Thép: định nghĩa, phân loại, thành phần hóa học và ứng dụng

2024 Tác giả: Angel Austin | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-17 05:46

Chúng ta thường nghe từ "thép" như thế nào. Và nó được phát âm không chỉ bởi các chuyên gia trong lĩnh vực sản xuất luyện kim, mà còn bởi những người dân trong thị trấn. Không có cấu trúc vững chắc nào là hoàn chỉnh nếu không có thép. Trên thực tế, khi chúng ta nói về một thứ gì đó bằng kim loại, chúng ta muốn nói đến một sản phẩm được làm bằng thép. Hãy cùng tìm hiểu xem nó bao gồm những gì và nó được phân loại như thế nào.

Định nghĩa

Thép có lẽ là hợp kim phổ biến nhất, dựa trên sắt và cacbon. Hơn nữa, tỷ trọng của loại thứ hai dao động từ 0,1 đến 2,14%, trong khi loại thứ nhất không thể thấp hơn 45%. Sự dễ sản xuất và sự sẵn có của nguyên liệu thô có tầm quan trọng quyết định trong việc phân phối kim loại này đến mọi lĩnh vực hoạt động của con người.

Các đặc tính chính của vật liệu khác nhau tùy thuộc vào thành phần hóa học của nó. Định nghĩa thép như một hợp kim bao gồm hai thành phần là sắt và cacbon không thể gọi là đầy đủ. Nó có thể bao gồm, ví dụ, crom để chịu nhiệt và niken để chống ăn mòn.

Thành phần bắt buộcvật liệu cung cấp các lợi ích bổ sung. Vì vậy, sắt làm cho hợp kim trở nên dễ uốn và dễ biến dạng trong những điều kiện nhất định, còn cacbon tạo nên độ bền và độ cứng đồng thời với độ giòn. Đó là lý do tại sao tỷ trọng của nó rất nhỏ trong tổng khối lượng thép. Xác định phương pháp sản xuất hợp kim dẫn đến hàm lượng mangan trong đó là 1% và silic - 0,4%. Có một số tạp chất xuất hiện trong quá trình nung chảy kim loại và chúng cố gắng loại bỏ. Cùng với phốt pho và lưu huỳnh, oxy và nitơ cũng làm suy giảm các đặc tính của vật liệu, làm cho vật liệu kém bền và thay đổi độ dẻo.

Phân loại

Định nghĩa về thép như một kim loại với một số đặc tính nhất định, tất nhiên, là điều không thể nghi ngờ. Tuy nhiên, chính thành phần của nó làm cho chúng ta có thể phân loại vật liệu theo nhiều hướng. Vì vậy, ví dụ, các kim loại được phân biệt bằng các đặc điểm sau:

• về hóa chất;
• cấu;
• theo chất lượng;
• như dự định;
• theo mức độ khử oxy;
• theo độ cứng;
• về khả năng hàn của thép.

Định nghĩa thép, đánh dấu và tất cả các đặc điểm của nó sẽ được mô tả bên dưới.

Đánh dấu

Thật không may, không có chỉ định thép toàn cầu, điều này làm phức tạp thêm thương mại giữa các quốc gia. Ở Nga, một hệ thống chữ và số được xác định. Các chữ cái cho biết tên của các nguyên tố và phương pháp khử oxy, và các con số cho biết số lượng của chúng.

Thành phần hoá học

Có hai cáchphân chia thép theo thành phần hóa học. Định nghĩa được đưa ra bởi sách giáo khoa hiện đại giúp chúng ta có thể phân biệt giữa carbon và vật liệu hợp kim.

Thuộc tính đầu tiên xác định thép là carbon thấp, carbon trung bình và carbon cao, và thuộc tính thứ hai - hợp kim thấp, hợp kim trung bình và hợp kim cao. Một kim loại cacbon thấp được gọi là kim loại, theo GOST 3080-2005, có thể bao gồm, ngoài sắt, các thành phần sau:

• Carbon - lên đến 0,2%. Nó thúc đẩy tăng cường nhiệt, do đó độ bền kéo và độ cứng được tăng gấp đôi.
• Mangan với số lượng lên đến 0,8% tích cực đi vào liên kết hóa học với oxy và ngăn chặn sự hình thành oxit sắt. Kim loại có khả năng chịu tải động tốt hơn và dễ chịu nhiệt hơn.
• Silicon - lên đến 0,35%. Nó cải thiện các tính chất cơ học như độ bền, độ bền, khả năng hàn.

Theo GOST, định nghĩa thép là thép cacbon thấp được đưa ra cho một kim loại có chứa một số tạp chất có hại, ngoài tính hữu ích, với số lượng sau đây. Đây là:

• Phốt pho - lên đến 0,08% là nguyên nhân gây ra hiện tượng giòn lạnh, làm suy giảm độ bền và sức mạnh. Làm giảm độ dẻo dai của kim loại.
• Lưu huỳnh - lên đến 0,06%. Nó làm phức tạp quá trình xử lý kim loại bằng áp lực, làm tăng độ giòn của nhiệt độ.
• Nito. Làm giảm các đặc tính công nghệ và độ bền của hợp kim.
• Oxy. Giảm sức mạnh và cản trở các công cụ cắt.

Cần lưu ý rằng thấp hoặcthép cacbon thấp đặc biệt mềm và dễ uốn. Chúng biến dạng tốt cả nóng và lạnh.

Định nghĩa về thép cacbon trung bình cũng như thành phần của nó tất nhiên khác với vật liệu được mô tả ở trên. Và sự khác biệt lớn nhất là lượng carbon, dao động từ 0,2 đến 0,45%. Một kim loại như vậy có độ dẻo dai và độ dẻo thấp cùng với các đặc tính sức bền tuyệt vời. Thép cacbon trung bình thường được sử dụng cho các bộ phận được sử dụng dưới tải điện bình thường.

Nếu hàm lượng cacbon trên 0,5%, thì thép như vậy được gọi là thép cacbon cao. Nó đã làm tăng độ cứng, giảm độ nhớt, độ dẻo và được sử dụng để dập các dụng cụ và bộ phận bằng cách biến dạng nóng và lạnh.

Ngoài việc xác định carbon có trong thép, việc xác định các đặc tính của vật liệu có thể thông qua sự hiện diện của các tạp chất bổ sung trong đó. Nếu, ngoài các nguyên tố thông thường, crom, niken, đồng, vanadi, titan, nitơ ở trạng thái liên kết hóa học được đưa vào kim loại một cách có chủ đích, thì nó được gọi là pha tạp. Các chất phụ gia như vậy làm giảm nguy cơ gãy giòn, tăng khả năng chống ăn mòn và độ bền. Số của chúng cho biết mức độ hợp kim của thép:

• hợp kim thấp - có tới 2,5% phụ gia tạo hợp kim;
• hợp kim trung bình - từ 2,5 đến 10%;
• hợp kim cao - lên đến 50%.

Điều này có nghĩa là gì? Ví dụ: sự gia tăng của bất kỳ thuộc tính nào bắt đầu được cung cấp như sau:

1. Thêm crom. tích cựcảnh hưởng đến các đặc tính cơ học với số lượng 2% của tổng số.
2. Việc đưa niken từ 1 đến 5% sẽ làm tăng biên độ nhiệt độ của độ nhớt. Và làm giảm độ giòn lạnh.
3. Mangan hoạt động tương tự như niken, mặc dù rẻ hơn nhiều. Tuy nhiên, nó giúp tăng độ nhạy của kim loại đối với quá nhiệt.
4. Vonfram là chất phụ gia tạo cacbua mang lại độ cứng cao. Vì nó ngăn cản sự phát triển của hạt khi đun nóng.
5. Molypden là một chất phụ gia đắt tiền. Làm tăng khả năng chịu nhiệt của thép tốc độ cao.
6. Silicon. Tăng khả năng chống axit, độ đàn hồi, chống đóng cặn.
7. Titan. Có thể thúc đẩy cấu trúc hạt mịn khi kết hợp với crom và mangan.
8. Đồng. Tăng tính chất chống ăn mòn.
9. Nhôm. Tăng khả năng chịu nhiệt, chống đóng cặn, độ dẻo dai.

Cấu trúc

Việc xác định thành phần của thép sẽ không đầy đủ nếu không nghiên cứu cấu trúc của nó. Tuy nhiên, dấu hiệu này không phải là không đổi, và có thể phụ thuộc vào một số yếu tố, chẳng hạn như: chế độ xử lý nhiệt, tốc độ làm mát, mức độ hợp kim hóa. Theo các quy tắc, kết cấu thép cần được xác định sau khi ủ hoặc thường hóa. Sau khi ủ, kim loại được chia thành:

• cấu trúc pro-eutectoid - với dư thừa ferit;
• eutectoid, bao gồm đá trân châu;
• hypereutectoid - với cacbua thứ cấp;
• ledeburite - với cacbua chính;
• Austenit - với mạng tinh thể hướng tâm;
• ferritic - với mạng tinh thể lập phương tâm khối.

Việc xác định lớp thép có thể thực hiện được sau khi chuẩn hóa. Nó được hiểu là một kiểu xử lý nhiệt, bao gồm làm nóng, giữ và làm nguội sau đó. Ở đây, các lớp ngọc trai, Austenit và Ferit được phân biệt.

Chất

Việc xác định loại đã trở nên khả thi về chất lượng theo bốn cách. Đây là:

1. Chất lượng thông thường - đây là những loại thép có hàm lượng cacbon lên đến 0,6%, được nấu chảy trong lò nung lộ thiên hoặc trong bộ chuyển đổi sử dụng oxy. Chúng được coi là rẻ nhất và có đặc tính kém hơn so với các kim loại thuộc các nhóm khác. Ví dụ về các loại thép như vậy là St0, St3sp, St5kp.
2. Chất lượng. Đại diện nổi bật của loại này là các loại thép St08kp, St10ps, St20. Chúng được nấu chảy bằng cách sử dụng các lò giống nhau, nhưng với yêu cầu cao hơn về quy trình sản xuất và phí.
3. Thép chất lượng cao được nấu chảy trong lò điện, điều này đảm bảo tăng độ tinh khiết của vật liệu cho vật liệu phi kim loại, tức là cải thiện tính chất cơ học. Những vật liệu này bao gồm St20A, St15X2MA.
4. Đặc biệt chất lượng cao - được làm theo phương pháp luyện kim đặc biệt. Chúng phải chịu quá trình nấu chảy lại bằng xỉ điện, cung cấp sự tinh chế khỏi các sulfua và oxit. Thép loại này bao gồm St18KhG-Sh, St20KhGNTR-Sh.

Thép kết cấu

Đây có lẽ là dấu hiệu đơn giản và dễ hiểu nhất đối với người cư sĩ. Có các loại thép kết cấu, công cụ và thép chuyên dụng. Cấu trúc thường được chia thành:

1. Thép xây dựng là thép cacbon có chất lượng thông thường và là đại diện của dòng hợp kim thấp. Chúng phải tuân theo một số yêu cầu, trong đó chính là khả năng hàn ở mức đủ cao. Một ví dụ là StS255, StS345T, StS390K, StS440D.
2. Vật liệu xi măng được sử dụng để tạo ra các sản phẩm hoạt động trong điều kiện mài mòn bề mặt và đồng thời chịu tải trọng động. Chúng bao gồm thép carbon thấp St15, St20, St25 và một số loại hợp kim: St15Kh, St20Kh, St15KhF, St20KhN, St12KhNZA, St18Kh2N4VA, St18Kh2N4MA, St18KhGT, St20KhGR, St30KhGT.
3. Để dập nguội, lá cán từ các mẫu cacbon thấp chất lượng cao được sử dụng. Chẳng hạn như St08Yu, St08ps, St08kp.
4. Thép có thể xử lý được cải tiến thông qua quá trình tôi luyện và tôi luyện cao. Đây là thép cacbon trung bình (St35, St40, St45, St50), crom (St40X, St45X, St50X, St30XRA, St40XR), cũng như crom-silic-mangan, crom-niken-molypden và crom-niken.
5. Lò xo có đặc tính đàn hồi và giữ được lâu, vì chúng có khả năng chống mỏi và phá hủy cao. Đây là các đại diện carbon của thép St65, St70 và thép hợp kim (St60S2, St50KhGS, St60S2KhFA, St55KhGR).
6. Mẫu có độ bền cao là những mẫu có độ bền gấp đôi các loại thép kết cấu khác, đạt được bằng cách xử lý nhiệt và thành phần hóa học. Phần lớn, đây là thép cacbon trung bình được hợp kim hóa, ví dụ, St30KhGSN2A, St40KhN2MA, St30KhGSA, St38KhN3MA, StOZN18K9M5T, St04KHIN9M2D2TYu.
7. Vòng bithép được đặc trưng bởi độ bền đặc biệt, mức độ chống mài mòn và sức mạnh cao. Chúng phải đáp ứng các yêu cầu về việc không có các loại tạp chất khác nhau. Những mẫu này bao gồm thép cacbon cao với hàm lượng crom trong thành phần (StSHKh9, StSHKh15).
8. Định nghĩa thép tự động như sau. Đây là những mẫu dùng để sản xuất các sản phẩm không quan trọng như bu lông, đai ốc, ốc vít. Những phụ tùng thay thế thường được gia công. Do đó, nhiệm vụ chính là tăng khả năng gia công của các bộ phận, đạt được bằng cách đưa thêm tellurium, selen, lưu huỳnh và chì vào vật liệu. Các chất phụ gia như vậy góp phần hình thành các phoi giòn và ngắn trong quá trình gia công và làm giảm ma sát. Các đại diện chính của thép tự động được chỉ định như sau: StA12, StA20, StA30, StAS11, StAS40.
9. Thép chống ăn mòn là thép hợp kim có hàm lượng crom khoảng 12%, vì nó tạo thành một lớp màng oxit trên bề mặt để ngăn chặn sự ăn mòn. Đại diện của các hợp kim này là St12X13, St20X17N2, St20X13, St30X13, St95X18, St15X28, St12X18NYUT,
10. Mẫu chống mài mòn được sử dụng trong các sản phẩm hoạt động dưới ma sát mài mòn, va đập và áp lực mạnh. Một ví dụ là các bộ phận của đường ray xe lửa, máy nghiền và máy bánh xích, chẳng hạn như St110G13L.
11. Thép chịu nhiệt có thể làm việc ở nhiệt độ cao. Chúng được sử dụng trong sản xuất ống, phụ tùng tuabin khí và hơi nước. Đây chủ yếu là các mẫu cacbon thấp hợp kim cao, nhất thiết phải chứa niken, có thể chứa các chất phụ gia ở dạngmolypden, nobi, titan, vonfram, bo. Một ví dụ sẽ là St15XM, St25X2M1F, St20XZMVF, St40HUS2M, St12X18N9T, StXN62MVKYU.
12. Chịu nhiệt đặc biệt có khả năng chống lại các tác hại của hóa chất trong môi trường không khí, khí đốt và lò nung, oxy hóa và thấm cacbon, nhưng cho thấy hiện tượng rão dưới tải trọng khắc nghiệt. Các đại diện của loại này là St15X5, St15X6SM, St40X9S2, St20X20H14S2.

Thép công cụ

Trong nhóm này, hợp kim được chia thành khuôn dập, dùng cho các dụng cụ cắt và đo lường. Có hai loại thép khuôn.

• Vật liệu tạo hình nguội cần có độ cứng, độ bền cao, chịu mài mòn, chịu nhiệt. Nhưng có đủ độ nhớt (StX12F1, StX12M, StX6VF, St6X5VMFS).
• Chất liệu tạo hình nóng có độ bền và độ dẻo dai tốt. Cùng với khả năng chống mài mòn và chống đóng cặn (St5KhNM, St5KhNV, St4KhZVMF, St4Kh5V2FS).

Thép dụng cụ đo, ngoài khả năng chống mài mòn và độ cứng, phải ổn định về kích thước và dễ mài. Calibre, kim bấm, khuôn mẫu, thước kẻ, cân, gạch được làm từ những hợp kim này. Một ví dụ sẽ là hợp kim StU8, St12Kh1, StKhVG, StKh12F1.

Việc xác định nhóm thép cho dụng cụ cắt khá dễ dàng. Hợp kim đó phải có khả năng cắt và độ cứng cao trong thời gian dài, kể cả khi chịu nhiệt. Chúng bao gồm dụng cụ carbon và hợp kim, cũng nhưthép tốc độ cao. Ở đây bạn có thể kể tên những đại diện nổi bật sau: StU7, StU13A, St9XS, StKhVG, StR6M5, Stryuk5F5.

Khử oxy của hợp kim

Việc xác định thép theo mức độ khử ôxy ngụ ý ba loại của nó: bình tĩnh, bán bình tĩnh và sôi. Khái niệm này đề cập đến việc loại bỏ oxy khỏi hợp kim lỏng.

Thép không ồn hầu như không thải ra khí trong quá trình đông đặc. Điều này là do sự loại bỏ hoàn toàn oxy và hình thành một khoang co ngót trên đầu thỏi, sau đó sẽ bị cắt ra.

Trong thép bán tĩnh, khí được giải phóng một phần, tức là, nhiều hơn trong thép lặng, nhưng ít hơn ở khí sôi. Không có vỏ ở đây, như trường hợp trước, nhưng bong bóng hình thành ở trên cùng.

Hợp kim sôi giải phóng một lượng lớn khí khi đông đặc, và chỉ cần nhìn qua mặt cắt ngang là đủ để nhận thấy sự khác biệt về thành phần hóa học giữa lớp trên và lớp dưới.

Độ cứng

Khái niệm này đề cập đến khả năng của một vật liệu chống lại sự xâm nhập khó hơn vào nó. Có thể xác định độ cứng bằng ba phương pháp: L. Brinell, M. Rockwell, O. Vickers.

Theo phương pháp Brinell, một viên bi thép cứng được ép vào bề mặt nền của mẫu. Bằng cách nghiên cứu đường kính của bản in, hãy xác định độ cứng.

Phương pháp xác định độ cứng của thép theo Rockwell. Nó dựa trên việc tính toán độ sâu xuyên thấu của một chóp hình nón kim cương 120 độ.

Theo Vickers trong mẫu thử nghiệmmột hình chóp tứ diện đều bằng kim cương được ép vào trong. Với góc 136 độ trên khuôn mặt đối diện.

Có thể xác định mác thép mà không cần phân tích hóa học không? Các chuyên gia trong lĩnh vực luyện kim có thể nhận biết mác thép bằng tia lửa. Việc xác định các thành phần của kim loại có thể được thực hiện trong quá trình xử lý. Vì vậy, ví dụ:

• ThépCVG có tia lửa màu đỏ thẫm với các chấm và búi màu vàng-đỏ. Ở đầu các sợi nhánh, các ngôi sao màu đỏ tươi xuất hiện với các hạt màu vàng ở giữa.
• ThépP18 cũng được xác định bằng các tia lửa màu đỏ thẫm với các búi màu vàng và đỏ ở đầu, tuy nhiên, các sợi chỉ thẳng và không có nĩa. Ở đầu các bó có tia lửa với một hoặc hai hạt màu vàng nhạt.
• Các mác thép ХГ, Х, ШХ15, ШХ9 có tia lửa màu vàng hình sao sáng. Và những hạt màu đỏ trên cành.
• ThépU12F được phân biệt bằng tia lửa màu vàng nhạt với các ngôi sao dày đặc và lớn. Với một số búi màu đỏ và vàng.
• Thép 15 và 20 có tia lửa màu vàng nhạt, nhiều nĩa và sao. Nhưng ít búi.

Xác định thép bằng tia lửa điện là một phương pháp khá chính xác dành cho các chuyên gia. Tuy nhiên, người bình thường không thể xác định đặc điểm của kim loại bằng cách chỉ kiểm tra màu sắc của tia lửa.

Tính hàn

Tính chất của kim loại để tạo thành mối nối dưới một tác động nhất định được gọi là tính hàn của thép. Việc xác định chỉ số này có thể thực hiện được sau khi phát hiện hàm lượng sắt và cacbon.

Người ta tin rằng chúng được kết nối tốt bằng hànthép cacbon thấp. Khi hàm lượng cacbon vượt quá 0,45%, tính hàn kém đi và trở nên tồi tệ hơn khi hàm lượng cacbon cao. Điều này cũng xảy ra do tính không đồng nhất của vật liệu tăng lên và các tạp chất sunfua nổi bật ở ranh giới hạt, dẫn đến sự hình thành các vết nứt và gia tăng ứng suất bên trong.

Các thành phần hợp kim cũng hoạt động, làm xấu kết nối. Bất lợi nhất cho quá trình hàn là các nguyên tố hóa học như crom, molypden, mangan, silicon, vanadi, phốt pho.

Tuy nhiên, việc tuân thủ công nghệ khi làm việc với thép hợp kim thấp mang lại tỷ lệ khả năng hàn tốt mà không cần sử dụng các biện pháp đặc biệt. Có thể xác định khả năng hàn sau khi đánh giá một số chất lượng vật liệu quan trọng, bao gồm:

• Tốc độ làm mát.
• Thành phần hóa học.
• Xem kết tinh sơ cấp và những thay đổi cấu trúc trong quá trình hàn.
• Khả năng hình thành vết nứt của kim loại.
• Xu hướng của vật liệu để tạo thành cứng.