉ lỏng tập
trung trên bề mặt gang, bảo vệ cho gang khỏi bò oxi hóa. Gang và xỉ
được tháo ra qua các lỗ ở đáy lò theo mức độ tích tụ của chúng (các lỗ
này được bòt bằng đất sét trong thời gian luyện gang).
II.2.2. Luyện thép

Luyện thép là quá trình loại bỏ lượng dư các tạp chất C, S, P, Si, Mn
có trong gang. Muốn vậy người ta oxi hóa các tạp chất đó thành oxit,
những oxit ở trạng thái khí như CO và CO
2
bay ra ngoài, còn những
oxit ở trạng thái rắn biến thành xỉ và nổi lên trên lớp thép lỏng.
a. Phương pháp Bessemer (Năm 855)


11
Người ta luyện thép trong lò thổi. Gang lỏng ở lò cao được chuyển

thẳng vào lò thổi. Không khí thổi vào gang lỏng đốt cháy những tạp
chất có trong gang.
Si + O
2
SiO
2
2Mn + O
2
2MnO
C + O
2
CO
2
và oxi hóa một phần sắt
2Fe + O
2
2FeO
Những phản ứng này phát nhiệt nhiều làm cho nhiệt độ ở trong lò
thổi lên đến 1600
0
C và toàn bộ chất ở trong đều ở trạng thái lỏng. Silic
dioxit được tạo nên từ Si có trong gang và silic dioxit có trong lớp lò tác
dụng với MnO và FeO tạo thành xỉ.
FeO + SiO
2
FeSiO
3
MnO + SiO
2
MnSiO

3
Xỉ lỏng nổi lên trên lớp thép lỏng được trút ra trước thép khi quay
nghiêng lò thổi.
Quá trình luyện gang thành thép xảy ra nhanh ở trong lò thổi, chỉ
trong 15 – 20 phút, nên không cho phép điều chỉnh thành phần của
thép. Nhược điểm của phương pháp Bessemer là không luyện được
thép từ loại gang chứa nhiều photpho.
b. Phương pháp Thomas (Năm 1878)

Phương pháp Thomas khắc phục nhược điểm của phương pháp
Bessemer và cho luyện thép từ gang chứa đến 2% P. Phương pháp này
cũng dùng không khí nén thổi vào gang lỏng ở trong lò thổi giống
phương pháp Bessemer nhưng lớp của lò thổi được làm bằng gạch chòu
lửa chứa MgO hay hỗn hợp MgO và CaO. Lớp lót lò này cho phép loại
bỏ phosphor.
4P + 5O
2
P
4
O
10
P
4
O
10
+ 6CaO 2Ca
3
(PO
4
)

2
Phương pháp Thomas cũng như phương pháp Bessemer không loại
bỏ hoàn toàn được lưu huỳnh là tạp chất có hại ở trong gang. Bởi vậy
cả hai phương pháp này chỉ dùng để luyện thép từ gang không có quá
0,05% lưu huỳnh.
c. Phương pháp Martin (Năm 1860)


12
Khác với hai phương pháp trên, trong phương pháp Martin, chất oxi
hóa không chỉ là oxi của không khí đïc thổi vào lò mà cả sắt (III) oxit
của quặng sắt và của sắt vụn cho thêm vào cùng với gang. Quá trình
luyện thép được thực hiện trong lò lửa ngọn,nhiệt độ của lò đạt đến
1800
0
C, gọi là lò Martin.
Những phản ứng hóa học xảy ra trong lò lửa ngọn không khác với
lò thổi nhưng quá trình luyện thép kéo dài khoảng từ 6 –8 giờ. Nhờ thời
gian kéo dài như vậy, người ta có thể phân tích được sản phẩm và cho
thêm những vật liệu cần thiết để chế các loại thép có thành phần mong
muốn, nhất là thép hợp kim. Tuy nhiên, để luyện thép hợp kim, người
ta thường hay dùng lò điện hồ quang có nhiệt độ trên 3000
0
C.
d. Phương pháp baz-oxi (Năm 1953)

Phương pháp này hiện đại hơn, hiện nay được sản xuất rất phổ biến
ở nhiều nước trên thế giới. Phương pháp baz-oxi cải tiến phương pháp
Bessemer : dùng lò thổi có công suất lớn hơn và thổi khí oxi tinh khiết
có áp suất 10atm. Phối liệu nạp vào lò thổi là gang lỏng và sắt vụn.

Qua một ống dẫn được làm lạnh ở ngoài bằng nước và đưa xuyên qua
miệng lò thổi tới gần phối liệu, người ta thổi đồng thời bột CaO và khí
O
2
vào lò. Dòng CaO và O
2
đó với tốc độ lớn có thể đi đến đáy lò và
khuấy trộn mạnh lớp phối liệu lỏng ở trong lò.
Tạp chất trong phối liệu được oxi hóa thành oxit rồi oxit tác dụng
với CaO tạo thành xỉ. Nhờ nhiệt của phản ứng oxi hóa tạp chất, các
chất ở trong lò vẫn giữ đươcï ở trạng thái lỏng. Sau khoảng 40 phút, kéo
ống dẫn khí ra khỏi lò và nghiêng lò để đổ xỉ ra trước, thép ra sau.
Phương pháp baz-oxi được sử dụng chủ yếu để sản xuất thép
cacbon, trong 40-45 phút lò thổi sản xuất được 300 – 350 tấn thép.
II.3. Các loại thép thường dùng
[11,12,13]
Tùy theo việc sử dụng người ta chia thép làm 2 nhóm :
- Nhóm thép cacbon : dùng trong ngành chế tạo máy nói chung và
ngành xây dựng.
- Nhóm thép hợp kim : dùng để chế tạo các dụng cụ cắt, dụng cụ đo,
các chi tiết máy có yêu cầu độ bền, độ dẻo cao. Trong nhóm thép hợp
kim có thép hợp kim đặc biệt là các thép có từ tính, thép không gỉ, thép
chòu nhiệt...
II.3.1. Các phương pháp phân loại thép


13
Có nhiều cách phân loại thép khác nhau, nhưng thường gặp các
cách sau :
a. Theo chất lượng

Theo chất lượng luyện kim tức là theo mức độ đồng nhất của thành
phần hóa học, tổ chức và tính chất của thép và đặc biệt là mức độ chứa
các tạp chất có hại P, S người ta phân ra các loại sau :
- Thép có chất lượng thường, có thể chứa tới 0,06% S và 0,07% P.
- Thép có chất lượng tốt, chứa không quá 0,04% S và 0,035% P.
- Thép có chất lượng cao, chứa không quá 0,025% mỗi nguyên tố.
- Thép có chất lượng đặc biệt cao, chứa không quá 0,015% S và
0,025% P.
Chất lượng của thép do phương pháp luyện quyết đònh. Thép cacbon
có thể gồm 3 loại chất lượng đầu, thép hợp kim có thể gồm 3 loại chất
lượng sau.
b. Theo phương pháp khử oxi

Theo mức độ khử oxi phân ra : thép sôi, thép lặng và nửa lặng.
- Thép sôi là thép được khử oxi không triệt để, chỉ dùng fero –
mangan. Do vẫn còn FeO, nên nó có thể tác dụng với C trong thép lỏng
theo phản ứng sau :
FeO + C Fe + CO↑
Khí CO bay lên làm cho mặt thép lỏng chuyển động giống như nó bò
sôi lên, do vậy có tên là thép sôi.
- Thép lặng là thép được khử oxi triệt để, ngoài fero – mangan còn
dùng fero – silic và nhôm, nên trong thép còn rất ít FeO, mặt thép lỏng
phẳng lặng và do vậy được gọi là thép lặng.
- Thép nửa lặng là loại trung gian giữa thép sôi và thép lặng chỉ được
khử oxi bằng fero –mangan và nhôm.
Thép cacbon thấp có thể có ở cả 3 loại kể trên. Thép cacbon trung
bình có thể là thép lặng hoặc nửa lặng. Thép cacbon cao và thép hợp
kim luôn là thép lặng. Vật đúc chỉ được chế tạo từ thép lặng.
c. Theo công dụng

Đây là cách phân biệt thường dùng nhất, gồm 3 nhóm chính.
- Thép cán nóng thông dụng : loại này chủ yếu dùng trong xây dựng
và các công việc thông thường tương tự, nói chung không cần qua nhiệt
luyện.

14