Chương 5: THÉP CÁC BON

Chương 5
THÉP CÁC BON
5.1 Ảnh hưởng của các nguyên tố đến tổ chức, cơ tính của thép các bon.
5.1.1 Tổng quan.
Thép cácbon là hợp kim của sắt và cácbon với chứa lượng cácbon dưới 2,14%. Tuy
nhiên do điều kiện nấu luyện nên có nhiều nguyên tố khác cũng có mặt trong thép. Chúng là
các tạp chất thường có như Mangan (Mn), Silíc (Si), Phốt pho (P), lưu huỳnh (S), các tạp chất
ẩn như hydrô (H), nitơ (N), ôxy (O), và các tạp chất ngẫu nhiên như crôm (Cr), nikel (Ni),
vônfram (W), titan (Ti), molibden (B), vanadi (V),…
Tất cả các loại nguyên tố kể trên có ở trong thép với lượng chứa nhỏ và ảnh hưởng
không đáng kể đến tổ chức và tính chất của thép. Chính vì thế mà kể cả các nguyên tố có lợi
đều được gọi là tạp chất.
Cần lưu ý rằng nếu một hay một vài nguyên tố kể trên mà người ta cố ý cho vào thép với
dụng ý nào đó thì chúng lại được gọi là nguyên tố hợp kim (sẽ được trình bày chi tiết trong
phần thép hợp kim).
Tóm lại ngoài sắt ra thành phần hóa học của thép cácbon thông thường bao gồm:
C < 2%; Mn ≤ 0,5-0,8%; Si ≤ 0,3-0,6%; P ≤ 0,05-0,06%; S ≤ 0,05-0,06%.
5.1.2 Ảnh hưởng của nguyên tố cácbon.
Trong tất cả nguyên tố, cácbon là nguyên tố quan trọng nhất, quyết định chủ yếu đến tổ
chức và tính chất của thép cácbon (và cả đối với thép hợp kim).
Sự thay đổi hàm lượng cácbon ảnh hưởng đến cơ tính của thép gồm giới hạn bền (σ
b
), độ
cứng (HB), độ giãn dài (δ), độ thắt tỉ đối (ψ) và độ dai va đập (a
k
).
Khi hàm lượng cácbon trong thép tăng, độ bền và độ cứng của thép tăng còn độ dẻo và
độ dai va đập lại giảm. Tuy nhiên, độ bền của thép chỉ tăng lên và đạt tới giá trị cực đại khi
hàm lượng của cácbon tăng lên tới khoảng giới hạn 0,8 tới 1,0%, vượt quá giới hạn này độ bền
lại giảm đi.
Cứ tăng 0,1% cácbon, trong thép độ cứng tăng thêm khoảng 20-25HB và giới hạn bền

(σ
b
) tăng thêm khoảng 60-80 MPa, nhưng độ giãn dài tương đối (δ) giảm đi khoảng 2-4%, độ
thắt tỉ đối (ψ) giảm đi 1-5% và độ dai va đập (a
k
) giảm đi khoảng 200 kJ/m
2
.

Qui luật thay đổi
này được giải thích như sau:
− Các thép có hàm lượng cácbon thấp (≤ 0,25%) nói chung dẻo, mềm và độ
bền, độ cứng thấp, hiệu quả hóa bền bằng nhiệt luyện như tôi và ram không cao, nên
chúng được dùng chủ yếu làm các chi tiết cần qua dập nguội (là những sản phẩm cần
81
độ dẻo cao và không cần qua nhiệt luyện) và làm các kết cấu xây dựng. Muốn tăng hiệu
qủa của nhiệt luyện của các thép này cần phải qua thấm cácbon lớp bề mặt.
− Các thép với hàm lượng cácbon trung bình (0,3-0,5%) có cơ tính tổng hợp
cao vì có sự hài hòa giữa độ bền, độ cứng, độ dẻo và độ dai. Các thép này thường được
dùng làm các vật liệu kết cấu như các chi tiết chịu tải trọng tĩnh và va đập cao như trục
truyền lực, bánh răng,….
− Các thép có hàm lượng cácbon tương đối cao (0,55-0,7%) có độ cứng cao và
giới hạn đàn hồi cao nhất nên thường được sử dụng làm các chi tiết đàn hồi như lò xo,
nhíp.
− Các thép có hàm lượng cácbon cao (≥ 0,7%) có độ cứng và tính chống mài
moon cao, nên thường được dùng làm dụng cụ cắt gọt, dụng cụ đo, khuôn dập nguội,
…
Chú ý rằng, ngoài ảnh hưởng đến cơ tính, cácbon coi ảnh hưởng đến một số tính chất hóa
lý của thép. Chẳng hạn khi hàm lượng cácbon tăng, mật độ (khối lượng riêng γ) cùng độ từ
thẩm (µ) và khả năng chống ăn mòn của thép giảm đi còn điện trở (ρ) và lực khử từ (H

c
) lại
tăng lên.
5.1.3 Ảnh hưởng của các nguyên tố khác.
Mangan (Mn): Nguyên tố mangan được cho vào thép cácbon khi tinh luyện ở dưới dạng
fero mangan nhằm mục đích khử ôxy và lưu huỳnh. Khi hòa tan vào ferit mangan có tác dụng
nâng cao độ bền, độ cứng của pha này, nên có làm tăng cơ tính của thép. Nhưng do lượng
mangan trong thép cácbon nhỏ (thường dưới 0,8%) nên tác dụng này không đáng kể và tác
dụng chủ yếu của nó chỉ để khử ôxy và hạn chế sự có mặt của lưu huỳnh.
Silíc (Si): Nguyên tố silíc được cho vào nhiều loại thép nhằm khử ôxy triệt để hơn. Cũng
như mangan, khi được hòa tan vào pha ferít, nguyên tố silic nâng cao độ bền và độ cứng cho
pha này. Cũng do hàm lượng silíc trong thép cácbon còn nhỏ (thường dưới 0,6%) nên tác dụng
hóa bền coi nhỏ và tác dụng chủ yếu của nó chỉ để khử ôxy.
Phốt pho (P): Nguyên tố phốt pho dù ở dạng hòa tan trong ferít hay ở dạng liên kết Fe
3
P
đều làm cho thép bị giòn, đặc biệt là ở trạng thái nguội do đó nó là nguyên tố có hại cần phải
hạn chế ở dưới mức cho phép nào đó. Đối với thép cácbon thông thường hàm lượng cácbon
nhỏ hơn 0,06%. Riêng đối với thép dễ cắt, để nâng cao khả năng bẻ gãy phoi, lượng phốt pho
co thể cao tới 0,08-0,15%. Phốt pho có mặt trong thép từ các quặng hay từ nhiên liệu than
trong quá trình luyện gang ban đầu.
Lưu huỳnh (S): Tương tự như phốt pho, lưu huỳnh có mặt trong thép từ các quặng và
đặc biệt là từ than khi nấu luyện gang. Cùng tinh (Fe + FeS) có nhiệt độ nóng chảy thấp
khoảng 988
0
C nằm ở biên giới hạt dễ bị mềm và chảy khi nung nóng làm thép bị đứt ở biên
giới hạt tạo hiện tượng phá hủy giòn, coi được gọi là dịn nóng. Vì vậy cần hạn chế hàm lượng
nguyên tố có hại này trong thép dưới mức độ cho phép nào đó. Đối với thép thông thường hàm
lượng lưu huỳnh thường phải nhỏ hơn 0,06%. Tuy nhiên đối với thép dễ cắt, để nâng cao hiện
tượng gãy phoi, hàm lượng lưu huỳnh có thể lên tới 0,08 – 0,3%.

82
5.2 Phân loại thép các bon
5.2.1 Phân loại theo hàm lượng cácbon.
Theo hàm lượng cácbon ở trong thép người ta chia thép cácbon ra làm bốn loại:
- Thép cácbon thấp với hàm lượng cácbon nhỏ hơn 0,25%,
- Thép cácbon trung bình với hàm lượng cácbon trong khoảng từ 0,25 – 0,5%,
- Thép cácbon tương đối cao khi hàm lượng cácbon trên 0,5÷0.7%.
- Thép cácbon cao khi hàm lượng cácbon trên 0,7%.
5.2.2 Phân loại theo chất lượng.
Tùy thuộc vào chất lượng luyện kim, nghĩa là tùy theo mức độ đồng nhất của thành phần
hóa học, của tổ chức và tính chất của thép và nhất là tùy theo hàm lượng các tạp chất có hại là
phốt pho và lưu huỳnh có trong thép, người ta chia thép ra mấy loại sau:
- Thép có chất lượng thường khi chứa tới 0,05%S và P thường dùng cho càc yêu cầu
không cao như thép xây dựng thường.
- Thép có chất lượng tốt khi chứa không quá 0,04%S và P dùng trong chế tạo máy thông
dụng.
- Thép có chất lượng cao khi chứa không quá 0,025%S và P.
- Thép có chất lượng đặc biệt cao khi chứa không quá 0,015%S và 0,025%P.
5.2.3 Phân loại theo phương pháp khử ôxy.
Theo mức độ khử ôxy người ta chia thép ra làm ba loại đó là thép sôi, thép lặng và thép
nửa lặng
Thép sôi là thép được khử ôxy không triệt để tức là chỉ dùng fero mangan là một loại
chất khử không mạnh. Do vẫn coi FeO trong thép lỏng nên nó có thể tác dụng với cácbon theo
phản ứng:
FeO + C → Fe + CO↑
Khí CO bay lên làm cho mặt thép lỏng chuyển động giống như nó bị sôi vì thế loại thép
này mang tên thép sôi. Do khí CO vẫn coi tạo thành ngay cả khi rót thép lỏng vào khuôn nên
chúng tạo thành một số bọt khí trong thỏi thép đúc (Hình vẽ 5.1a).
83
Hình 5.1 Cấu tạo thỏi đúc: a)thép sôi và b) thép lặng.

Trong quá trình cán nóng tiếp theo phần lớn các bọt khí này được hàn liền lại làm cho
thép có độ sít chặt hơn.
Thép lặng là loại thép được khử ôxy triệt để hơn do ngoài fero mangan, người ta coi sử
dụng fero silíc và nhôm nên trong thép còn rất ít FeO vì thế mặt thép lỏng phẳng lặng và do đó
chúng được gọi là thép lặng. Trong thỏi thép lặng hầu như không có bọt khí, không có sự phân
lớp như thép sôi nhưng lại có lõm co khá lớn (Hình vẽ 5.1b). Thép lặng có chất lượng cao hơn
thép sôi nhưng không kinh tế bằng vì phải cắt bỏ phần lõm co chiếm tới 10 – 15% trọng lượng
của thỏi đúc và chi phí cho việc khử ôxy lớn. Trong thép lặng pha ferít có chứa nhiều silíc hơn
(khoảng 0,15 – 0,30%) nên chúng cứng hơn so với thép sôi và chúng thích hợp cho công nghệ
hàn. Thép lặng là loại thép tốt để làm phần lớn các chi tiết máy.
Thép nửa lặng là loại trung gian giữa hai loại thép trên, chúng chỉ được khử ôxy bằng
fero mangan và nhơm
5.2.4 Phân loại theo tổ chức tế vi:
Căn cứ vào các tổ chức khác nhau trên giản đồ trạng thái Fe - Fe
3
C người ta phân thép ra
làm ba loại: thép trước cùng tích, thép cùng tích và thép sau cùng tích.
 Thép trước cùng tích.
Thép trước cùng tích có hàm lượng các bon nhỏ hơn 0,8% (khoảng 0,10 ÷ 0,70) tức nằm
về bên trái của điểm S có tổ chức gồm ferít và péclít (hình 5.2).

Hình 5.2. Tổ chức tế vi thép trước cùng tích 0,6% C (x500 lần).
84
Khi lượng cácbon tăng lên thì tỷ lệ phần péclít mầu tối trong tổ chức của thép trước cùng
tích tăng lên, còn ferít có mầu sáng lại giảm đi.
Nếu hàm lượng cácbon quá ít (trong khoảng 0,02 ÷0,05%) có thể coi hợp kim này như
thép nguyên chất với tổ chức hầu như toàn ferít tức là có màu sáng hoàn toàn.
Tỉ lệ giữa peclit và ferít thay đổi theo thành phần của các bon chứa trong thép.
− Với thép có các bon 0,1% thì phần tối tức peclít khoảng 1/8.
− Với thép có các bon 0,4% thì phần tối tức peclít khoảng 1/2.

− Còn với thép có các bon 0,6% thì phần tối tức peclít khoảng 3/4.
 Thép cùng tích.
Thép cùng tích là thép có thành phần 0,8% C (có thể xê dịch chút ít) ứng với điểm S có
tổ chức chỉ gồm có peclít.
Hình 5.3 Tổ chức tế vi của peclít tấm (a) và péclít hạt (b) (x 500 lần)
 Thép sau cùng tích.
Thép sau cùng tích có thành phần trên 0,80% C (nhưng thường chỉ tới 1,5% C, cá biệt có
thể tới 2,0 ÷ 2,2%) ứng với bên phải của điểm S.
Thép sau cùng tích có tổ chức peclít và xementít thứ hai ở dạng lưới mầu sáng như được
trình bày trên hình 5.4.
Hình 5.4. Tổ chức tế vi thép sau cùng tích 1,2 %C (x500 lần).
Cần lưu ý rằng:
85