Chất liệu kim loại

Chất liệu kim loại hiện được phân thành hai loại: Chất liệu kim loại đen và chất liệu kim loại màu.

Chất liệu kim loại đen

Chất liệu kim loại đen bao gồm gang, thép và các hợp kim của chúng (chủ yếu là sắt). Đây là các hợp kim dựa trên sắt và cacbon.

Lượng cacbon được đánh giá bằng phần trăm khối lượng. Nếu trong 100 kg thép có 1 kg cacbon thì lượng cacbon là 1%. Khi nồng độ cacbon vượt quá 2,14%, ta có gang; nếu dưới 2,14%, ta có thép.

Thép

Thép bao gồm thép cacbon và thép hợp kim. Thực tế, thép cacbon không chỉ có sắt và cacbon trong thành phần. Trong hợp kim sắt, ngoài cacbon (<2,14%), còn có các tạp chất thông thường như Mn, Si, S, P và các tạp chất ngẫu nhiên như Cr, Ni, Cu, W, Ti, Mo... Khi hàm lượng các chất này vượt quá một ngưỡng nào đó, thép được xem là thép hợp kim.

Thép cacbon

Xem bài chính: Thép cacbon

Trong thép cacbon, ngoài sắt, người ta quan tâm đến các thành phần như sau: C (<2%), Mn (0,5-0,8%), Si (0,3-0,6%), P (0,05-0,06%), S (0,05-0,06%)

Ngoài những nguyên tố này, các tạp chất ngẫu nhiên khác nếu có thể cũng có lợi vì làm tăng tính dẻo của thép nên không cần loại bỏ.

Phosphor và lưu huỳnh là hai vấn đề chính đối với mọi loại thép. Chất lượng của thép cao hay thấp đôi khi được đánh giá dựa trên lượng phosphor và lưu huỳnh còn lại trong thành phần. Thép có chất lượng cao là thép không chứa quá 0,025% mỗi nguyên tố này. Phosphor có thể xuất hiện trong thép từ quặng hoặc từ than và hòa tan trong ferit hoặc kết hợp với sắt dưới dạng Fe₃P làm thép dễ bị dòn khi nguội, hiện tượng gọi là dòn nguội hoặc bở nguội. Lưu huỳnh cũng có thể xuất hiện trong thép từ quặng hoặc than.

Hỗn hợp sắt (FeS + Fe) có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn gang thép và tồn tại ở biên giới của các hạt. Khi gia nhiệt áp lực, phần hỗn hợp này sẽ chảy ra, làm cho thép bị vỡ ở biên hạt, gây cảm giác giòn như bở nóng.

Mn và Si được thêm vào để khử oxy trong kim loại nóng chảy, với sự khử oxy của silic mạnh hơn. Hai nguyên tố này khi có mặt trong sắt cũng làm tăng độ bền và độ cứng, nhưng làm giảm độ dẻo và dai rất mạnh, do đó người ta chỉ sử dụng chúng một cách hạn chế.

Thép được sử dụng cho các công trình xây dựng thông thường như tấm, thanh, dây, ống, thép hình chữ U, chữ I... là thép cacbon chất lượng thấp, có lượng phosphor và lưu huỳnh dưới 0,06%.

Thép kết cấu (dùng cho các chi tiết máy thông thường) có chất lượng cao hơn, S < 0,04%, P < 0,035%. Thép này luôn được khử oxit bằng mangan và silic. Độ bền của thép tăng khi hàm lượng cacbon tăng, tuy nhiên không nên sử dụng lượng cacbon cao hơn 0,85% vì độ bền từ điểm này trở đi sẽ giảm đi. Thép kết cấu có hàm lượng cacbon là 0,85%, chịu được độ bền kéo là 1150 MPa, có nghĩa là một sợi thép có tiết diện 1 mm² có thể treo được vật nặng 115 kg.

Thép đường ray là thép có 0,5-0,8% cacbon; 0,6-1% mangan; phosphor, lưu huỳnh < 0,04%, thường được sản xuất tại các nhà máy riêng biệt. Độ bền kéo của dây thép phụ thuộc vào lượng cacbon và mức độ biến dạng khi kéo (trong quá trình sản xuất), thông thường không nên có lượng carbon cao hơn 1,2%. Giới hạn bền kéo có thể rất cao, ví dụ sản xuất từ thép có 1,2% cacbon, kéo lạnh với mức độ biến dạng là 90% thì dây có giới hạn bền là 4000 MPa, nghĩa là một sợi dây có tiết diện 1 mm² có thể treo được vật nặng 400 kg.

Thép hợp kim là loại thép (bao gồm sắt và cacbon) được phối trộn với các nguyên tố hóa học khác (như đồng, mangan, niken,...) với tổng lượng nguyên tố thêm vào dao động từ 1,0% đến 50% tổng khối lượng hỗn hợp để cải thiện chất lượng sản phẩm thép. Tùy thuộc vào số lượng và tỷ lệ khác nhau của các nguyên tố, độ cứng, độ đàn hồi, tính dễ uốn, sức bền và khả năng chống oxy hóa của sản phẩm thép có thể được điều chỉnh.

Ở Nga, Trung Quốc và một số quốc gia Đông Á, thép hợp kim được chia thành ba nhóm: thép hợp kim thấp, trung bình và cao. Ở phương Tây, chỉ phân biệt hai loại thép hợp kim là thấp và cao mà không có ranh giới rõ ràng. Theo tiêu chuẩn Nga, thép hợp kim thấp có tổng lượng hợp kim nhỏ hơn 2,5%, còn ở thép hợp kim cao tỷ lệ này lớn hơn 10%. Thông thường, thuật ngữ 'thép hợp kim' thường dùng để chỉ loại thép hợp kim thấp.

Ở Nga, Trung Quốc và một số nước Đông Á, thép hợp kim được phân thành ba nhóm: thép hợp kim thấp, trung bình và cao. Ở phương Tây, chỉ phân biệt hai loại thấp và cao mà không có sự phân chia rõ ràng. Theo tiêu chuẩn của Nga, thép hợp kim thấp có tổng lượng hợp kim nhỏ hơn 2,5%, còn ở thép hợp kim cao tỉ lệ này lớn hơn 10%. Thông thường, thuật ngữ 'thép hợp kim' thường được dùng để chỉ loại thép hợp kim thấp.

- Ngoài các kim loại màu đen (như thép và gang), các kim loại khác chủ yếu là kim loại màu. Kim loại màu thường được sử dụng dưới dạng hợp kim. - Kim loại màu dễ dàng bị kéo dài, dễ dát mỏng, có khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn cao, đa số có tính dẫn nhiệt và dẫn điện tốt. Các kim loại màu ít bị oxy hóa trong môi trường. Kim loại màu chủ yếu là đồng (Cu), nhôm (Al) và các hợp kim của chúng. - Đồng, nhôm và các hợp kim của chúng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, bao gồm sản xuất đồ dùng gia đình, chế tạo các chi tiết máy, và làm vật liệu dẫn điện...