Giáo trình Khoa học vật liệu_ Chương 5

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

5.1.1.

Thép cacbon


Thép 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:
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
Si)

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

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.

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

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%,

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.

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

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.

Silic

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

) 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

ba phương pháp chính là lò mactanh, lò điện hồ quang và lò thổi ôxy từ đỉnh (lò L-
D) (nước ta chỉ bằng lò điện hồ quang), ngoài ra còn các phương pháp làm sạch
tạp chất ngoài lò.
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
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.
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

tế),
- 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 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

khác có khác nhau đôi chút. Tiêu chuẩn cũng quy định tỉ mỉ và chặt chẽ các chỉ
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
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

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

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.
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.

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

0,50
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
ữ

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

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.
- !u 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
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

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

thấp và austenit ở nhiệt độ cao.
Khi hòa tan (tất nhiên là ở dạng thay thế) vào ferit, các nguyên tố hợp kim
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.
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
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.

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
C
/ d

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

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,
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:
+ xêmentit hợp kim trong thép kết cấu,
+ cacbit với kiểu mạng phức tạp trong thép không gỉ và bền nóng (thuộc
nhóm thép đặc biệt),

+ 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.

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.
- Cacbit hợp kim do khó hòa tan vào austenit, nằm ở biên giới hạt, như hàng
rào giữ cho hạt nhỏ. Tác dụng này rất mạnh với Ti, Zr, Nb, mạnh với V, tương đối

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

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
và thép hợp kim.

- 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

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
biến khi ram. Sở dĩ như vậy là vì các nguyên tố hợp kim cản trở sự khuếch tán của

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

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
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,
khi ram được tiết ra dưới dạng phần tử nhỏ mịn, phân tán gây hóa bền.

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

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.
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).

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,

- 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,
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
trong không khí được hỗn hợp ferit-xêmentit tức peclit, xoocbit, trôxtit; phần lớn
thép thuộc loại này,

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

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
cũng là thép kết cấu quý vì có độ thấm tôi cao và độ dai tốt...

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

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,
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.

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
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

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).

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

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
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
Uốn 180
0

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


Mác
thép

b
,
kG/mm
2


20
20-
40
40-
100
>100

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
42-54 27 26 25 24 24 23 21
d=2a

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

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
cũng như khả năng uốn gập ở trạng thái nguội
(rất cần khi gia công các kết cấu) phải tra bảng. Bảng 5.1 trình bày cơ tính của các

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

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%.

Phân nhóm B (thứ hai)
Phân nhóm này trái lại không quy định cơ tính mà chỉ quy định thành phần
hóa học song cũng được ký hiệu như phân nhóm trên nhưng đằng trước có chữ B,
tức BCTxx (như vậy xx không phải là số chỉ

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

từ thứ tự sang chỉ
b
mà thôi). Các mác này hiện vẫn rất được quen dùng ở nước ta.
OCT cũng có các phân nhóm thứ hai () với loạt mác C
T
x (ví dụ, C
T
3 là
BCT38 của TCVN) và thứ ba (B) với loạt mác BC
T
x (ví dụ BC
T
5 là CCT51 của
TCVN).
ở Hoa Kỳ thường dùng các thép thông dụng theo ASTM với nhiều tiêu
chuẩn khác nhau (283, 284, 328, 529, 570...) với đặc điểm chung là chúng đều là
loại được quy định cả cơ tính và thành phần hóa học tuy không thật chặt chẽ.
Chúng được ký hiệu theo cấp (Grade) độ bền. Ví dụ, ASTM 570 có các Grade 30,
33, 36, 40, 45, 50 và 55, trong đó số chỉ
0,2
theo ksi, như Grade 30 có
0,2
30ksi
hay 205MPa (tương đương CT34). Các tiêu chuẩn khác đánh số theo Grades A, B,
C... theo trật tự độ bền tăng dần.
JIS G3101 có các mác chỉ được bảo đảm cơ tính như phân nhóm A của
TCVN, bao gồm các mác SS 330, 400, 490 và 540, trong đó số chỉ
b
tối thiểu
theo MPa. JIS 3106 quy định các thép thông dụng chuyên để hàn được bảo đảm cả

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

hợp kim nhỏ hơn 2,0 ữ 2,5%, trong đó tổng lượng Cu + Ni + V + Mo chỉ khoảng
1,00%, mỗi nguyên tố thường chỉ dùng trong khoảng 0,50% (trừ Mn có thể tới
1,00% hay hơn một chút).
Chính do cách làm như vậy sự tăng giá thành là không đáng kể so với khi
luyện thép cacbon thông thường, trong khi đó có giới hạn chảy cao hơn hẳn, do đó
tăng khả năng chịu tải hoặc giảm nhẹ kết cấu, không những thế còn giảm được
công bảo dưỡng: ít phải sơn do nâng cao được tính chống ăn mòn trong khí quyển.
Điều này đặc biệt có lợi trong xây dựng, làm cầu, khung toa xe, ôtô tải, tàu biển,