Vật liệu thép

Vật liệu thép

Thép là hợp kim với thành phần chính là sắt (Fe), với cacbon (C), từ 0,02% đến 2,14% theo trọng lượng, và một số nguyên tố hóa học khác. Chúng làm tăng độ cứng, hạn chế sự di chuyển của nguyên tử sắt trong cấu trúc tinh thể dưới tác động của nhiều nguyên nhân khác nhau.

Số lượng khác nhau của các nguyên tố và tỷ lệ của chúng trong thép nhằm mục đích kiểm soát các mục tiêu chất lượng như độ cứng, độ đàn hồi, tính dễ uốn, và sức bền kéo đứt. Thép có ưu điểm là cường độ chịu lực cao, nhưng dễ bị tác dụng ăn mòn của môi trường.

Khái quát về thép 

Thép là hợp kim sắt – các bon, hàm lượng các bon < 2%.
Theo hàm lượng các bon chia ra:
– Thép các bon thấp : hàm lượng các bon ≤ 0,25%.
– Thép các bon trung bình : hàm lượng các bon 0,25 – 0,6%.
– Thép các bon cao : hàm lượng các bon 0,6 – 2%.
Khi tăng hàm lượng các bon, tính chất của thép cũng thay đổi: độ dẻo giảm, cường độ chịu lực và độ giòn tăng.
Để tăng cường các tính chất kỹ thuật của thép có thể cho thêm những nguyên tố kim loại khác như: mangan, crôm, niken, nhôm, đồng…
Theo tổng hàm lượng các nguyên tố kim loại thêm vào chia ra :
– Thép hợp kim thấp: tổng hàm lượng các nguyên tố kim loại khác ≤ 2,5%.
– Thép hợp kim vừa: tổng hàm lượng các nguyên tố kim loại khác 2,5-10%.
– Thép hợp kim cao: tổng hàm lượng các nguyên tố kim loại khác > 10%.
Trong xây dựng thường dùng thép hợp kim thấp. Thành phần các nguyên tố khác trong thép khoảng 1%.Thép là vật liệu kim loại nên có ánh kim, dẫn điện, dẫn nhiệt mạnh..

• Ở nhiệt độ 500 độ C – 600 độC thép trở lên dẻo, cường độ giảm.
• Ở nhiệt độ – 10 độ C tính dẻo giảm.
• Ở nhiệt độ – 45 độ C thép giòn, dễ nứt.
• Khối lượng riêng của thép từ 7,8 đến 7,85 g/cm3.

Biện pháp thay đổi cấu trúc và tính chất của thép

Cấu trúc và tính chất của thép có quan hệ chặt chẽ với nhau, khi cấu trúc của thép thay đổi thì tính chất cơ bản của nó thay đổi theo. Để biến đổi cấu trúc của thép và làm tốt hơn các tính chất của thép theo nhu cầu sử dụng, ta có thể áp dụng một số biện pháp gia công nhiệt và gia công cơ học.
Gia công nhiệt
Gia công nhiệt hay còn gọi là xử lý nhiệt là biện pháp áp dụng cho cả kim loại đen và kim loại màu. Đây là biện pháp phổ biến, có ý nghĩa thực tế cao.
Gia công nhiệt gồm các phương pháp ủ, thường hoá, tôi và ram.
Ủ và thường hoá là nhằm giảm độ cứng của thép (làm mềm), tăng độ dẻo để dập, cán, kéo nguội, làm đồng đều trên tiết diện thép chuẩn bị cho công tác gia công nhiệt cuối cùng.
Ủ là nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định, giữ ở nhiệt độ đó một thời gian, rồi làm nguội. Thép sau khi ủ có độ bền và độ cứng thấp nhất, độ dẻo và độ dai cao.
Thường hoá là phương pháp nung nóng thép lên đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ ủ, giữ nhiệt rồi sau đó làm nguội trong không khí, nhờ đó thép có độ bền, độ cứng cao hơn đôi chút so với trạng thái ủ.
Tôi thép là nung nóng thép lên quá nhiệt độ tới hạn rồi giữ nhiệt một thời gian, sau đó làm nguội đột ngột, kết quả là thép khó biến dạng dẻo và có độ cứng cao.
Ram là quá trình cần thiết và bắt buộc sau khi tôi. Thép sau khi tôi có tính giòn, dễ gãy, có độ cứng cao, vì vậy ram thép nhằm mục đích tạo ra cho thép có các tính chất cơ học (độ cứng, độ bền, độ dẻo) thích hợp với điều kiện sử dụng cần thiết.
Ngoài ra ram thép ở nhiệt độ cao còn để làm mềm thép giúp cho việc gia công cắt gọt được dễ dàng, tạo được độ nhẵn bóng cao khi cắt gọt.
Gia công cơ học
Gia công cơ học thép là nằm cải thiện cấu tạo và tính chất của thép để khắc phục những nhược điểm khi luyện và tạo hình dạng mới. Có hai phương pháp cơ học: gia công nguội và gia công nóng.
Gia công nguội là gia công thép ở nhiệt độ thường nhằm tạo ra biến hình dẻo để nâng cao tính cơ học (tăng cường độ, độ cứng, nhưng lại làm giảm độ dẻo). Gia công nguội gồm có kéo, rèn dập, cán nguội, vuốt.
Các sản phẩm thép như dây, sợi kim loại hầu hết được qua kéo nguội, dập nguội.
Một hình thức gia công khác là cán nguội. Thép sau khi cán nguội, ở mặt ngoài có những vết lồi lõm theo quy luật. So với kéo, thép cán nguội có nhiều ưu điểm hơn: Cường độ kéo, cường độ nén và lực dính bám giữa bê tông và cốt thép được tăng cường.
Đối với dây thép nhỏ (đường kính 5 ÷ 10 mm) người ta dùng phương pháp vuốt. Trong phương pháp này, dây thép được kéo qua một lỗ có đường kính nhỏ hơn dây thép. Mỗi lần vuốt giảm khoảng 10% tiết diện dây. Số lần vuốt phụ thuộc vào yêu cầu sử dụng, nhưng để đảm bảo tính dẻo và dai, thì sau lần vuốt thứ 4, 5 phải ủ thép một lần. Dây thép vuốt nguội có thể dùng làm cốt thép trong bê tông dự ứng lực, làm dây cáp v.v… Gia công nguội là một biện pháp tiết kiệm kim loại.
Gia công (rèn, cán) nóng (biến dạng nóng) là hình thức làm kim loại biến dạng ở trạng thái nóng…
Đối với thép các biến dạng ở nhiệt độ trên 650-700oC là biến dạng nóng, nhưng để đảm bảo đủ độ dẻo cần thiết, thường biến dạng được thực hiện ở nhiệt độ cao hơn nhiều.
Cán là phương pháp gia công ép nóng qua máy. Do cán liên tục nhiều lần mặt cắt của thép dần dần được cải biến đúng với hình dạng và kích thước yêu cầu. Các loại thép hình dùng trong xây dựng được chế tạo bằng phương pháp cán.
Rèn là phương pháp gia nhiệt đến trạng thái dẻo cao, dùng búa đập thành cấu kiện có hình dạng nhất định. Rèn có thể thực hiện bằng tay hoặc bằng máy.
Thép cán và rèn có cấu tạo tương đối tốt và tính năng cơ học cao.

Các loại thép xây dựng

Trong xây dựng sử dụng chủ yếu là thép các bon và thép hợp kim thấp.

Thép các bon
Thành phần hóa học của thép các bon gồm chủ yếu là Fe và C, ngoài ra còn chứa một số nguyên tố khác tùy theo điều kiện luyện thép.
C < 2%; Mn ≤ 0,8%; Si ≤ 0,5%; P, S ≤ 0,05%.
Cr, Ni, Cu, W, Mo, Ti rất ít (0,1 – 0,2%).
Mn, Si là 2 nguyên tố có tác dụng nâng cao cơ tính của thép các bon. P, S là những nguyên tố làm giảm chất lượng thép, nâng cao tính giòn nguội trong thép, nhưng lại tạo tính dễ gọt cho thép.
Các loại thép các bon
Theo phạm vi sử dụng thép các bon có hai loại: Thép các bon thường và thép các bon chất lượng tốt.
Thép các bon thường ở dạng đã qua cán mỏng (tấm, cây, thanh, thép hình…) chủ yếu để dùng trong xây dựng.
Theo TCVN 1765 : 1975 thép các bon thường lại được chia thành 3 loại A, B, C.
Thép các bon thường loại A là loại thép chỉ quy định về cơ tính.
Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN1765:1975) quy định mác thép loại này ký hiệu là CT, con số đi kèm theo chỉ độ bền giới hạn, Ví dụ thép CT31 là thép có giới hạn bền tối thiểu là 310 N/mm2.
Thép các bon thường loại A có các loại mác theo bảng 1.
Thép các bon thường loại B là thép chỉ quy định về thành phần hóa học.
Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN1765:1975) quy định mác thép loại này ký hiệu là BCT, con số đi kèm theo vẫn chỉ độ bền giới hạn như thép các bon thường loại A.
Thép các bon thường loại C là thép quy định cả về cơ tính và thành phần hóa học. Loại thép này có cơ tính như thép các bon thường loại A và có thành phần hóa học như thép các bon thường loại B. Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 1765:1975) quy định mác thép loại này ký hiệu là CCT
Thép các bon chất lượng tốt:
Thép loại này chứa ít tạp chất có hại hơn thép các bon loại thường (S < 0,04% , P < 0,035%) và được quy định cả về cơ tính và thành phần hóa học. Ký hiệu mác có ghi số phần vạn các bon. Thép loại này chỉ dùng để chế tạo chi tiết máy.

Thép hợp kim thấp

Thành phần hóa học: Thép hợp kim thấp là loại thép ngoài thành phần Fe, C và tạp chất do chế tạo còn có các nguyên tố khác được cho vào với một hàm lượng nhất định để thay đổi cấu trúc và tính chất của thép, đó là các nguyên tố : Cr, Ni, Mn, Si, W, V, Mo, Ti, Cu.
Trong thép hợp kim thấp tổng hàm lượng các nguyên tố này ≤ 2,5%.
Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 1659:1975), thép hợp kim được ký hiệu bằng hệ thống ký hiệu hóa học, số tỷ lệ phần vạn các bon và % các nguyên tố trong hợp kim.
Ví dụ: loại thép ký hiệu là 9Mn2 có 0,09% C và 2% Mn.
Tính chất cơ lý: Thép hợp kim thấp có cơ tính cao hơn thép các bon, chịu được nhiệt độ cao hơn và có những tính chất vật lý, hóa học đặc biệt như chống tác dụng ăn mòn của môi trường.
Thép hợp kim thấp thường dùng để chế tạo các kết cấu thép (dàn cầu, tháp khoan dầu mỏ, đường ống dẫn khí, v.v…), cốt thép cho kết cấu bê tông cốt thép.

 Cốt thép cho kết cấu bê tông cốt thép
Yêu cầu đối với các đặc tính của cốt thép khi sử dụng cho kết cấu bê tông
Tính bám dính tốt với lớp bao phủ là một trong những đặc tính quan trọng nhất của cốt thép trong bê tông, để đảm bảo nhiệm vụ này chúng phải có hình dạng đặc biệt: có gai để tăng cường neo móc. Đối với cốt thép ứng suất trước sự dính bám được đảm bảo bằng những vết, sự gồ ghề (bằng cán, vuốt).
Một yêu cầu khác là khi phản ứng với xi măng, cốt thép không được tạo ra các hợp chất có hại cho sự bám dính .
Tính biến dạng: từ khi đặt cốt thép vào bê tông và trong quá trình làm việc bê tông, cốt thép luôn luôn bị biến dạng, thắt lại. Như vậy, chúng cần có tính biến dạng tốt, như có độ giãn dài lớn dưới tác dụng của tải trọng cực đại khi thử kéo, bền sau một số lần thử uốn đi uốn lại.
Độ bền lâu: độ bền lâu (tuổi thọ) của các công trình bằng bê tông cốt thép hoặc bê tông cốt thép dự ứng lực phụ thuộc trực tiếp vào độ bền của cốt thép. Độ bền lâu này có thể chỉ phụ thuộc vào tác động cơ học, nhưng cũng có thể cả vào môi trường xung quanh.
Các dạng cốt thép cho bê tông cốt thép thường
Dây thép các bon thấp kéo nguội:
Dây thép cacbon thấp kéo nguội dùng làm cốt thép cho bê tông có đường kính từ 3,0 đến 10,0mm, được sản xuất từ thép các bon thấp
Thép cán nóng :
Thép tròn cán nóng mặt ngoài nhẵn hoặc có gân dùng làm cốt cho các kết cấu bê tông cốt thép thông thường và bê tông cốt thép ứng lực trước (gọi tắt là thép cốt), được chia làm 4 nhóm theo tính chất cơ học: CI, CII, CIII, CIV.
– Thép cốt nhóm CI là loại thép tròn nhẵn được chế tạo từ thép các bon mác CT33, CCT33, theo TCVN 1765 : 1975.
– Thép cốt nhóm CII, CIII, CIV là loại thép tròn mặt ngoài có gân (thép vằn).
– Thép cốt nhóm CII có đường kính từ 10 mm đến 40 mm được, chế tạo từ thép các bon mác CCT51 theo TCVN 1765 : 1975. Thép vằn nhóm này phải có gờ xoắn vít như nhau ở cả hai phía (hình 1).
– Thép cốt nhóm CIII (hình 2) có đường kính từ 6 mm đến 40 mm, được chế tạo từ thép hợp kim mangan silic và có gờ xoắn vít khác nhau, ở một phía theo xoắn bên phải, còn phía bên kia theo xoắn bên trái

           Hình 1 : Thép cốt nhóm CII      

 Hình 2 : Thép cốt nhóm CIII

Thép cốt nhóm IV có đường kính từ 10 đến 18mm được chế tạo từ thép hợp kim crôm mangan kẽm, loại này phải có hình dáng bên ngoài khác với thép cốt nhóm CII và CIII.
Nếu sản xuất thép cốt CIV có hình dáng bên ngoài giống thép cốt nhóm CIII thì phải sơn đỏ cách đầu mút thanh một đoạn 30 ÷ 40 cm.
Ví dụ : Ký hiệu quy ước thép cốt nhóm CII có đường kính 20 mm là: CII 20 TCVN 1651:1985.
Kích thước của các thép cốt cần phải phù hợp với hình 1, 2.
Thép cốt cho bê tông dự ứng lực
Dây kéo nguội là loại dây thép tròn, có độ bền cao, trơn, kéo nguội, có vết ấn, vằn hay lượn sóng được sản xuất từ thép các bon. Sản phẩm được cung cấp ở dạng cuộn hay thẳng.

Đường kính của dây từ 2,5 đến 8mm. Các tính chất cơ lý của sợi được quy định trong TCVN 6284-2:1997.
Dây tôi và ram là loại dây thép tròn được chế tạo từ dây thép tôi và ram có độ bền cao, trơn, có vành, có rãnh khía, hoặc có vết ấn. Dây có đường kính từ 6 ÷16mm. Dây được cung cấp dưới dạng cuộn không có mối hàn, chỗ nối.
Các dạng dây tôi và ram được giới thiệu ở hình 3,4.
Các tính chất cơ lý của dây tôi và ram được quy định trong TCVN 6284-3:1997.
Dảnh là loại thép có độ bền cao đã qua nhiệt luyện ở nhiệt độ thấp trong một quá trình liên tục bằng cách tở và chạy qua thiết bị thích hợp để khử ứng suất.

  Hình 3: Dây thép có rãnh khía tôi và ram
w.Chiều rộng; h.chiều sâu rãnh; α.Góc nghiêng của rãnh   

 Hình 4: Dây thép vằn tròn tôi và ram

b. Chiều rộng của gân; δ. Chiều cao của gân
c. Bước của gân; β. Góc nghiêng từ 30-45o.                                                                                                            
Dảnh có thể chứa 2, 3, 7 hay 19 sợi. Đường kính của dảnh từ 5,2mm đến 21,8mm, dảnh không được có chỗ nối.
Dảnh được cuộn lại thành các cuộn hay cuộn vào các tang quấn.
Kích thước, khối lượng và các tính chất thử kéo của dảnh phải thoả mãn yêu cầu của TCVN 6284-4:1997.
Thép thanh cán nóng, có hoặc không xử lí tiếp là các thanh ở dạng thẳng, không có chỗ nối và mối hàn, đường kính thanh từ 16mm đến 40mm. Đó là loại thép đã được cán nóng thành thanh và nếu có yêu cầu thì được xử lí tiếp theo để đạt  các tính chất cơ lí qui định. Hình dáng bề mặt thép có thể có gân hoặc trơn.
Kích thước, chất lượng và các tính chất thử kéo của thép được qui định trong TCVN 6284-5:1997.
Bảo quản thép
Thép là vật liệu dễ bị ăn mòn do các tác dụng vật lý, hóa học của môi trường. Do đó phải được bảo quản ở nơi khô ráo, tránh đặt trên nền đất.
Kho chứa thép phải cao ráo, thoáng, không dột, không hắt mưa. Thép trong kho phải xếp riêng từng loại. Thép thanh được bó thành từng bó xếp trên các giá đỡ.
Thép sợi được cuộn thành cuộn. Thép lưới được cuộn hoặc để phẳng.
Khi sử dụng thép phải sử dụng đúng loại, làm sạch gỉ, dầu, mỡ (nếu có).

Các biện pháp bảo vệ vật liệu thép

Trong quá trình sử dụng, thép là loại vật liệu dễ bị ăn mòn, dạng ăn mòn phổ biến là ăn mòn hoá học và ăn mòn điện hoá. Để bảo vệ vật liệu thép cho kết cấu có thể áp dụng một số biện pháp sau:
Cách ly kim loại với môi trường bằng các lớp sơn chống gỉ, trong một số trường hợp đặc biệt có thể dùng các lớp sơn phủ phi kim loại (men, thuỷ tinh, chất dẻo) hoặc các lớp phủ kim loại (mạ kẽm) ngay từ khi sản xuất.
Cốt thép trong bê tông được bảo vệ khi chúng được bao bọc bằng lớp bê tông bảo vệ đặc chắc, dày, không nứt nẻ. Trong một số trường hợp cần làm tăng tính chống thấm cho lớp bê tông bảo vệ (tăng độ đặc chắc, sơn bê tông). Chúng cũng có thể được phủ bằng lớp phủ hữu cơ hoặc lớp phủ kim loại (mạ kẽm) ngay từ khi sản xuất.
Đối với cốt thép ứng suất trước có thể bảo vệ bằng vữa lỏng phun hoặc bằng mỡ được đổ vào ngay từ lúc sản xuất cốt thép.
Trong những năm gần đây người ta dùng phương pháp mới bảo vệ kim loại khá hiệu quả: phương pháp sử dụng “chất cản”-cho vào môi trường để tạo nên màng chống ăn mỏng trên bề mặt kim loại. Thí dụ có thể dùng dầu Natri hoặc K2CrO2, Na2CO3 làm chất cản hoà tan vào nước.
Kết cấu thép
Những loại kết cấu thép chủ yếu là nhà công nghiệp, khung và trần khẩu độ lớn của nhà công cộng, cầu vượt, tháp, trụ, trần treo, khuôn của sổ và cửa đi…
Những sản phẩm thép dùng để chế tạo kết cấu thép xây dựng là:
Thép lá, là loại thép cán nóng (dày 4-160 mm, dài 6-12m, rộng 0,5-3,8m) chế tạo ở dạng tấm và cuộn, thép cán nóng và cán nguội mỏng (dày đến 4mm) ở dạng cuộn; thép cán nóng rộng bản được gia công phẳng (dày 6-60mm).
Thép hình là thép góc, thép U, I, T, thép ống…(hình 5)  với sự tổ hợp tạo tiết diện khác nhau, đảm bảo sự ổn định và tính kinh tế của kết cấu cao.
Ống tròn liền cán nóng đường kính 25-550mm, thành dày 2,5-75mm, để làm cột phát sóng radio và truyền hình.
Ống tròn hàn điện đường kính 8-1620mm, thành dày 1-16mm; tiết diện vuông và tiết diện chữ nhật với kích thước cạnh 60-180mm, thành dày 3-8mm. Ống được dùng trong kết cấu nhẹ, khung tường gạch, khuôn cánh cửa sổ.

Hình 5: Các dạng chủ yếu của thép hình cán:
a Thép tấm; b. Thép góc; c. Thép chữ U; d,đ,e. Thép chữ I;
g. Thép chữ U và I thành mỏng; h. Các loại ống

Thép hình uốn nguội được chế tạo từ thép tấm dày 1-8mm (hình 6 ). Lĩnh vực sử dụng chủ yếu của thép hình uốn nguội là các kết cấu trần ngăn vừa nhẹ vừa kinh tế.

Hình 6 : Các loại thép hình uốn nguội từ thép chiều dày 1-8mm:
a. Thép góc; b. Thép chữ U; c. Thép hình có mặt cắt đa dạng

Ngoài những loại thép kể trên còn có những loại thép có công dụng khác để làm khung cửa sổ, cửa đi, cửa mái, đường ray cần trục, cáp và sợi thép cường độ cao dùng cho trần và cầu treo, cho giằng, trụ và kết cấu trần, bể chứa ứng suất trước.
Từ các loại sản phẩm sản xuất thép nêu trên ,người ta sản xuất ra những đoạn cột, dầm cầu, cần trục, dàn, vòm, vỏ trụ và các kết cấu khác, sau đó chúng được liên kết thành các blôc tại nhà máy rồi được lắp ghép tại công trường.
Tùy thuộc vào công dụng và điều kiện sử dụng kết cấu kim loại, mức độ quan trọng của nhà và công trình người ta sử dụng những loại thép khác nhau để chịu được nhiệt độ khác nhau của không khí ngoài trời.

Xin mời Theo Dõi và Thích chúng tôi tại:

989

2k