Thép

Thép là hợp kim chủ yếu gồm sắt (Fe) và carbon (C), với tỷ lệ carbon từ 0,02% đến 2,14% theo trọng lượng, cùng một số nguyên tố hóa học khác. Các nguyên tố này giúp tăng cường độ cứng và hạn chế sự di chuyển của nguyên tử sắt trong cấu trúc tinh thể dưới tác động của nhiều yếu tố khác nhau. Tỷ lệ và loại nguyên tố trong thép được điều chỉnh để đạt các tiêu chí chất lượng như độ cứng, độ đàn hồi, tính uốn và sức bền kéo đứt. Thép có lượng carbon cao thường cứng hơn và có sức bền kéo đứt cao hơn so với sắt, nhưng lại dễ gãy hơn. Carbon hòa tan tối đa trong sắt là 2,14% ở nhiệt độ 1.147 độ C; nếu carbon cao hơn hoặc nhiệt độ hòa tan thấp hơn, sản phẩm sẽ là xementit với cường độ kém hơn. Thép với carbon trên 2,06% sẽ chuyển thành gang. Thép cũng khác với sắt rèn, vì sắt rèn có rất ít hoặc không có carbon, thường dưới 0,035%. Ngành công nghiệp thép ngày nay (không phải sắt và thép) đã phát triển mạnh mẽ, mặc dù trước đây sắt và thép là hai sản phẩm khác biệt. Hiện nay, một số loại thép có thể thay thế carbon bằng các vật liệu khác, và nếu có carbon, thường không được ưa chuộng.

Trước thời kỳ Phục Hưng, việc chế tạo thép còn nhiều hạn chế, nhưng đến thế kỷ 17, với sự phát triển của các phương pháp mới, thép đã trở nên phổ biến hơn. Sự phát minh quy trình Bessemer vào giữa thế kỷ 19 đã làm cho thép trở thành sản phẩm sản xuất hàng loạt với chi phí thấp. Các phương pháp tinh luyện như thổi oxy giúp giảm giá thành sản xuất và cải thiện chất lượng kim loại. Hiện nay, thép là một trong những vật liệu phổ biến nhất toàn cầu, được sử dụng rộng rãi trong xây dựng, sản xuất và cơ khí. Thép được phân loại theo thành phần hóa học, mục đích sử dụng và cấp bậc, và được xác nhận bởi các tổ chức theo tiêu chuẩn riêng.

Đặc điểm

Như hầu hết các kim loại, sắt không tồn tại dưới dạng nguyên tố trong lớp vỏ Trái Đất; nó chỉ xuất hiện khi kết hợp với oxy hoặc lưu huỳnh. Sắt tồn tại dưới dạng khoáng vật như Fe₂O₃, một dạng oxit sắt có trong hematit, và FeS₂, quặng sunfit sắt. Để chiết xuất sắt từ quặng, người ta khử oxy hoặc kết hợp sắt với một nguyên tố hóa học như carbon. Quá trình này gọi là luyện kim, được thực hiện lần đầu cho các kim loại có điểm nóng chảy thấp hơn. Đồng nóng chảy ở trên 1.080 °C, còn thiếc nóng chảy ở 250 °C. Gang, một hợp chất sắt có hơn 2,14% carbon, nóng chảy ở 1.392 °C. Các nhiệt độ này có thể đạt được bằng các phương pháp cũ đã được sử dụng từ ít nhất 6.000 năm trước. Khi nhiệt độ oxy hóa tăng nhanh lên khoảng 800 °C, quá trình luyện kim phải diễn ra trong môi trường ít oxy.

Trong quá trình luyện thép, việc kết hợp carbon và sắt có thể tạo ra nhiều cấu trúc với những đặc tính khác nhau. Hiểu rõ điều này là rất quan trọng để sản xuất thép chất lượng. Ở nhiệt độ thường, sắt tồn tại dưới dạng ferrit với cấu trúc lập phương tâm khối (BCC), là một kim loại mềm có thể hòa tan một lượng nhỏ carbon (không quá 0,02% ở 911 °C). Khi nhiệt độ vượt 911 °C, ferrit chuyển từ cấu trúc tâm khối (BCC) sang cấu trúc tâm mặt (FCC), gọi là austenit. Austenit cũng là kim loại mềm nhưng có thể hòa tan nhiều carbon hơn (2,14% carbon ở 1.147 °C). Để loại bỏ carbon khỏi austenit, xementit, một hợp chất hóa học có công thức Fe₃C, cần được loại bỏ khỏi hỗn hợp, đồng thời giữ sắt nguyên chất dưới dạng ferrit để tạo hỗn hợp xementit-ferrit.

Lịch sử

Cổ đại

Thép đã được biết đến từ thời kỳ cổ đại và được chế tạo thông qua các phương pháp luyện kim như bloomery và crucibles.

Các bằng chứng sớm nhất về sản xuất thép được tìm thấy từ những mảnh đồ sắt khai quật ở một hỏa táng tại Anatolia (Kaman-Kalehöyük), có niên đại gần 4.000 năm, từ khoảng năm 1800 TCN. Horace đã nhận ra các vũ khí thép như falcata ở bán đảo Iberia, trong khi thép Noric được quân đội La Mã cổ đại sử dụng.

Danh tiếng của thép sắt Seric từ Ấn Độ (thép wootz) đã gia tăng đáng kể trên toàn cầu. Các khu vực sản xuất kim loại ở Sri Lanka đã sử dụng các lò gió thổi bằng gió mùa, có khả năng chế tạo thép cacbon cao. Việc sản xuất thép Wootz quy mô lớn ở Ấn Độ bằng nồi luyện đã diễn ra từ thế kỷ thứ sáu TCN, là bước đầu quan trọng trong quá trình sản xuất thép và luyện kim hiện đại.

Trong thời kỳ Chiến quốc (403–221 TCN), người Trung Quốc đã sử dụng phương pháp 'nhanh lành' (quench-hardened) để cứng hóa thép. Đến thời kỳ Hán (202 TCN–220 CN), người Trung Quốc đã chế tạo thép bằng cách nấu chảy sắt rèn với sắt đúc, tạo ra một loại thép chứa carbon vào thế kỷ thứ nhất sau CN.

Có bằng chứng cho thấy thép cacbon đã được sản xuất ở phía Tây Tanzania bởi tổ tiên của người dân Haya cách đây khoảng 2.000 năm thông qua một quy trình phức tạp gọi là 'tiền nhiệt' giúp nhiệt độ trong lò đạt từ 1300 đến 1400 °C.

Wootz và Damascus

Bằng chứng về việc sản xuất thép carbon cao đầu tiên ở Ấn Độ đã được tìm thấy tại Kodumanal ở Tamil Nadu, vùng Golconda ở Andhra Pradesh và Karnataka, cũng như tại Samanalawewa, Dehigaha Alakanda của Sri Lanka. Công nghệ này, được biết đến với tên gọi thép Wootz, đã được sản xuất ở miền Nam Ấn Độ từ thế kỷ thứ sáu TCN và xuất khẩu ra toàn thế giới. Trước năm 326 TCN, công nghệ thép đã tồn tại ở khu vực này và được ghi chép trong văn học của người Tamil, người Ả Rập và tiếng Latinh như loại thép tốt nhất, được xuất khẩu đến La Mã, Ai Cập, Trung Quốc và thế giới Ả Rập vào thời điểm đó với tên gọi Seric Iron. Một hội thương mại Tamil tại Tissamaharama, Đông Nam Sri Lanka từ thế kỷ thứ ba trước CN, đã đưa đến đảo này nhiều hiện vật sắt và thép cổ cùng quy trình sản xuất từ thời kỳ cổ điển. Người Trung Quốc và người địa phương tại Anuradhapura, Sri Lanka cũng đã áp dụng phương pháp sản xuất thép Wootz từ người Tamil của triều đại Chera, miền Nam Ấn Độ từ thế kỷ thứ năm sau CN. Tại Sri Lanka, phương pháp sản xuất thép cổ xưa này sử dụng lò gió độc đáo, thổi bằng gió mùa, có khả năng chế tạo thép cacbon cao. Công nghệ này được nhận từ người Tamil của miền Nam Ấn Độ, do đó, nguồn gốc công nghệ thép ở Ấn Độ có thể được ước tính vào khoảng năm 400–500 TCN.

Quá trình sản xuất thép Wootz, hay còn gọi là thép Damascus, nổi tiếng với độ bền và khả năng giữ lưỡi sắc bén, có thể đã được người Ả Rập tiếp nhận từ Ba Tư, sau đó Ba Tư đã lấy từ Ấn Độ. Thép Wootz được tạo ra từ nhiều nguyên liệu khác nhau, bao gồm các nguyên tố vi lượng, và rõ ràng chủ yếu từ các tác phẩm của Zosimos of Panopolis. Năm 327 TCN, Alexander Đại Đế đã nhận được 30 pao thép từ vua Porus, không phải vàng hay bạc. Một nghiên cứu gần đây suy đoán rằng thép Wootz có thể chứa carbon nanotubes, điều này giải thích một số đặc tính huyền thoại của nó. Tuy nhiên, với công nghệ thời đó, những đặc tính này chủ yếu là do sự tình cờ hơn là thiết kế. Công nghệ này đã sử dụng gió tự nhiên để đốt nóng đất chứa sắt bằng gỗ. Người Sinhalese cổ đại đã có thể sản xuất một tấn thép từ mỗi hai tấn đất, điều này rất ấn tượng vào thời điểm đó. Một lò như vậy đã được phát hiện tại Samanalawewa, và các nhà khảo cổ học đã có thể tái tạo quy trình sản xuất thép như người cổ đại đã làm.

Thép luyện chảo, được chế tạo bằng cách nấu chảy sắt tinh khiết và carbon (thường ở dạng than củi) trong một chảo luyện, đã được sản xuất tại Merv từ thế kỷ 9 đến thế kỷ 10 sau CN. Đến thế kỷ 11, có bằng chứng về việc sản xuất thép ở thời đại Sông của Trung Quốc bằng hai phương pháp: một phương pháp 'berganesque' tạo ra thép kém chất lượng và không đồng nhất, và một phương pháp tiền đề cho quy trình Bessemer hiện đại, sử dụng việc loại bỏ một phần carbon thông qua việc rèn lại nhiều lần dưới luồng gió lạnh.

Công nghiệp

Ngành thép thường được xem như một chỉ số của sự phát triển kinh tế vì vai trò quan trọng của thép trong cơ sở hạ tầng và sự phát triển tổng thể. Vào năm 1980, Hoa Kỳ có hơn 500.000 công nhân trong ngành thép. Tuy nhiên, đến năm 2000, số lượng này đã giảm xuống còn 224.000.

Sự bùng nổ kinh tế ở Trung Quốc và Ấn Độ đã dẫn đến sự gia tăng mạnh mẽ nhu cầu thép. Từ năm 2000 đến 2005, nhu cầu thép toàn cầu đã tăng 6%. Một số công ty thép lớn từ Ấn Độ và Trung Quốc đã nổi lên, chẳng hạn như Tata Steel (mua Corus Group vào năm 2007), Baosteel Group và Shagang Group. Đến năm 2017, ArcelorMittal vẫn là nhà sản xuất thép lớn nhất thế giới. Năm 2005, British Geological Survey cho biết Trung Quốc là quốc gia sản xuất thép hàng đầu, chiếm khoảng một phần ba thị phần toàn cầu, theo sau là Nhật Bản, Nga và Mỹ. Năng lực sản xuất thép lớn cũng góp phần vào việc gia tăng lượng khí thải carbon dioxide liên quan đến quy trình sản xuất chính. Đến năm 2021, ngành thép ước tính đóng góp khoảng 7% tổng lượng khí thải nhà kính toàn cầu. Dự kiến, sự giảm thiểu khí thải sẽ đến từ việc chuyển đổi quy trình sản xuất, sử dụng cốc, tăng cường tái chế thép, và áp dụng công nghệ thu hồi khí thải carbon.

Vào năm 2008, thép bắt đầu được giao dịch như một hàng hóa trên Sàn giao dịch Kim loại London. Cuối năm 2008, ngành công nghiệp thép đã trải qua một cuộc suy thoái mạnh mẽ dẫn đến nhiều đợt cắt giảm.

Hiện đại

Kể từ thế kỷ 17, bước đầu trong sản xuất thép ở châu Âu là quá trình chuyển đổi quặng sắt thành gang bằng các lò luyện. Trong giai đoạn đầu, than củi được sử dụng, nhưng các phương pháp hiện đại với việc sử dụng cốc đã cho thấy hiệu quả vượt trội hơn.

Quy trình bắt đầu từ thanh sắt

Trong các quy trình này, gang được tinh chế trong một lò rèn để sản xuất thanh sắt, sau đó thanh sắt được dùng để luyện thép.

Quy trình sản xuất thép bằng phương pháp cementation được mô tả trong một bài luận xuất bản tại Prague năm 1574 và đã được áp dụng tại Nuremberg từ năm 1601. Một quy trình tương tự cho việc làm cứng bề mặt cho áo giáp và dụng cụ được nêu trong một cuốn sách xuất bản tại Naples năm 1589. Phương pháp này đã được giới thiệu vào Anh vào khoảng năm 1614 và được Sir Basil Brooke sử dụng tại Coalbrookdale trong thập kỷ 1610 để sản xuất thép.

Nguyên liệu chính cho quy trình này là thanh sắt. Vào thế kỷ 17, người ta phát hiện rằng gang từ miền bắc Stockholm, Thụy Điển, là nguồn nguyên liệu tốt nhất để sản xuất thép. Đây vẫn là lựa chọn phổ biến cho đến thế kỷ 19, gần như xuyên suốt thời gian sử dụng quy trình này.

Thép luyện giếng chảy là loại thép được chảy ra từ một nồi đun, thay vì được rèn, mang lại tính đồng nhất cao hơn. Hầu hết các lò trước đây không đủ nhiệt để chảy thép. Ngành công nghiệp thép luyện giếng chảy hiện đại bắt nguồn từ phát minh của Benjamin Huntsman vào những năm 1740. Thép vảy (được sản xuất như đã nêu) được chảy trong nồi hoặc lò, sau đó thường được đổ thành thanh.

Các quy trình bắt đầu từ gang

Thời kỳ hiện đại trong công nghệ luyện thép bắt đầu với việc Henry Bessemer giới thiệu quy trình của mình vào năm 1855, sử dụng gang làm nguyên liệu chính. Phương pháp này cho phép sản xuất thép với số lượng lớn và chi phí thấp, dẫn đến việc thép nhẹ (mild steel) thay thế gang rèn trong hầu hết các ứng dụng. Quy trình Gilchrist-Thomas (hay quy trình Bessemer kiểu cơ bản) là một cải tiến của quy trình Bessemer, trong đó lót vật liệu kiềm vào lò để loại bỏ photpho.

Một quy trình luyện thép khác xuất hiện vào thế kỷ 19 là quy trình Siemens-Martin, bổ sung cho quy trình Bessemer. Quy trình này bao gồm việc luyện chung gang rèn (hoặc phế liệu thép) với gang.

Các phương pháp sản xuất thép này dần trở nên lỗi thời sau khi quy trình luyện thép bằng oxy cơ bản Linz-Donawitz (BOS) được phát triển vào năm 1952. Quy trình BOS vượt trội hơn vì oxy được bơm vào lò giúp loại bỏ tạp chất, chủ yếu là nitơ, vốn đã vào từ không khí. Thêm vào đó, quy trình BOS sản xuất thép nhanh hơn nhiều so với quy trình lò mở. Ngày nay, lò cực quang điện (EAF) là một phương pháp phổ biến để tái chế phế liệu kim loại thành thép mới, và cũng có thể chuyển đổi gang thành thép, mặc dù tiêu tốn nhiều năng lượng điện (khoảng 440 kWh cho mỗi tấn), nên thường chỉ được sử dụng khi có nguồn điện rẻ và dồi dào.

Đương đại

Carbon

Thép hiện đại được chế tạo với nhiều công thức hợp kim khác nhau để phục vụ cho các mục đích đa dạng. Thép carbon, chỉ gồm sắt và carbon, chiếm tới 90% sản lượng thép toàn cầu. Thép hợp kim thấp có thêm các nguyên tố như molypden, mangan, crôm hoặc niken với tỉ lệ lên đến 10% trọng lượng, giúp cải thiện khả năng làm cứng của thép ở các phần dày. Thép hợp kim cao có cường độ thấp thường chứa các nguyên tố khác với tỉ lệ nhỏ hơn 2% trọng lượng, ví dụ như 1.5% mangan, nhằm cung cấp sức mạnh bổ sung với chi phí hợp lý.

Các quy định về tiêu thụ nhiên liệu ngày càng nghiêm ngặt đã dẫn đến sự phát triển của một loại thép mới, gọi là Thép Cường Độ Cao Tiên Tiến (AHSS). Vật liệu này vừa bền chắc vừa linh hoạt, giúp giảm lượng vật liệu cần thiết trong cấu trúc xe ô tô mà vẫn giữ được mức độ an toàn hiện tại. Thép AHSS hiện có nhiều loại, chẳng hạn như thép đôi giai đoạn, được xử lý nhiệt để có cả cấu trúc vi kiến và vi kiến mạnh, tạo ra loại thép với độ bền cao và khả năng định hình tốt. Thép có khả năng biến đổi từ nhựa kỹ thuật gọi là thép Transformation Induced Plasticity (TRIP) sử dụng hợp kim đặc biệt và xử lý nhiệt để ổn định lượng aoxtit ở nhiệt độ phòng trong thép thấp hợp kim ferritic. Bằng cách áp dụng biến dạng, aoxtit chuyển từ vi kiến thành vi kim mà không cần thêm nhiệt. Thép Twinning Induced Plasticity (TWIP) sử dụng biến dạng đặc biệt để tăng cường hiệu quả của quá trình cứng viện trên hợp kim.

Hợp kim

Thép không gỉ chứa ít nhất 11% crôm và thường được kết hợp với niken để chống gỉ. Một số loại thép không gỉ, như thép ferritic, có tính từ tính, trong khi những loại khác như thép austenitic thì không. Thép chống gỉ thường được viết tắt là CRES.

Thép hợp kim là loại thép carbon đơn giản được cải tiến bằng cách thêm các nguyên tố hợp kim nhỏ như crôm và vanadi để nâng cao chất lượng. Một số loại thép hiện đại hơn bao gồm thép công cụ, với lượng lớn volfram và coban hoặc các nguyên tố khác để tối ưu hóa khả năng làm cứng và chịu nhiệt. Thép công cụ thường được sử dụng trong cưa, khoan và các thiết bị cần lưỡi cắt sắc bén và bền. Các hợp kim đặc biệt khác bao gồm thép chống thời tiết như Cor-ten, có khả năng chịu được thời tiết mà không cần sơn. Thép maraging, hợp kim với niken và các nguyên tố khác, chứa rất ít carbon (0,01%), tạo ra một loại thép rất chắc chắn nhưng vẫn dẻo dai.

Thép Eglin sử dụng sự kết hợp của hơn mười hai nguyên tố khác nhau với các tỉ lệ khác nhau để tạo ra loại thép giá rẻ, thường dùng trong vũ khí đập ổ nơi bịt mở. Thép Hadfield (theo tên Sir Robert Hadfield) hoặc thép mangan chứa 12-14% mangan, khi bị mài mòn sẽ cứng hóa tạo thành lớp da cứng chống mài mòn. Ví dụ bao gồm bánh xe xe tăng, cạnh lưỡi cưa, và lưỡi cắt trong các ứng dụng nặng.

Tiêu chuẩn

Các loại hợp kim thép phổ biến thường được phân loại theo nhiều tiêu chuẩn khác nhau. Ví dụ, Hiệp hội Kỹ sư Ô tô có hệ thống tiêu chuẩn riêng để phân loại các loại thép. Tại Hoa Kỳ, Hội đồng Tiêu chuẩn và Vật liệu Mỹ thiết lập các tiêu chuẩn như thép A36, loại thép kết cấu phổ biến nhất. Nhật Bản cũng sử dụng các tiêu chuẩn của JIS để định nghĩa nhiều loại thép được sử dụng rộng rãi cả trong nước và quốc tế.

Các đặc tính của vật liệu

Nguồn gốc và quy trình sản xuất

Sắt thường có mặt trong lớp vỏ Trái đất dưới dạng khoáng chất, chủ yếu là các oxit sắt như nam châm đất hoặc huyết tím đất. Để chiết xuất sắt từ quặng, người ta loại bỏ oxy bằng cách kết hợp với một chất hóa học ưu tiên như cacbon, sau đó khí carbonic được thải ra ngoài. Quá trình này, gọi là nấu luyện, lần đầu tiên được áp dụng cho các kim loại có điểm nóng chảy thấp như thiếc (250 °C) và đồng (1.100 °C), cũng như hợp kim của chúng, đồng thau (1.083 °C). Trong khi đó, gang có điểm nóng chảy cao hơn, khoảng 1.375 °C. Trong thời kỳ cổ đại, sắt được nấu luyện ở trạng thái rắn bằng cách đốt trong lửa than và 'hàn' các cụm sắt bằng búa, đồng thời loại bỏ các tạp chất không mong muốn. Sắt lỏng hoặc rắn hòa tan cacbon khá dễ dàng so với đồng và thiếc.

Các nhiệt độ cần thiết cho quá trình nấu luyện có thể đạt được bằng các phương pháp cổ xưa từ thời kỳ Đồ đồng. Vì tốc độ oxy hóa của sắt gia tăng nhanh chóng ở trên 800 °C, quá trình nấu luyện cần diễn ra trong môi trường ít oxy. Nấu luyện bằng cacbon để giảm oxit sắt dẫn đến gang với lượng cacbon dư thừa, không đủ để được gọi là thép. Các tạp chất và lượng cacbon dư thừa sẽ được loại bỏ trong bước tiếp theo.

Để tạo ra thép với các đặc tính mong muốn, thường thêm các vật liệu khác vào hỗn hợp sắt-cacbon. Niken và mangan cải thiện sức căng và ổn định dạng austenite của hỗn hợp sắt-cacbon, crom tăng cường độ cứng và điểm nóng chảy, trong khi vanadi cũng tăng độ cứng và giảm độ dễ gãy của thép.

Để chống lại sự ăn mòn, thép có thể được bổ sung ít nhất 11% crom, tạo ra một lớp ôxít bảo vệ trên bề mặt; đây là thép không gỉ. Wolfram giúp làm chậm sự hình thành cementite, giữ cacbon trong ma trận sắt và cho phép martensit hình thành dễ hơn khi làm nguội chậm, dẫn đến thép tốc độ cao. Thêm chì và lưu huỳnh giúp giảm kích thước hạt và dễ cắt, nhưng cũng làm tăng khả năng gãy và ăn mòn. Các hợp kim này thường được dùng cho các bộ phận như ốc vít trong các ứng dụng không yêu cầu độ cứng và khả năng chống ăn mòn cao. Các tạp chất như lưu huỳnh, nitơ, phốt pho và chì thường bị loại bỏ trong quá trình nấu chảy vì chúng làm cho thép dễ gãy hơn.

Tính chất

Mật độ của thép thay đổi tùy theo thành phần hợp kim, thường nằm trong khoảng từ 7.750 đến 8.050 kg/m³ (484 đến 503 lb/cu ft), tương đương với 7,75 đến 8,05 g/cm³ (4,48 đến 4,65 oz/cu in).

Trong một phạm vi nồng độ cacbon và sắt, có thể hình thành nhiều cấu trúc kim loại khác nhau với tính chất khác nhau. Hiểu biết về các tính chất này là rất quan trọng để sản xuất thép chất lượng. Ở nhiệt độ phòng, sắt tinh khiết có cấu trúc khối trung tâm (BCC), gọi là sắt alpha hoặc α-sắt, là một kim loại mềm chỉ hòa tan một lượng nhỏ cacbon, không quá 0,005% ở 0 °C và 0,021 wt% ở 723 °C. Cấu trúc này gọi là phierrite. Khi đạt 910 °C, sắt tinh khiết chuyển thành cấu trúc khối trung tâm lập phương (FCC), gọi là sắt gamma hoặc γ-sắt, với khả năng hòa tan nhiều cacbon hơn, lên đến 2,1%. Mặc dù giá trị này được làm tròn, nhưng các giá trị chính xác có thể thay đổi vì thép không hợp kim đơn giản hiếm khi có nồng độ cacbon cao như vậy.

• Smith & Hashemi 2006, tr. 363—2,08%.
• Degarmo, Black & Kohser 2003, tr. 75—2,11%.
• Ashby & Jones 1992—2,14%. (gấp 38 lần của ferrite) cacbon ở nhiệt độ 1.148 °C, đây là mức nồng độ cacbon cao nhất của thép, vượt qua đó là gang xám. Khi cacbon tách ra khỏi dung dịch trong sắt, nó tạo thành một vật liệu rất cứng nhưng giòn gọi là xi măng (Fe₃C).

Khi thép chứa chính xác 0,8% cacbon (thép eutectoid), khi làm nguội, pha austenitic (FCC) của hỗn hợp cố gắng chuyển về pha ferrite (BCC). Vì cacbon không còn phù hợp với cấu trúc austenite của pha FCC, dẫn đến sự dư thừa cacbon. Cacbon sẽ rời khỏi austenite dưới dạng kết tủa cementite, để lại pha ferrite với lượng cacbon nhỏ. Hai pha ferrite và cementite kết tủa tạo thành cấu trúc lớp gọi là pearlite, giống như ngọc trai. Trong thành phần hypereutectoid (trên 0,8% cacbon), cacbon tạo thành các hạt cementite lớn ở biên giới austenite trước khi tỷ lệ cacbon giảm xuống 0,8%, lúc đó cấu trúc pearlite hình thành. Đối với thép có ít hơn 0,8% cacbon (hypoeutectoid), ferrite hình thành trước đến khi thành phần cacbon tăng lên 0,8%, và sau đó cấu trúc pearlite hình thành. Các hạt cementite lớn không hình thành ở thép hypoeutectoid. Điều này giả định rằng quá trình làm lạnh diễn ra từ từ, đủ thời gian để cacbon di chuyển.

Khi tốc độ làm lạnh tăng, cacbon không có đủ thời gian để di chuyển và hình thành carbide tại các biên giới hạt. Thay vào đó, cấu trúc pearlite mịn hơn sẽ phát triển trong các hạt, phân tán carbide rộng rãi hơn và ngăn chặn trượt của các khuyết tật bên trong hạt, dẫn đến sự cứng hơn của thép. Khi tốc độ làm lạnh rất nhanh do quenching, cacbon bị kẹt trong pha austenite và hình thành martensite. Martensite là một dạng cực kỳ căng thẳng và chứa nhiều cacbon hơn mức tối đa cho phép, rất cứng nhưng dễ bị vỡ. Tuỳ vào nồng độ cacbon, martensite có thể có các cấu trúc khác nhau. Dưới 0.2% cacbon, nó có cấu trúc ferrite BCC, còn với nồng độ cao hơn, nó chuyển thành cấu trúc body-centred tetragonal (BCT). Quá trình chuyển từ austenite sang martensite không cần năng lượng kích hoạt nhiệt, và thành phần không thay đổi vì các nguyên tử vẫn giữ vị trí của chúng.

Martensite có mật độ thấp hơn (nở ra trong quá trình làm lạnh) so với austenite, dẫn đến sự thay đổi thể tích khi chuyển đổi giữa hai pha này. Sự nở ra này tạo ra căng thẳng nội bộ, với sự nén vật lý trên các tinh thể martensite và căng thẳng trên pha ferrite còn lại, cùng với lượng cắt đáng kể trên cả hai thành phần. Nếu quá trình quenching không được thực hiện đúng cách, căng thẳng nội bộ có thể gây ra nứt gãy chi tiết khi làm lạnh. Ít nhất, nó làm cho vật liệu cứng hơn và gây ra các sai lệch vi mô khác. Các vết nứt thường xuất hiện sau quá trình quenching khi thép được làm nguội bằng nước, mặc dù không phải lúc nào cũng rõ ràng.

Xử lý nhiệt

Có nhiều phương pháp xử lý nhiệt cho thép, trong đó phổ biến nhất là gia nhiệt (annealing), làm lạnh nhanh (quenching) và làm mềm (tempering).

Gia nhiệt là quá trình đun nóng thép đến một nhiệt độ cao đủ để giảm bớt căng thẳng nội bộ mà không làm mềm toàn bộ sản phẩm. Quá trình này chỉ giảm căng thẳng và áp lực cục bộ trong vật liệu. Gia nhiệt bao gồm ba giai đoạn chính: phục hồi (recovery), tái tinh thể hóa (recrystallization) và phát triển hạt (grain growth). Nhiệt độ cụ thể cần thiết để gia nhiệt thép phụ thuộc vào loại gia nhiệt mong muốn và các thành phần hợp kim của thép.

Làm lạnh nhanh bao gồm việc đun nóng thép để hình thành pha austenite và sau đó làm nguội nhanh chóng bằng nước hoặc dầu. Quá trình làm nguội này tạo ra cấu trúc martensitic, rất cứng nhưng dễ bị gãy. Để làm giảm độ giòn, thép sau đó được làm mềm qua quá trình gia nhiệt đặc biệt. Gia nhiệt (tempering) biến một phần martensite thành cementite hoặc spheroidite, làm giảm căng thẳng và khuyết tật bên trong thép, từ đó làm cho thép dẻo hơn và ít bị vỡ hơn.