Thép là gì? Tính chất của các loại thép và ứng dụng

Thép là một trong những vật liệu quan trọng nhất trong đời sống hiện đại, được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng, sản xuất và nhiều lĩnh vực khác. Nhưng thép là gì? Bài viết này sẽ cung cấp cho bạn những kiến thức đầy đủ và chi tiết nhất về loại vật liệu này.

Tìm hiểu về vật liệu thép

Thép là gì?

Thép là một hợp kim của sắt (Fe) với cacbon (C), trong đó hàm lượng cacbon chiếm từ 0,02% đến 2,14% theo trọng lượng. Cacbon là thành phần quan trọng nhất giúp tăng độ cứng, độ bền kéo và khả năng chống mài mòn của thép so với sắt nguyên chất. 

Ngoài cacbon, thép còn có thể chứa các nguyên tố hợp kim khác như mangan (Mn), silic (Si), niken (Ni), crom (Cr), molypden (Mo), vanađi (V)… để cải thiện các tính chất cơ học và hóa học.

Thép là loại vật liệu quan trọng trong phát triển kinh tế xã hội và được ứng dụng trong xây dựng các công trình lớn hiện nay, 1 vật liệu cốt lõi, bảo đảm độ cứng, độ bền cho công trình. Thép giống như một khung xương, khi đã có một khung xương vững chắc bạn có thể tùy ý tạo ra những kiến trúc độc đáo và đẹp mắt.

Các thành phần của thép

Thép được biết đến là hợp chất tổng hợp của nhiều nguyên tố hóa học. Trong thành phần cấu tạo của thép thì nguyên tố sắt (Fe) và nguyên tố cacbon (C) chiếm thành phần lớn. Tuy nhiên, vẫn không thể thiếu những nguyên tố như: Si, Mn, P, S, Cr, Mg. hàm lượng các nguyên tố hóa học của thép không giống nhau. Chúng sẽ tương ứng với độ cứng, độ dẻo, tính đàn hồi, khả năng chống ăn mòn của thép.

Cấu tạo của thép bao gồm các thành phần như sau:

• Sắt (Fe): Thành phần cơ bản, chiếm tỷ lệ lớn nhất trong thép.
• Cacbon (C): Thành phần quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến độ cứng và độ bền của vật liệu thép. Hàm lượng cacbon càng cao, thép càng cứng và giòn.
• Mangan (Mn): Tăng độ bền và khả năng chống mài mòn của thép.
• Silic (Si): Tăng độ bền, độ dẻo và khả năng chống oxy hóa của thép.
• Các nguyên tố hợp kim khác (Ni, Cr, Mo, V…): Cải thiện các tính chất đặc biệt của thép như khả năng chống gỉ, chịu nhiệt, chịu lực.
• Các tạp chất (S, P): Cần được kiểm soát để tránh ảnh hưởng xấu đến chất lượng thép.

Quá trình luyện thép là thời điểm phù hợp để phân chia tỉ lệ sắt và cacbon sao cho tạo ra cấu trúc thép với đặc tính khác nhau. Vậy nên, tùy thuộc vào mục đích để chế tạo các loại thép phù hợp.

Ví dụ: hàm lượng cacbon trong thép ít thì độ dẻo của thép cao; hàm lượng cacbon trong thép cao thì độ cứng của thép lớn.

Tính chất đặc trưng của thép là gì?

Thép là vật liệu có tính dẫn điện mạnh, có ánh kim. Vật liệu này chịu nhiệt tốt, bị hóa dẻo ở nhiệt độ từ 500 độ C đến 600 độ C. Ngược lại, ở mức nhiệt độ thấp, cụ thể là dưới -50 độ C thì thép có tính giòn và dễ nứt.

Tính chất đặc trưng của thép là tính dẻo, dễ định hình cho phép ứng dụng trong ngành công nghiệp, ngành cơ khí bởi thiết bị đa dạng mẫu mã, chủng loại. Một số loại thép có tính tổng hợp cao được dùng để sản xuất thiết bị van công nghiệp như van bướm, van bi, van cổng.

Tính chất vật lý của thép

• Khối lượng riêng: Dao động từ 7.750 đến 8.050 kg/m ³, tùy thuộc vào thành phần và mác thép.
• Nhiệt độ nóng chảy: Khoảng 1.370 đến 1.510°C, tùy thuộc vào thành phần cacbon.
• Độ dẫn điện: Thép là chất dẫn điện tốt, tuy nhiên độ dẫn điện thấp hơn so với đồng.
• Độ dẫn nhiệt: Thép có độ dẫn nhiệt tốt, giúp tản nhiệt nhanh chóng.
• Tính từ: Hầu hết các loại thép đều có tính từ (bị nam châm hút), trừ một số loại thép không gỉ Austenitic.

Tính chất hóa học của thép

• Tính oxy hóa: Thép dễ bị oxy hóa trong môi trường ẩm ướt, tạo thành gỉ sắt.
• Tính ăn mòn: Thép có thể bị ăn mòn bởi axit, bazơ và các chất hóa học khác.

Phân loại các loại thép hiện nay – Thép có mấy loại?

Được bổ sung thêm nhiều loại nguyên tố khiến thép có tính chất khác nhau, thỏa mãn yêu cầu làm việc trong nhiều trường hợp, nhiều mục đích khác nhau. Có nhiều tiêu chí để đánh giá và phân loại thép. Dưới đây là tổng hợp chi tiết 3 loại thép phổ biến nhất:

Thép cacbon

Loại thép này có chứa hàm lượng cacbon từ 0.2% đến 0.6%. Tùy theo tỉ lệ cacbon sẽ chia ra làm 3 loại thép có độ cứng thấp, độ cứng trung bình hoặc độ cứng cao. Khi thép cacbon có nhiều C thì độ giòn và độ chịu lực sẽ tăng cao. Một vài nguyên tố có thể thêm vào để tăng cường tính chất kỹ thuật của thép, như CR, Ni, Mn, Cu.

Thép cacbon có nhiệt lượng thấp, độ cứng cao, phù hợp sản xuất các dụng cụ khuôn dập, thước đo, đục, dũa. Dễ nhận thấy loại thép này với kí hiệu CD và hàm lượng cacbon được khắc trên thân sản phẩm. Ví dụ: CD70, CD80, CD100.

Thép hợp kim

Nguyên tố kim loại chiếm từ 1% đến 50%, sẽ được thay đổi theo tỷ lệ sản phẩm. Thép hợp kim sẽ phân chia thành 3 loại: thép hợp kim thấp, thép hợp kim vừa và thép hợp kim cao. Riêng với ngành xây dựng, loại thép này được trộn thêm các nguyên tố với tỉ lệ dưới 10% như: Mn, Cr, Si, Ni. Mỗi hàm lượng và mỗi nguyên tố có một chức năng không giống nhau. Cụ thể:

+ Cr: nguyên tố hình thành thép không gỉ.

+ Ni: nguyên tố tạo độ mềm, độ dẻo cho thép.

+ Mn: ngăn chặn sự oxy hóa, ngăn ngừa chất bẩn hoặc gây nứt thép bởi các chất sunfua.

+ Si: chống lại sự ăn mòn từ các hóa chất sunfua.

+ Ni: đảm bảo độ bền ổn định cho thép hợp kim.

+ S: giúp tăng khả năng gia công, tránh hiện tượng giòn sunfua.

Thép không gỉ

Còn được gọi bằng tên là vật liệu Inox. Với hàm lượng nguyên tố Cr lên đến 10%, cho phép loại thép này chống oxy hóa, chống ăn mòn tốt. Như một lớp bảo vệ, nguyên tố hóa học Crom khi kết hợp cùng không khí sinh ra lớp màng mỏng, bao bọc vật liệu. Đặc biệt, không bị gỉ khi hoạt động dưới nhiều môi trường. Các loại thép không gỉ chính, gồm có: austenitic, ferritic, duplex, martensitic.

Các loại kết cấu thép thường gặp

Kết cấu thép đa dạng về hình dạng và kích thước, đáp ứng nhu cầu khác nhau của các công trình xây dựng và ứng dụng công nghiệp. Dưới đây là các loại kết cấu thép phổ biến nhất:

• Thép ống tròn: Là loại thép có dạng hình trụ rỗng, được ứng dụng rộng rãi trong dẫn chất lỏng, khí, hoặc làm cột, khung cho các công trình. Ưu điểm của thép ống tròn là khả năng chịu lực tốt theo nhiều hướng và dễ dàng kết nối.
• Thép hình (I, H, U, V): Đây là các loại thép có mặt cắt ngang hình chữ I, H, U hoặc V, được sử dụng làm dầm, cột chịu lực trong các công trình xây dựng và công nghiệp. Mỗi hình dạng có ưu điểm riêng, ví dụ thép hình I và H chịu uốn tốt, thép hình U dùng làm ray trượt, và thép hình V làm giằng.
• Thép hộp: Thép hộp có mặt cắt ngang hình vuông hoặc hình chữ nhật rỗng, được sử dụng làm khung, cột, hoặc giằng trong xây dựng và công nghiệp. Ưu điểm của thép hộp là độ cứng cao, khả năng chịu lực tốt và vẻ ngoài thẩm mỹ.
• Thép tấm: Thép tấm là thép được cán mỏng thành dạng tấm, có nhiều độ dày khác nhau, được ứng dụng trong đóng tàu, sản xuất ô tô, hoặc làm vỏ bồn bể. Thép tấm dễ gia công, cắt, uốn và hàn, đáp ứng nhu cầu đa dạng của các ngành công nghiệp.
• Thép thanh vằn (Thép cốt bê tông): Đây là loại thép có các đường gân trên bề mặt, được dùng để tăng cường độ bám dính giữa thép và bê tông trong kết cấu bê tông cốt thép. Thép thanh vằn giúp chịu lực kéo cho bê tông, làm tăng khả năng chịu tải của công trình.
• Thép tròn trơn: Thép tròn trơn là loại thép có mặt cắt ngang hình tròn và bề mặt nhẵn, thường được dùng làm đinh, bulong, ốc vít, hoặc các chi tiết gia công cơ khí. Thép tròn trơn dễ uốn, hàn và gia công, phục vụ nhiều mục đích sử dụng khác nhau.
• Thép cuộn: Thép cuộn là thép được sản xuất thành dạng cuộn lớn để dễ dàng vận chuyển và lưu trữ, sau đó được kéo thành dây thép hoặc sử dụng làm nguyên liệu cho các sản phẩm thép khác. Thép cuộn giúp tiết kiệm chi phí vận chuyển và giảm thiểu lãng phí trong quá trình sản xuất.

Ứng dụng của thép trong các lĩnh vực

Công dụng của thép vô cùng đa dạng, từ những công trình xây dựng lớn đến các vật dụng gia đình quen thuộc. Vậy cụ thể, thép dùng để làm gì?

• Xây dựng: Thép là bộ khung cho nhà cao tầng, cầu đường, nhà xưởng. Thép thanh vằn gia cố bê tông, tăng khả năng chịu lực. Thép tấm làm mái, vách, cửa, cổng, vừa bền vừa đẹp.
• Giao thông vận tải: Thép là vật liệu được dùng để chế tạo thân tàu, khung ô tô, toa tàu, xe máy, đảm bảo an toàn. Vật liệu này còn được sử dụng để xây dựng cầu đường, đường ray, kết nối giao thương.
• Công nghiệp sản xuất: Thép là nguyên liệu chính của máy móc, thiết bị, dụng cụ từ bu lông, ốc vít, đến thiết bị van công nghiệp, thiết bị đo lưu lượng, bộ phận máy móc,…
• Năng lượng: Vật liệu thép được sử dụng để xây nhà máy điện, lọc dầu, khai thác mỏ. Trong lĩnh vực năng lượng tái tạo, thép làm trụ điện gió, pin mặt trời, góp phần phát triển năng lượng sạch.
• Đồ gia dụng và đời sống: Công dụng của thép thể hiện ở các vật dụng bàn ghế, tủ, giường, bếp, dao kéo. Thép còn có trong máy giặt, tủ lạnh, lò vi sóng, đảm bảo độ bền.
• Y tế: Thép không gỉ làm dụng cụ phẫu thuật, thiết bị y tế, implant, an toàn cho sức khỏe.

Các câu hỏi thường gặp về vật liệu thép

Câu 1: Thép gồm những chất nào?

Thép là hợp kim của sắt (Fe) và cacbon (C), ngoài ra còn có thể chứa các nguyên tố hợp kim khác như mangan (Mn), silic (Si), niken (Ni), crom (Cr), molypden (Mo), vanađi (V)… và một số tạp chất.

Câu 2: Hàm lượng cacbon trong thép là bao nhiêu?

Hàm lượng cacbon trong thép dao động từ 0,02% đến 2,14% theo trọng lượng. Hàm lượng cacbon này ảnh hưởng trực tiếp đến độ cứng, độ bền và các tính chất khác của thép.

Câu 3: Thép ký hiệu hóa học là gì?

Không có ký hiệu hóa học riêng cho “thép” nói chung vì thép là một hợp kim với nhiều thành phần khác nhau. Mỗi loại thép có mác thép riêng, ví dụ như CT3, SS400,…

Câu 4: Thép có ánh kim không?

Thép có ánh kim đặc trưng khi bề mặt được làm sạch và đánh bóng. Tuy nhiên, độ sáng của ánh kim có thể khác nhau tùy thuộc vào loại thép và cách xử lý bề mặt.

Câu 5: Thép có dẻo không?

Độ dẻo của thép phụ thuộc vào thành phần và mác thép. Thép cacbon thấp có độ dẻo cao, trong khi thép cacbon cao có độ dẻo thấp.

Câu 6: Thép có màu gì?

Màu sắc tự nhiên của thép là màu xám bạc. Tuy nhiên, màu sắc của thép có thể thay đổi tùy thuộc vào thành phần hợp kim và quá trình xử lý bề mặt. Ví dụ, thép không gỉ có màu sáng bóng, trong khi thép đã bị gỉ có màu nâu đỏ.

Câu 7: Thép có gỉ không?

Thép có bị gì hay không tùy vào loại thép cụ thể. Thép cacbon và thép hợp kim thông thường dễ bị gỉ trong môi trường ẩm ướt. Trong khi đó thép không gỉ (inox) có khả năng chống gỉ tốt hơn nhờ chứa crom.

Tuấn Hưng Phát Valve hy vọng bài viết này đã cung cấp cho bạn những kiến thức tổng quan và chi tiết về thép. Thép là một vật liệu vô cùng quan trọng và đa năng, đóng vai trò không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại. Hiểu rõ về thép sẽ giúp bạn sử dụng và ứng dụng loại vật liệu này một cách hiệu quả nhất.