Vật liệu thép là một vật liệu hợp kim với sắt và carbon là thành phần chính. Nó là một trong những vật liệu cơ bản quan trọng và được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp và cơ sở hạ tầng hiện đại. Tính chất của nó có thể được kiểm soát rộng rãi bằng cách điều chỉnh hàm lượng carbon và thêm các nguyên tố hợp kim.

I. Định nghĩa cốt lõi và phân loại cơ bản

Thép về cơ bản là vật liệu gốc sắt (Fe) với cacbon (C) là nguyên tố hợp kim chính. Những biến đổi nhỏ về hàm lượng carbon mang lại những đặc điểm rất khác nhau:

1. Thép cacbon thấp (C ≤ 0,25%):

   • Thuộc tính: Độ dẻo, độ dẻo dai và khả năng hàn tuyệt vời; dễ tạo hình (ví dụ: dập, uốn); cường độ tương đối thấp.

   • Ứng dụng: Tấm thân ô tô, cốt thép xây dựng (ví dụ Q235), dây điện, đinh tán, tấm và các bộ phận kết cấu.

2. Thép cacbon trung bình (0,25% < C 0,60%):

   • Thuộc tính: Độ bền và độ cứng cao hơn thép cacbon thấp, độ dẻo và độ dẻo dai được giữ lại. Hiệu suất có thể được nâng cao thông qua xử lý nhiệt (ví dụ: làm nguội và ủ).

   • Ứng dụng: Linh kiện máy móc (bánh răng, trục, thanh nối), ốc vít cường độ cao, đường ray, bánh xe, vật rèn.

3. Thép cacbon cao (C > 0,60%):

   • Thuộc tính: Độ cứng, độ bền và khả năng chống mài mòn cao; độ dẻo và độ dẻo dai hạn chế; khả năng hàn kém.

   • Ứng dụng: Dụng cụ cắt (dũa, mũi khoan), lò xo, dây cường độ cao, khuôn dập, cuộn.

II. Thép hợp kim: Mở rộng và nâng cao hiệu suất

Việc thêm các nguyên tố hợp kim cụ thể (ví dụ: crom (Cr), niken (Ni), molypden (Mo), vanadi (V), mangan (Mn), silicon (Si)) vào thép carbon giúp tăng cường hoặc truyền đạt các đặc tính chuyên biệt một cách đáng kể:

• Tăng cường sức mạnh và độ dẻo dai: Mo, V, Mn tinh chỉnh cấu trúc hạt hoặc hình thành các pha tăng cường.

• Tăng cường khả năng chống mài mòn: Carbon cao kết hợp với Cr, Mo.

• Cải thiện khả năng chống ăn mòn: Cr là chìa khóa của thép không gỉ (thường ≥10,5%); Ni tăng cường khả năng chống ăn mòn và độ dẻo dai.

• Hiệu suất nhiệt độ cao vượt trội: Mo, V, W duy trì độ bền và khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao.

• Độ cứng tối ưu: Cr, Mn, Mo, B ảnh hưởng đến độ sâu đông cứng trong quá trình tôi.

III. Các lĩnh vực chính của thép đặc biệt

1. Thép không gỉ: Hàm lượng Cr tới hạn ( ≥10,5%) tạo thành lớp oxit crom thụ động. Phân loại theo cấu trúc vi mô:

   • Austenit (ví dụ: 304/316: không từ tính, chống ăn mòn tuyệt vời).

   • Martensitic (ví dụ: 410/420: có thể xử lý nhiệt để tạo độ cứng).

   • Ferit (ví dụ: 430: từ tính).

   • song công (cấu trúc hỗn hợp).
     Ứng dụng: Dao kéo, thiết bị y tế, thiết bị hóa chất, tấm ốp kiến trúc.

2. Thép công cụ: Hàm lượng carbon/hợp kim cao cho độ cứng cực cao, chống mài mòn, độ cứng nóng (giữ độ cứng ở nhiệt độ cao) và độ bền cân bằng.
   Ứng dụng: Dụng cụ cắt, khuôn (dập, ép phun), thước đo.

3. Thép kết cấu cường độ cao: Thành phần được tối ưu hóa và các quy trình tiên tiến (ví dụ: Xử lý được kiểm soát cơ nhiệt - TMCP) mang lại độ bền cao (cường độ chảy ≥550MPa) trong khi vẫn đảm bảo khả năng hàn và độ bền.
   Ứng dụng: Cầu, tòa nhà chọc trời, máy móc hạng nặng, tàu, bình chịu áp lực.

IV. Sự ra đời của thép: Từ quặng đến nguyên liệu

Sản xuất thép là một quá trình công nghiệp phức tạp:

1. Luyện sắt: Quặng sắt (oxit sắt) được khử bằng cốc trong lò cao, thu được gang lợn nóng chảy (cacbon cao: ~3-4%, cộng thêm các tạp chất như Si, Mn, P, S).

2. Luyện thép: Nhiệm vụ chính: giảm carbon và loại bỏ tạp chất. Các phương pháp chính:

   • Lò oxy cơ bản (BOF): Oxy thổi vào sắt nóng chảy sẽ oxy hóa cacbon/tạp chất; hiệu quả cao.

   • Lò hồ quang điện (EAF): Nấu chảy thép phế liệu bằng điện; linh hoạt, lý tưởng cho việc tái chế.

   • Tinh chế thứ cấp: Tiếp tục khử khí, loại bỏ tạp chất, điều chỉnh thành phần bên ngoài lò để có độ tinh khiết vượt trội.

3. Đúc: Được đông cứng thành thỏi hoặc đúc liên tục thành tấm, phôi hoặc hoa.

4. Hình thành: Các hình dạng đúc trải qua quá trình cán nóng/lạnh (tấm, tấm, phần, dây), rèn, v.v., để đạt được kích thước và đặc tính cuối cùng.

V. Ứng dụng có mặt khắp nơi: Một thế giới được xây dựng trên thép

Thép thấm vào mọi khía cạnh của cuộc sống hiện đại:

• Xây dựng & Cơ sở hạ tầng: Khung nhà chọc trời, khung cầu, thanh bê tông cốt thép (cốt thép), trụ đỡ đường hầm, đường ống (nước, khí đốt, dầu).

• Giao thông vận tải: Thân xe, khung gầm, bộ phận động cơ ô tô; vỏ tàu, boong tàu; toa tàu, đường ray; càng đáp máy bay, linh kiện động cơ (thép hợp kim).

• Công nghiệp năng lượng: Giàn khoan dầu khí, đường ống; thiết bị nhà máy điện (nồi hơi, tua bin, bình áp lực); tháp tuabin gió, hộp số; tháp truyền tải.

• Sản xuất máy móc: Máy công cụ, bánh răng, vòng bi, trục, thanh nối, ốc vít, lò xo.

• Cuộc sống hàng ngày: Khung thiết bị, dụng cụ nấu nướng (thép không gỉ), phần cứng đồ nội thất, dụng cụ y tế/cấy ghép.

• Dụng cụ & Khuôn mẫu: Dụng cụ cắt, thước đo, khuôn dập.

VI. Ưu điểm hiệu suất cốt lõi

Sự thống trị lâu dài của thép bắt nguồn từ sự kết hợp các đặc tính độc đáo của nó:

• Cường độ cao: Chịu tải trọng lớn; cho phép các cấu trúc mạnh mẽ.

• Độ dẻo và độ dẻo dai tốt: Có thể định dạng thành các hình dạng phức tạp; chống lại tác động.

• Khả năng làm việc tuyệt vời: Dễ dàng đúc, rèn, cán, hàn, gia công.

• Độ bền & Tuổi thọ: Kéo dài tuổi thọ sử dụng/bảo trì thích hợp.

• Các cấp độ đa dạng và thuộc tính có thể điều chỉnh: Điều chỉnh thành phần và quy trình mang lại phạm vi hiệu suất rộng lớn.

• Sản xuất trưởng thành và tính kinh tế theo quy mô: Công nghệ thành lập, tiết kiệm chi phí, nguồn cung dồi dào.

• Khả năng tái chế: Dễ dàng tách từ tính; Có thể tái chế vô hạn 100% – một vật liệu bền vững.

Thép đã trở thành vật liệu cơ bản quan trọng hỗ trợ xã hội công nghiệp hiện đại nhờ hiệu suất toàn diện tuyệt vời và khả năng điều chỉnh rộng. Thông qua tối ưu hóa thành phần liên tục và đổi mới quy trình, thép tiếp tục đáp ứng các nhu cầu kỹ thuật mới và có lợi thế đáng kể về tính bền vững.