Nhà Thép Tiền Chế

Đặc tính chung của kết cấu thép

ĐẶC TÍNH CHUNG CỦA THÉP
Cấu trúc thép

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 độ bền kéo đứt.
luyện trong lò cao
lò luyện thép
để khử bớt C

Trong quá trình luyện thép việc trộn lẫn cacbon và sắt có thể hình thành nên rất nhiều cấu trúc khác nhau với những đặc tính khác nhau, dẫn tới chất lượng thép khác nhau. Ở nhiệt độ bình thường, dạng ổn định nhất của sắt là sắt ferrit có cấu trúc lập phương tâm khối (BCC - hình 2.2a), có thể hòa tan một lượng nhỏ cacbon (không quá 0,02% ở nhiệt độ 911°C).

200 C
9110C
13920 C
15390C

Fe-  Fe-  Fe-
Hình 2.1. Sơ đồ pha hòa tan cacbon của thép

Thép với tỷ lệ cacbon cao có thể tăng cường độ, nhưng lại giòn hơn. Tỷ lệ hòa tan tối đa của carbon trong sắt là 2,14% xảy ra ở 1.1470C (trạng thái Austenit-Feγ), nếu lượng cacbon cao hơn hay nhiệt độ hòa tan thấp hơn trong quá trình sản xuất, sản phẩm sẽ là xementit có cường độ kém hơn.

a) b)

Hình 2.2. Mạng tinh thể: a-lập phương tâm khối; b- lập phương tâm mặt

Căn cứ vào các tổ chức khác nhau trên giản đồ trạng thái Fe - Fe3C [15] người ta phân thép ra làm ba loại: thép trước cùng tích, thép cùng tích và thép sau cùng tích.
Thép trước cùng tích, có hàm lượng cácbon nhỏ hơn 0,8% (khoảng 0,10 
0,70), phần lớn thép thường dùng nằm trong loại này song tập trung hơn cả vào loại
≤ 0,20%C rồi tiếp đến 0,30 - 0,40%C. Quan sát tế vi thép dưới kính hiển vi, thấy hai tổ chức chính trong thép (xem …) ferrit, hạt màu sáng, chiếm tới 99% thể tích, có tính mềm và dẻo; peclit (màu tối), thành phần trung gian giữa xenmentit (hợp chất sắt cacbua - Fe3C, rất cứng và giòn) và ferrit (hình 2.3). Peclit là các lớp bao quanh các hạt ferrit mềm dẻo như một màng đàn hồi, quyết định các tính chất dẻo và sự làm việc của thép khi chịu tải trọng. Khi lượng cácbon tăng lên thì tỷ lệ phần peclit mầu tối trong tổ chức của thép tăng lên, còn ferrit có mầu sáng lại giảm đi - màng peclit càng dày và thép càng cứng, kém dẻo.
Hình 2.3. Cấu trúc của thép cacbon thấp
Nếu hàm lượng cácbon quá ít (khoảng 0,02 ÷0,05%) có thể coi hợp kim này như thép nguyên chất với tổ chức hầu như toàn ferrit tức là có màu sáng hoàn toàn.
Tỉ lệ giữa peclit và ferrit thay đổi theo thành phần của các bon chứa trong thép:
- với thép có các bon 0,1% thì phần tối tức peclít khoảng 1/8 (hình 2.3,a);
- với thép có các bon 0,4% thì phần tối tức peclít khoảng 1/2 (hình 2.3,b);
- còn với thép có các bon 0,6% thì phần tối tức peclít khoảng 3/4 (hình 2.3,c).
Còn thép cùng tích với thành phần 0,80%C có tổ chức chỉ gồm peclit, thép sau cùng tích với thành phần ≥ 0,90%C (thường chỉ tới 1,50%, cá biệt có thể tới 2.0 - 2,2%) có tổ chức peclit + xementit, là những loại hầu như không dùng trong xây dựng nên không xem xét ở đây.
Thép được luyện từ gang theo hai phương pháp sau: lò quay và lò bằng – chủ yếu để tạo ra phôi thép. Phôi cán này chưa thể tạo nên chất lượng cuối cùng của thép vì còn phải qua giai đoạn cán luyện. Trong cán luyện thì các yếu tố quyết định chất lượng và cơ tính: số lượt cán thô, mức độ biến dạng và nhiệt độ kết thúc cán. Lúc này thép được tinh luyện ở trạng thái kết tinh lại (recrystalisation) - còn gọi là quá trình tái cấu trúc sau biến dạng dẻo. Khi cán thô, các bọng khí kẹt xỉ bị làm bẹp, kéo dài

và đùn đẩy ra đầu phôi để cắt bỏ đi do đó lượt và chiều cán thô sẽ cải thiện tính đồng nhất của phôi cán trước khi định hình. Khi cán định hình thì mức độ biến dạng và nhiệt độ sẽ làm hạt mịn và đồng đều hơn nhằm bảo đảm tính đồng nhất và cải thiện cơ tính.
2.1.2. Tính chất của thép
Sự làm việc, độ tin cậy, tuổi thọ của công trình kết cấu thép phụ thuộc rất nhiều vào tính chất của thép. Những tính chất cơ học quan trọng của thép ảnh hưởng đến sự làm việc của kết cấu:
Độ bền chỉ cường độ vật liệu không bị phá hoại khi chịu tải trọng, theo các mác thép khác nhau thép có các lớp độ bền khác nhau;
Đàn hồi là tính chất vật liệu thép tự hồi phục lại hình dáng ban đầu sau khi dỡ tải trọng ngoài;
Tính dẻo là tính chất vật liệu thay đổi hình dạng bên ngoài sau khi dỡ tải trọng ngoài, trong cấu kiện tồn tại biến dạng dư. Sự thay đổi từ trạng thái đàn hồi sang trạng thái chảy dẻo được gọi là sự chảy dẻo (yield);
Tính giòn – khả năng phá hoại ở biến dạng nhỏ;
Từ biến – vật liệu biến dạng theo thời gian mặc dù tải trọng không tăng;
Độ cứng - là thước đo của vật liệu khi bị va chạm hay bị trầy xước và được đo bằng các kỹ thuật thực nghiệm khác nhau (ví dụ theo Thang độ cứng Mohs, thép có độ cứng từ 7-8).
Độ dai va đập. Trường hợp cấu kiện dù có độ bền, độ cứng cao vẫn có thể bị phá hỏng do các lực va đập dù lực đó không lớn lắm (gối chắn cầu trục...). Vì vậy ngoài xét khả năng làm việc của nó ở trạng thái tĩnh, còn phải xét khả năng của nó ở trạng thái động.

Hình 2.4. Mẫu thí nghiệm độ dai va đập:

a-sơ đồ thí nghiệm; b,c,d- hình dạng tiết diện chữ U, chữ V, có vết nứt

Thí nghiệm mẫu có kích thước 10x10x55mm có cắt khấc kích thước khác nhau (hình 2.4.b,c,d). Mẫu thử được đặt trên máy thử và nằm trên đường rơi của búa, khi thử nâng đầu búa lên độ cao H cho búa chuyển động theo quỹ đạo vòng tròn, trên đường đi đập vào mẫu làm gãy mẫu thử sau đó đi tiếp sang bên kia ứng với độ cao h, hiệu số thế năng trứơc sau khi đập gẫy mẫu chính bằng công phá hoại mẫu, độ dai va đập có giá trị bằng công phá hoại mẫu chia cho diện tích tiết diện mẫu, được tính như sau:

ah  P( H  h )
A

(2.1)

Trong đó: P-trọng lượng của búa; H,h- chiều cao búa trước và sau khi thử va
đập; A: tiết diện tại vị trí bị gãy.
Thí nghiệm độ dai va đập để đánh giá mức độ thép dễ chuyển sang giòn và ảnh hưởng của ứng suất tập trung. Tại tiết diện cắt khấc (chữ U hay V) hay vết nứt, ứng suất phân bố không đều, xuất hiện ứng suất tập trung; tác dụng va chạm làm tăng khả năng vật liệu thép chuyển sang giòn. Vật liệu càng giòn thì độ dai va đập càng nhỏ, đối với thép cacbon thấp, độ dai va đập ở trong khoảng 70 – 100Nm/cm2 ([1], bảng A.3) đó là một chỉ tiêu cơ học cần phải đảm bảo theo tiêu chuẩn thiết kế.

Đặc tính chung của kết cấu thép

2.1.3. Phân loại thép xây dựng

Vật liệu thép dùng cho kết cấu phải được lựa chọn cho phù hợp với tính chất quan trọng của công trình, điều kiện làm việc của kết cấu, đặc trưng của tải trọng, phương pháp liên kết… Thép làm kết cấu chịu lực là thép lò Martin hoặc lò quay thổi oxy, rót sôi, nửa tĩnh và tĩnh.
Dưới đây, giới thiệu một số phân loại thép thường được sử dụng trong xây dựng:
a. Theo thành phần hóa học
Thép cacbon, với lượng cacbon dưới 1,7%, không có các thành phần hợp kim khác. Hàm lượng cacbon quyết định chủ yếu đến tổ chức và tính chất của thép: giới hạn bền, độ cứng, độ giãn dài, độ thắt tỉ đối, độ dai va đập, dễ hàn hay khó hàn, … Khi hàm lượng cácbon trong thép tăng, độ bền và độ cứng của thép tăng còn độ dẻo và độ dai va đập lại giảm. Tuy nhiên, độ bền của thép chỉ tăng lên và đạt tới giá trị cực đại khi hàm lượng của cácbon tăng lên tới khoảng giới hạn 0,8 tới 1,0%, vượt quá giới hạn này độ bền lại giảm đi.
Theo hàm lượng cacbon, lại chia ra: thép cacbon cao, vừa, thấp (thép xây dựng lượng cacbon < 0,22%). Thép cacbon cao: hàm lượng 1,7% > %C >0,6%, thép rất cứng, rất giòn, khó hàn, rất ít dùng trong xây dựng. Thép cacbon vừa: hàm lượng 0,6% >%C>0,22%, thép khá giòn, ít dẻo, ít dùng trong xây dựng. Thép cacbon thấp: hàm lượng 0,14 % <%C<0,22%, thép mềm, dẻo, dễ hàn nên được dùng phổ biến trong xây dựng (dùng cho kết cấu chịu lực).

Thép cacbon, ngoài hai thành phần chính là sắt và cacbon, còn có các thành phần phụ khác như mangan, silic, lưu huỳnh, phôtpho.
- Mangan (Mn), nguyên tố mangan được cho vào thép cácbon khi tinh luyện ở dưới dạng fero mangan nhằm mục đích khử ôxy và lưu huỳnh. Khi hòa tan vào ferit mangan có tác dụng nâng cao độ bền, độ cứng của pha này, nên làm tăng cơ tính của thép. Nhưng do lượng mangan trong thép cácbon nhỏ (thường dưới 0,8%) nên tác dụng này không đáng kể và tác dụng chủ yếu của nó chỉ để khử ôxy và hạn chế sự có mặt của lưu huỳnh. Nếu hàm lượng Mn lớn quá 1,5%, thép trở nên giòn.
- Silic (Si), nguyên tố silíc được cho vào nhiều loại thép nhằm khử ôxy triệt để hơn. Cũng như mangan, khi được hòa tan vào pha ferít, nguyên tố silic nâng cao độ bền và độ cứng cho pha này. Silic làm tăng cường độ của thép nhưng làm giảm tính chống gỉ, tính dễ hàn, cho nên hàm lượng cũng cần hạn chế, ví dụ không quá 0,3% đối với thép cacbon thấp.
Những hợp chất có hại, ảnh hưởng xấu đến chất lượng của thép là:
- Phốtpho (P), nguyên tố phốtpho dù ở dạng hòa tan trong ferít hay ở dạng liên kết Fe3P đều làm cho thép bị giòn, đặc biệt là ở trạng thái nguội do đó nó là nguyên tố có hại cần phải hạn chế ở dưới mức cho phép nào đó. Đối với thép cácbon thông thường hàm lượng cácbon nhỏ hơn 0,06%. Phốt pho có mặt trong thép từ các quặng hay từ nhiên liệu than trong quá trình luyện gang ban đầu.
- Lưu huỳnh (S), Tương tự như phốt pho, lưu huỳnh có mặt trong thép từ các quặng và đặc biệt là từ than khi nấu luyện gang, làm cho thép giòn nóng (giòn ở nhiệt độ cao), nên dễ bị nứt khi hàn và rèn.
- Các khí nitơ (N), oxy (O2), trong không khí hòa vào kim loại lỏng và không được khử hết, làm cho thép bị giòn, giảm cường độ thép. Do đó, cần phải khử hết các khí này, và ngăn không cho kim loại lỏng tiếp xúc với không khí (ví dụ khi hàn).
Tùy thuộc vào chất lượng luyện kim, nghĩa là tùy theo mức độ đồng nhất của thành phần hóa học, của tổ chức và tính chất của thép và nhất là tùy theo hàm lượng các tạp chất có hại là phốt pho và lưu huỳnh có trong thép, người ta chia thép ra mấy loại sau:
- Thép có chất lượng thường khi chứa tới 0,05%S và P thường dùng cho các yêu cầu không cao như thép xây dựng.
- Thép có chất lượng tốt khi chứa không quá 0,04%S và P dùng trong chế tạo máy thông dụng.
- Thép có chất lượng cao khi chứa không quá 0,025%S và P.
- Thép có chất lượng đặc biệt cao khi chứa không quá 0,015%S và 0,025%P.
Đối với thép hợp kim người ta cho thêm vào thép cacbon các nguyên tố kim loại như đồng (Cu), Niken (Ni), crôm (Cr), titan (Ti), vanađi (V), Molipđen (Mo) v.v... làm tăng tính năng cơ học, tăng độ bền chống gỉ của thép.

Thép hợp kim, có thêm các thành phần kim loại khác như Cr, Ni, Mn, ... nhằm nâng cao chất lượng thép như tăng độ bền, tăng tính chống gỉ. Thép hợp kim thấp là thép có tỉ lệ của tổng các nguyên tố phụ thêm dưới 2,5%, đây là loại thép được dùng trong xây dựng. Thép hợp kim vừa và cao không dùng cho kết cấu xây dựng.
b. Phương pháp khử oxy (thép tĩnh, nửa tĩnh, sôi)
Thép lỏng từ lò luyện được rót vào các khuôn và để nguội cho kết tinh lại. Trong quá trình luyện thép, nếu có bọt khí tồn tại trong thép sẽ làm giòn thép. Bọt khí thường không được khử triệt để vì làm tăng giá thành, thường khử 50%  70%.
Tùy theo phương pháp để lắng nguội, chia ra:
Thép sôi: Thép sôi là thép được khử ôxy không triệt để tức là chỉ dùng fero mangan là một loại chất khử không mạnh. Do vẫn coi FeO trong thép lỏng nên nó có thể tác dụng với cácbon theo phản ứng: FeO + C → Fe + CO↑. Khí CO bay lên làm cho mặt thép lỏng chuyển động giống như nó bị sôi vì thế loại thép này mang tên thép sôi. Do khí CO vẫn còn ngay cả khi rót thép lỏng vào khuôn nên chúng tạo thành một số bọt khí trong thỏi thép đúc, chúng làm cho cấu trúc của thép không đồng nhất. Chất lượng thép không tốt, thép dễ bị phá hoại giòn và lão hoá.
Chú ý: Không dùng thép sôi cho các kế cấu hàn làm việc trong điều kiện chịu lực nặng hay trực tiếp chịu tải trọng động như dầm cầu trục chế độ nặng, dầm sàn đỡ máy, kết cấu hành lang băng tải, cột vượt của đường dây tải điện cao trên 60m…
Thép tĩnh: được khử ôxy triệt để hơn do ngoài fero mangan, còn sử dụng fero silic và nhôm nên trong thép còn rất ít FeO vì thế mặt thép lỏng phẳng lặng và do đó chúng được gọi là thép lặng. Trong thỏi phôi thép lặng hầu như không có bọt khí, không có sự phân lớp như thép sôi nhưng lại có lõm co khá lớn (hình 2.5,b). Thép lặng có chất lượng cao hơn thép sôi nhưng không kinh tế bằng vì phải cắt bỏ phần lõm co chiếm tới 10 – 15% trọng lượng của thỏi đúc và chi phí cho việc khử ôxy lớn. Trong thép

lặng pha ferrit có chứa nhiều silic hơn (khoảng 0,15
– 0,30%) nên chúng cứng hơn so với thép sôi, sử dụng cho các công trình quan trọng, hoặc công trình chịu tải trọng động vì thép rất khó phá hoại giòn.

Hình 2.5 Cấu tạo thỏi đúc: a- thép sôi; b- thép lặng

Thép nửa tĩnh: khử oxy không hoàn toàn - khoảng 50% oxy, chất lượng thép trung bình, là trung gian giữa thép tĩnh và thép sôi. Sử dụng rộng rãi trong xây dựng công trình.
c. Mác thép
c.1. Thép cacbon thấp cường độ thường

Thép cacbon thấp cường độ thường (giới hạn chảy fy ≤ 290MPa) được lấy theo [25]. Thép có độ bền không cao, nhưng dẻo: độ giãn dài thềm chảy khoảng 2,5% trở lên, tỷ số giữa giới hạn chảy và giới hạn bền c/b0,6...0,7, có tính hàn tốt. Thép có độ chống ăn mòn trung bình, cần có phương pháp bảo vệ phù hợp. Có hai loại chính: loại thép các bon thông thường với hàm lượng cacbon từ 0,14%  0,22%, là thép sôi hoặc nửa tĩnh và thép các bon thông thường có thêm hàm lượng mangan 0,8%  1,1% . Tùy theo yêu cầu sử dụng các thép này dược chia làm ba nhóm:
+ Nhóm A: thép được đảm bảo chặt chẽ về tính chất cơ học;
+ Nhóm B: thép được đảm bảo chặt chẽ về thành phần hoá học;
+ Nhóm C: thép được đảm bảo về tính chất cơ học và cả thanh phần hoá học.
Vì thép làm kết cấu chịu lực phải bảo đảm cả về độ bền và tính dễ hàn, chịu được tác động xung kích, nên chỉ được dùng thép nhóm C. Thép chế tạo bu lông có thể sử dụng thép nhóm A.
Căn cứ vào yêu cầu về độ dai va đập (độ dai xung kích), thép các bon thấp lại được chia làm sáu hạng. Ví dụ hạng 2 không cần bảo đảm độ dai va đập; hạng 6 phải bảo đảm độ dai va đập cần thiết sau khi bị hoá già cơ học, hạng 5 phải bảo đảm độ dai va đập ngay cả ở nhiệt độ thấp. Tiêu chuẩn cho phép dùng trong xây dựng ba hạng: thép sôi hạng 2, thép nửa tĩnh hạng 6, thép nửa tĩnh có măngan và thép tĩnh hạng 5.
Các loại thép cacbon thấp có giới hạn chảy vào khoảng 2200 – 2700daN/cm2 (giá trị lớn nhất ứng với chiều dầy t  20mm, khi chiều dày thép càng tăng, các đặc trung cơ học càng giảm), giới hạn bền thay đổi từ 3300 đến 5400daN/cm2.
Ký hiệu mác thép cacbon thấp sử dụng trong xây dựng gồm 2 phần: phần chữ CCT đứng trước (chữ cái đầu tiên chỉ phân nhóm thép, tiếp theo “CT”: viết tắt của từ СТАЛЬ – tiếng Nga – nghĩa là thép) và phần số đứng sau chỉ độ bền kéo đứt của thép với đơn vị là daN/mm2 theo [25].
Ví dụ: mác thép CCT34n, CT38s
Phần chữ cái đầu chỉ phân nhóm thép các bon thấp loại C, và độ bền kéo đứt của thép fu = 34, 38daN/mm2 = 3400, 3800daN/cm2;
Các ký hiệu biểu thị về mức độ khử oxy: s : cho thép sôi
n : cho thép nửa tĩnh không ghi gì : cho thép tĩnh
c.2. Thép cường độ khá cao
Là thép cacbon thấp mang nhiệt luyện hoặc thép hợp kim thấp. Giới hạn chảy 3100 – 4000daN/cm2, giới hạn bền 4500 – 5400daN/cm2. Tính dẻo giảm một phần, độ giãn dài thềm chảy từ 1- 1,5%. Thép cường độ khá cao có tính hàn kém hơn (đặc biệt là thép có hàm lượng lớn Silic), đôi khi cần có biện pháp phòng ngừa xuất hiện vết nứt giòn nóng. Các thép hợp kim thấp thông dụng cho kết cấu xây dựng lấy theo [27], có sáu loại: 09Mn2, 14Mn2, 16Mn2Si, 09Mn2Si, 10Mn2Si1, 10CrSiNiCu. Sử

dụng thép cường độ khá cao, có thể tiết kiệm vật liệu 20 – 25%. tuy nhiên giá thành cao hơn so với thép cacbon thấp.
Ký hiệu mác thép gồm 2 phần: phần chữ và phần số.
Phần số đứng đầu tiên: chỉ hàm lượng C tính bằng phần vạn.
Phần chữ: chỉ ký hiệu hoá học của các nguyên tố có mặt, trừ Fe và C không
ghi.
Phần số đứng sau chữ: chỉ hàm lượng % của các chất đứng trước đó. Nếu
hàm lượng <1% thì không ghi.
Ví dụ: mác thép 10Mn2Si, hàm lượng C chiếm 0,1% ; Mn chiếm 2% và Si chiếm < 1% (ngoài Fe và C chiếm < 0,22%).
c.3. Thép cường độ cao
Gồm các loại thép hợp kim có nhiệt luyện, giới hạn chảy cao trên 4400daN/cm2 và giới hạn bền trên 5900daN/cm2 như các mác 16Mn2NV, 12Mn2SiMoV v.v... Thép cường độ cao có thể không có thềm chảy (fy >500 N/mm2). Độ giãn dài của thép giảm tới 14% và nhỏ hơn, tỷ số giữa giới hạn chảy và giới hạn bền tăng lên c/b0,8-0,9 nên không cho phép tính biến dạng dẻo với loại thép này. Dùng thép cường độ cao, tiết kiệm vật liệu tới 25 – 30%.

TRÌNH BÀY