Nhà khung thép hoặc xưởng khung thép được thiết kế thi công bằng thép tiến chế. Nhà khung thép – xưởng khung thép có nhiều ưu điểm vượt trội và được sử dụng ở nhiều nước tiên tiến trên thế giới.
Trước đây ở Việt Nam, nhà khung thép và xưởng khung thép đã được áp dụng, tuy nhiên chưa nhiều. Hiện nay, với lợi ích lâu dài, nhà khung thép – xưởng khung thép đã được áp dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng công nghiệp và dân dụng.
Nhà khung thép và xưởng khung thép có ưu điểm thi công nhanh. Trọng lượng nhẹ so với các vật liệu khác giúp làm giảm áp lực tải trọng.

– Tiết kiệm vật liệu phụ (so với các loại nhà cố định truyền thống).

– Lắp dựng đơn giản, thi công linh hoạt, nhanh chóng, bất chấp mọi điều kiện thời tiết.

– Tận dụng tối đa không gian nhà xưởng.

– Tính đồng bộ cao.

– Dễ mở rộng quy mô.

– Giảm thời gian thi công, giảm chi phí.

Chính những lý do trên khiến nhà thép tiền chế là loại nhà lý tưởng để sử dụng làm nhà xưởng, nhà kho, nhà trưng bày, siêu thị…

 

Xu hướng xây dựng nhà bằng khung thép phổ biến ở nước ngoài cũng như ở Việt Nam

Tìm hiểu về thép trong xây dựng

Thép trong xây dựng hiện đại có vai trò quan trọng như thế nào? Thép trong xây dựng phải đáp ứng những yếu tốt nào? Cùng đọc bài viết sau để biết thông tin.

Tìm hiểu về thép trong xây dựng

Thép là hợp kim bao gồm rất nhiều sắt và khoảng 0,2% carbon. Tỷ lệ carbon trong thép sẽ ảnh hưởng đến trọng lượng của nó nhưng thông thường nó là 2,1% trọng lượng. Đối với sắt, carbon là vật liệu hợp kim phổ biến nhất. Nhưng nó cũng sử dụng các nguyên tố khác như mangan, crom, vanadi và vonfram.

Carbon và các nguyên tố hợp kim khác có vai trò như một chất làm cứng sắt. Nó có thể ngăn chặn sự sai lệch trong mạng tinh thể nguyên tử sắt. Bằng cách kiểm soát lượng các nguyên tố hợp kim. Nó có thể gián tiếp kiểm soát độ cứng, độ dẻo và độ bền kéo của thép. Bằng cách tăng hàm lượng carbon, nó có thể được chế tạo cứng hơn và mạnh hơn sắt.

Thép là một vật liệu linh hoạt bởi vì thành phần và cấu trúc bên trong có thể điều chỉnh các thuộc tính. Vì lý do này, thép có thể sản xuất làm vật dụng từ nhỏ bé như kẹp giấy, cầu thép, dải thép mỏng cho lưỡi dao cạo hay đến các dầm, cột lớn trong xây dựng.

Công trình nhà khung thép tiền chế

Công trình nhà khung thép tiền chế

Tính chất của thép

Thép là một vật liệu có đàn hồi tuyến tính. Tuy sự đàn hồi không cao. Nhưng nó có độ bền kéo mạnh khiến thép có thể uốn thành bất kỳ hình dạng nào bạn thích. Thép cũng có cùng độ nén với cường độ kéo. Nó khác với bê tông, như chúng ta biết rằng bê tông có cường độ kéo rất thấp nhưng nó có cường độ nén mạnh.

Trong cuộc sống thực, chúng ta không thể tìm thấy những thứ như vật liệu đàn hồi hoặc nhựa hoàn hảo. Vật liệu thép có cường độ kéo và cường độ nén được các kỹ sư kết cấu quan tâm. Khi thép đạt đến cường độ năng suất, nó bắt đầu kéo dài và chuyển từ trạng thái đàn hồi sang trạng thái dẻo. Khi có nhiều lực tác dụng lên thép, nó sẽ làm cho nó đạt đến độ bền kéo cuối cùng.

Do cường độ chịu kéo cao mà thép có, các kỹ sư kết cấu tận dụng lợi thế này trong thiết kế của họ. Trong một số thảm họa tự nhiên như động đất hoặc tác động lớn, các tính chất mà thép có rất hữu ích vì nó cho phép kết cấu hấp thụ thêm tải trọng. Đối với những vật liệu quá giòn, nó sẽ vỡ thay vì kéo dài, nó có thể sẽ làm cho cấu trúc bị sập,

Một công trình xây dựng lớn sử dụng kết cấu thép

Một công trình xây dựng lớn sử dụng kết cấu thép làm dầm và cột chịu lực

Lợi thế của thép trong xây dựng

Các kỹ sư đều biết, thép là vật liệu không thể thiếu trong xây dựng. Có rất nhiều lợi thế của việc sử dụng thép trong xây dựng. Đó là lý do tại sao rất nhiều công trình xây dựng trên thế giới sử dụng thép làm vật liệu chính.

Độ tin cậy và khả năng chịu lực cao

Do vật liệu thép có cường độ lớn, lớn nhất trong các vật liệu xây dựng nên kết cấu thép có khả năng chịu lực lớn. Độ tin cậy cao là do cấu trúc thuần nhất của thép. Sự làm việc đàn hồi và dẻo của vật liệu thép gần sát nhất với các giả thiết tính toán.

Trọng lượng nhẹ

Kết cấu thép nhẹ nhất trong số các kết cấu chịu lực: Từ gỗ, đá, bê tông đều không nhẹ bằng. Để đánh giá phẩm chất “nhẹ” của một vật liệu, người ta thường dùng hệ số c là tỷ số giữa trọng lượng riêng và cường độ tính toán của nó.

Tính công nghiệp hóa cao

Do sự sản xuất vật liệu (thép cán) hoàn toàn trong các nhà máy luyện kim, và sự ché tạo kết cấu thép được làm chủ yếu trong các nhà máy chuyên ngành. Kết cấu thép thích hợp nhất với điều kiện xây dựng công nghiệp hóa.

Tính cơ động trong vận chuyển, lắp ráp

Do trọng lượng nhẹ, độ cứng lớn nên việc vận chuyển và lắp ráp kết cấu thép dễ dàng và nhanh chóng. Kết cấu thép dễ sữa chữa, thay thế, tháo gỡ, di chuyển. Điều này đặc biệt quan trọng khi cần cải tạo các cơ sở sản xuất cho phù hợp với dây chuyền công nghệ mới, các công trình phải di chuyển khi cần thiết, hoặc dễ khôi phục sữa chữa như cầu, nhà máy…. Đã bị hư hỏng, xuống cấp.

Tính kín

Vật liệu và liên kết cấu thép có tính kín không thấm nước, không thấm khí, nên thích hợp cho những công trình bể chữa chất lỏng, cất khí; điều này khó thực hiện đối với các vật liệu khác.

Thép trong xây dựng có thể tái sử dụng nhiều lần

Sử dụng thép trong xây dựng sẽ tạo ra một lượng nhỏ chất thải. Thép có thể tái sử dụng khi phá bỏ ngôi nhà. Trong một năm, hơn một nghìn tỷ tấn thép đã được tái chế. Theo một dữ liệu đáng tin cậy, nó cho thấy ngành thép hàng năm tiết kiệm năng lượng rất lớn.

Thép trong xây dựng có sức mạnh và độ bền cao

Khi sử dụng để làm khung thì thép khỏe và vững chắc hơn rất nhiều so với gỗ. Ngoài sợi carbon, không có vật liệu nào khác có thể sánh được với độ bền của thép. Lý do không bao giờ sử dụng sợi carbon trong tòa nhà vì sợi carbon đắt hơn nhiều so với thép. Tòa nhà sử dụng thép sẽ cho phép tòa nhà chống lại động đất, bão và các tác động tự nhiên khác.

Khí hậu và điều kiện

Như chúng ta đã biết, thép được làm từ sắt và carbon mạnh. Chính vì vậy nó sẽ không bao giờ bị nứt, co lại, vỡ, rão, tách hoặc phồng lên. Một tòa nhà sử dụng nhiều khung gỗ sẽ có phản ứng khác nhau với sự thay đổi khí hậu. Gỗ có thể mở ra, co lại, cong vênh, xoắn, vv

Thép cuộn thành phẩm

Thép cuộn thành phẩm

Trọng lượng của thép trong xây dựng

Xét về trọng lượng riêng thì tháp nặng hơn rất nhiều so với gỗ. Tuy nhiên để làm thành một ngôi nhà lại sử dụng trọng lượng của thép thấp hơn. Điều này có được do những đặc tính ưu việt của vật liệu thép. Sử dụng thép cho nền móng có thể làm cho nó nhẹ hơn; vận chuyển và xử lý dễ dàng hơn.

Vấn đề của thép trong xây dựng

Trên thế giới, không có vật liệu hoàn hảo cả. Mỗi vật liệu đều có có điểm mạnh và điểm yếu riêng. Đối với thép, vấn đề nguy hại nhất là sự ăn mòn. Điều này chính là dođộ ẩm của không khí. Thép tiếp xúc với không khí ẩm rất dễ bị ăn mòn. Khi khung dầm thép bị ăn mòn, chúng ta buộc phải thay thế để đảm bảo sự chắc chắn và an toàn. Chính vì vậy, tùy vào môi trường sử dụng thép chúng ta có cách bảo vệ thép khỏi sự ăn mòn khác nhau.

Vật liệu chống ăn mòn

Trong cuộc sống thực, chúng ta không thể tìm thấy một vật liệu hoàn toàn có thể miễn nhiễm với sự ăn mòn trong mọi môi trường. Để ngăn chặn sự ăn mòn, chúng ta phải biết yếu tố môi trường nào gây ra sự ăn mòn này. Từ đó có phương pháp để chống lại sự ăn mòn.

 Lớp phủ bảo vệ khung thép trong xây dựng

Để ngăn chặn thép khỏi ăn mòn, người ta phun sơn bảo vệ. Đây là kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất. Các lớp sơn phủ cách li và bảo vệ bề mặt của khung thép khỏi các yếu tố môi trường gây ra sự ăn mòn như nước, độ ẩm. Nhưng điều này không có nghĩa là lớp sơn phủ có thể bảo vệ 100% bề mặt của khung thép trong xây dựng.

Thép khó chống lại khi nhiệt độ quá cao. Khi nhiệt độ quá cao sẽ làm mềm thép. Ở nhiệt độ t= 500 : 600 độ C thép sẽ bị mềm ra. Do đó khi làm cột dầm cần một lớp gốm hoặc bê tông dày để chống cháy. Nhờ có lớp bê tông mà khi tòa nhà bị cháy, mọi người có nhiều thời gian hơn để di chuyển ra khỏi tòa nhà trước khi nó sụp đổ.

Sơn phủ bảo về khung thép

Sơn phủ bảo về khung thép

Công dụng của thép trong xây dựng

Các kỹ sư phát hiện ra rằng thép rất hữu ích trong xây dựng do khả năng chịu kéo và cường độ nén cao. Giá thành khung thép cũng phải chăng.  Trong một ngôi nhà, các bộ phận làm bằng thép luôn được tin tưởng cao. Vì chúng chắc chắn nhất và đáng tin cậy hơn tất cả các vật liệu xây dựng. Thép có thể đứng vững trước thử thách của thời gian. Chính vì vậy, số lượng các tòa nhà không chỉ trên thế giới mà ở Việt Nam cũng tiếp tục ngày một gia tăng.

Sử dụng thép trong xây dựng là chắc chắn và rẻ hơn so với các vật liệu khác. Có độ thẩm mỹ, chống cháy và thân thiện với môi trường.

Ăn mòn là một trong những nhược điểm lớn nhất của các vật liệu kim loại. Hầu hết các nhà sản xuất khung thép tiền chế đều xử lý nhiệt, mạ kẽm hay phun sơn để chúng trở nên không gỉ.

Kết cấu cột thép

Các cột hay dầm bằng gỗ sử dụng trong công trình  xây dựng có đầu phẳng hoặc vuông,. Cột và khung dầm thép kết cấu thường có dạng bản lề, phẳng hoặc vuông. Được kết nối bằng cách hàn hoặc tán giữ bằng bu long, ốc vít.

Một công trình xây dựng dùng khung thép là cột chịu lực

Một công trình xây dựng dùng khung thép là cột chịu lực

Khung thép nhẹ

Các tấm thép mạ kẽm mỏng có thể được tạo thành các đinh tán thép được sử dụng làm vật liệu xây dựng để tạo khung thô trong xây dựng thương mại hoặc dân dụng và nhiều ứng dụng khác. Kích thước của căn phòng được thiết lập có thể rộng do dầm khung thép có độ vươn tốt. Có thể dùng các đinh tán để nối dầm dài theo mong muốn.

Hình dạng chính của thép được sử dụng trong xây dựng là hình U, V, L hoặc hình hộp. Độ dày của thép phụ thuộc vào tải trọng và độ cao của công trình xây dựng.

Các nhà máy thép sản xuất thép tấm mạ kẽm, vật liệu cơ bản cho thép nhẹ. Thép tấm sau đó được cuộn lại. Các tấm được tráng kẽm (mạ kẽm) để chống oxy hóa và ăn mòn. Khung thép cung cấp sự linh hoạt tuyệt vời trong thiết kế. Bạn có thể cắt, nối tùy ý. Khung thép cho phép có độ dài hơn rất nhiều so với gỗ hay dầm bê tông cốt thép.

Tóm lược

Thép là một vật liệu rất quan trọng trong xây dựng. Nó có thể áp dụng trong làm cốt tạo liên kết đổ bê tông, làm dầm, cột chịu lực v.v … Thép có ưu điểm về độ chịu lực, bền kéo và nén.

Thép có thể được tái chế hoàn toàn. Nó sẽ không tạo ra bất kỳ chất thải nào khi áp dụng trong xây dựng. Nói về lợi thế, thép rất khỏe và nó có thể tồn tại lâu hơn bất kỳ vật liệu nào. Sợi carbon có đặc tính tương tự như thép, nhưng giá thành của sợi carbon cực kỳ đắt so với thép.

Không có vật liệu hoàn hảo trên thế giới, thậm chí thép là tốt. Nhưng thép dễ bị ăn mòn bất cứ lúc nào khi tiếp xúc với không khí hoặc nước. Do đó khi sử dụng thép thàm khng dầm, cột trong xây dựng cần phải sơn bảo vệ.

theo: ukessays.com

 

 

 

 

 

Một công trình xây dựng lớn sử dụng kết cấu thép

Tìm hiểu về kết cấu thép p1

Kết cấu thép là như thế nào? Kết cấu thép có những ưu điểm nào? Vì sao kết cấu khung thép được sử dụng nhiều trong xây dựng hiện đại? Chúng ta cùng tìm hiểu kết cấu thép trong xây dựng qua loạt bài viết dưới đây.

Tổng quan về kết cấu thép

Ưu điểm – khuyết điểm và phạm vi sử dụng của kết cấu thép

Ưu điểm của kết cấu thép

Kết cấu thép có những ưu điểm cơ bản.

Xem thêm>>> Lịch sử của vật liệu thép

Kết cấu thép có khả năng chịu lực lớn. Do cường độ của thép cao nên các kết cấu thép có thể chịu được những lực khá lớn với mặt cắt không cần lớn lắm vì thế có thể lợi dụng được không gian một cách hiệu quả.

Việc tính toán kết cấu thép có độ tin cậy cao. Thép có cấu trúc khá đồng đều, mô đun đàn hồi lớn. Trong phạm vi làm việc đàn hồi, kết cấu thép khá phù hợp với các giả thiết cơ bản của sức bền vật liệu đàn hồi. Ví dụ như tính đồng chất, đẳng hướng của vật liệu, giả thiết mặt cắt phẳng, nguyên lý độc lập tác dụng.

Kết cấu thép “nhẹ” nhất so với các kết cấu làm bằng vật liệu thông thường khác (bê tông, gạch đá, gỗ). Độ nhẹ của kết cấu được đánh giá bằng hệ số c = g/F. Là tỷ số giữa tỷ trọng g của vật liệu và cường độ F của nó. Hệ số c càng nhỏ thì vật liệu càng nhẹ.

Một công trình xây dựng lớn sử dụng kết cấu thép

Một công trình xây dựng lớn sử dụng kết cấu thép

Trong khi bê tông cốt thép có c = 24.10-4 1/m, gỗ có c = 4,5.10-4 1/m. Thì hệ số c của thép chỉ là c = 3,7.10-4 1/m.

Kết cấu thép thích hợp với thi công lắp ghép và có khả năng cơ giới hoá cao trong chế tạo. Các cấu kiện thép dễ được sản xuất hàng loạt tại xưởng với độ chính xác cao. Các liên kết trong kết cấu thép (đinh tán, bu lông, hàn) tương đối đơn giản, dễ thi công.

Kết cấu thép không thấm chất lỏng và chất khí do thép có độ đặc cao nên rất thích hợp để làm các kết cấu chứa đựng hoặc chuyển chở các chất lỏng, chất khí.

So với kết cấu bê tông, kết cấu thép dễ kiểm nghiệm, sửa chữa và tăng cường cũng như cơi nới mở rộng.

Nhược điểm của kết cấu thép

Bên cạnh các ưu điểm chủ yếu kể trên, kết cấu thép cũng có một số nhược điểm.

Kết cấu thép dễ bị han gỉ, đòi hỏi phải có các biện pháp phòng chống và bảo dưỡng. Đặc biệt, yêu cầu chống gỉ cao đặt ra cho các kết cấu cầu làm việc trong môi trường có độ ẩm cao hay trong nước.

Thép chịu nhiệt kém. Ở nhiệt độ trên 4000C, biến dạng dẻo của thép sẽ phát triển dưới tác dụng của tĩnh tải (từ biến của thép). Vì thế, trong những môi trường có nhiệt độ cao, nếu không có những biện pháp đặc biệt để bảo vệ thì không được phép sử dụng kết cấu bằng thép.

Phạm vi sử dụng của kết cấu thép

Kết cấu thép được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: xây dựng dân dụng, xây dựng công nghiệp, xây dựng GTVT, các lĩnh vực khác…. Do những ưu điểm nói trên, kết cấu thép được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực xây dựng. Tuy nhiên, kết cấu thép đặc biệt có ưu thế trong các kết cấu vượt nhịp lớn, đòi hỏi độ thanh mảnh cao, chịu tải trọng nặng và những kết cấu đòi hỏi tính không thấm.

Kết cấu thép trong xây dựng

Các tính chất cơ học chủ yếu của thép

Các thuộc tính cơ bản của thép là thể hiện ở cường độ chảy, cường độ chịu kéo đứt, độ dẻo, độ rắn và độ dai. Thí nghiệm với mẫu thép chịu kéo một phương, ta có đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng điển hình như hình sau.

Đường cong biến dạng điển hình của kết cấu thép

Đường cong biến dạng điển hình của kết cấu thép

Cường độ chảy (Fy) là trị số ứng suất mà tại đó xảy ra sự tăng biến dạng mà ứng suất không tăng.

Cường độ chịu kéo (Fu) là trị số ứng suất lớn nhất đạt được trong thí nghiệm kéo.

Độ dẻo là chỉ số của vật liệu phản ánh khả năng giữ được biến dạng quá đàn hồi mà không xảy ra phá hoại. Nó có thể được tính bằng tỷ số giữa độ giãn khi phá hoại và độ giãn ở điểm chảy đầu tiên.

Độ rắn là thuộc tính của vật liệu cho phép chống lại sự mài mòn bề mặt.

Độ dai là thuộc tính của vật liệu cho phép tiêu hao năng lượng mà không xảy ra phá hoại.

Quá trình luyện thép

Luyện thép là quá trình nung nóng chảy các nguyên liệu thành phần bao gồm quặng sắt, than cốc, đá vôi và các phụ gia hóa học khác, tạo ra sản phẩm chính là phôi thép.

Phôi thép hay thép bán thành phẩm là một hợp chất có thành phần chính là sắt và các nguyên tố hóa học khác như Al, Cu, Zn, Ni, Mn, Cr, Si, C, S, P, N,…

Phân loại thép

Theo thành phần hoá học của thép có 2 loại
Thép các bon:

Là thép có chứa C ≤ 1,7% và không chứa các nguyên tố kim loại khác. Tùy theo hàm lượng C, người ta lại chia thép các bon làm 3 loại

+ Thép các bon thấp (C ≤ 0,22%): là loại được sử dụng chủ yếu trong xây dựng, nên nó còn được gọi là thép xây dựng hay thép công trình

+ Thép các bon vừa (0,22% < C ≤ 0,6%): là loại được sử dụng chủ yếu trong chế tạo

máy

+ Thép các bon cao (0,6% < C ≤ 1,7%): là loại được sử dụng chủ yếu trong chế tạo dụng cụ.

Thép hợp kim:

Là thép có chứa thêm các nguyên tố hóa học khác như Al, Cu, Zn, Ni, Cr, Mn, Si,…nhằm nâng cao chất lượng của thép, như tăng độ bền, tăng tính chống gỉ. Tùy theo hàm lượng của các nguyên tố kim loại thêm vào thép, người ta chia thép hợp kim làm 3 loại: Thép hợp kim thấp, vừa và cao. Trong đó, thép hợp kim thấp (hàm lượng các nguyên tố kim loại thêm vào ≤ 2,5%) được sử dụng chủ yếu trong xây dựng.

Theo phương pháp luyện thép: 2 loại
  • Phương pháp luyện bằng lò quay: Bessmer, Thomas
  • Phương pháp luyện bằng lò bằng: Martin
Theo phương pháp để lắng thép:

Thép nóng chảy từ lò luyện được rót qua các khuôn và để nguội cho kết tinh lại. Tùy theo phương pháp để nguội (lắng), ta chia thép làm 3 loại

Thép sôi:

Khi thép nguội, do có nhiều bọt khí như O2, CO2, N2,… bốc ra (trông như sôi). Các bọt khí này tạo nên những chỗ không đồng nhất trong cấu trúc của thép. Thép sôi có chất lượng không tốt, dễ bị phá hoại giòn, lão hóa.

Thép tĩnh:

khi thép nguội, người ta đã cho thêm vào một số phụ gia hóa học. Các phụ gia hóa học này sẽ tác dụng với các bọt khí, tạo lên các lớp xỉ nổi trên bề mặt. Do vậy cấu trúc của thép rất đồng nhất và đặc chắc. Thép tĩnh có chất lượng tốt và chịu lực động tốt hơn.

Thép nửa tĩnh:

Là thép trung gian giữa 2 loại thép trên, do các bọt khí không được khử hoàn toàn.

Ảnh hưởng của các nguyên tố hóa học đến chất lượng của thép

Các nguyên tố hóa học trong thép có ảnh hưởng rất lớn tới các tính chất cơ lý của thép. Do vậy, trong quá trình luyện thép người ta luôn luôn cố gắng kiểm tra và điều chỉnh chính xác hàm lượng của chúng. Ảnh hưởng của chúng có thể được tóm tắt như sau:

C: làm tăng cường độ và độ cứng của thép, nhưng lại làm giảm tính dẻo, tính dai và tính hàn Cr, Cu: nâng cao cường độ và tính chống gỉ của thép.

Al, Si: khử ôxi trong thép nóng chảy, làm cho thép đồng nhất hơn Mn: Kiềm chế ảnh hưởng xấu của S

S: có hại, làm giảm tính dẻo, tính dai, tính hàn và chất lượng bề mặt của thép P: nói chung là có hại,…

 Các sản phẩm thương mại của thép

Phôi thép hoặc thép lỏng của quá trình luyện thép sẽ qua các khuôn đúc hoặc các máy đúc liên tục. Sau đó được tái gia công nhiệt hoặc tôi để tạo ra các sản phẩm thương mại bao gồm:

  • Thép bản (thép tấm)
  • Thép thanh (tròn, hình chữ nhật)
  • Thép ống (tròn, hình chữ nhật)
  • Thép chữ L (thép góc)
  • Thép chữ I
  • Thép chữ C (chữ U hoặc thép máng)
  • Thép chữ T,…

Gia công nhiệt thép

Để nâng cao các tính chất cơ lý của kết cấu thép, người ta thường sử dụng phương pháp gia công nhiệt. Có 2 loại gia công nhiệt

Gia công nhiệt làm nguội chậm:

Đây là phương pháp tôi bình thường đã được tiêu chuẩn hóa. Nó bao gồm việc nung nóng chảy thép đến nhiệt độ nhất định. Giữ nhiệt một thời gian thích hợp. Tiếp theo làm nguội chậm trong không khí. Phương pháp này làm tăng tính dẻo, tính dai, giảm độ cứng và khử ứng suất dư.

Gia công nhiệt làm nguội nhanh:

Được sử dụng chủ yếu cho thép cầu, quá trình còn được gọi là tôi nhúng. Nó bao gồm việc nung nóng thép đến khoảng 9000C, giữ nhiệt độ một thời gian, sau đó làm lạnh nhanh bằng cách nhúng vào một bể dầu hoặc nước. Sau khi nhúng thép được đốt nóng khoảng 5000C, giữ nhiệt độ, sau đó làm nguội chậm. Tôi và nhúng làm thay đổi vi cấu trúc của thép, làm phát triển cường độ, độ cứng và độ dẻo dai của thép.

Ứng suất dư thép

Ứng suất tồn tại trong các bộ phận kết cấu thép mà không do tác động của bất kỳ ngoại lực nào được gọi là ứng suất dư. Điều quan trọng là nhận biết sự có mặt của nó vì ứng suất dư ảnh hưởng đến cường độ của các cấu kiện chịu lực. Ứng suất dư có thể phát sinh trong quá trình gia công nhiệt, gia công cơ học hay quá trình luyện thép. Ứng suất dư do gia công nhiệt hình thành khi sự nguội xảy ra không đều. Ứng suất dư do gia công cơ học xảy ra do biến dạng dẻo không đều khi bị kích ép. Ứng suất dư do luyện kim sinh ra do sự thay đổi cấu trúc phân tử của thép.

Khi mặt cắt ngang được chế tạo bằng hàn ba chiều, ứng suất dư xuất hiện ở cả ba chiều. Sự đốt nóng và nguội đi làm thay đổi cấu trúc của kim loại và sự biến dạng thường bị cản trở, gây ra ứng suất dư kéo có thể đạt tới 400 MPa trong mối hàn.

Nhìn chung, các mép của tấm và thép bình thường chịu ứng suất dư nén, khi được cắt bằng nhiệt thì chịu ứng suất dư kéo. Các ứng suất này được cân bằng với ứng suất tương đương có dấu ngược lại ở vị trí khác trong cấu kiện. Hình 1.4 biểu diễn một cách định tính sự phân bố tổng thể ứng suất dư trong các thanh thép hàn và cán nóng. Chú ý rằng, các ứng suất trong hình này là ứng suất dọc thanh.

Sơ họa ứng suất dư trong các mặt cắt kết cấu thép cán và ghép trong xưởng.

Minh họa ứng suất dư trong các mặt cắt kết cấu thép cán và ghép trong xưởng.

(a) mặt cắt cán nóng, (b) mặt cắt hình hộp hàn, (c) bản cán mép, (d) bản cắt mép bằng lửa, (e) mặt cắt I tổ hợp hàn cắt mép bằng lửa

Một nguyên tắc cơ bản để xác định ứng suất dư là thớ nguội lạnh trước chịu ứng suất dư nén, thớ nguội lạnh sau chịu ứng suất dư kéo.

Phân loại kết cấu thép

Các thuộc tính cơ học của các loại kết cấu thép điển hình được biểu diễn bằng bốn đường cong ứng suất – biến dạng trong hình 1.5. Mỗi đường cong đại diện cho một loại thép kết cấu với thành phần cấu tạo đáp ứng các yêu cầu riêng. Rõ ràng là các loại thép ứng xử khác nhau, trừ vùng biến dạng nhỏ gần gốc toạ độ.

Bốn loại thép khác nhau này có thể được nhận biết bởi thành phần hoá học và cách xử lý nhiệt của chúng. Đó là thép các bon (cấp 250), thép hợp  kim thấp cường độ cao (cấp 345). Thép hợp kim thấp gia công nhiệt (cấp 485) và thép hợp kim gia công nhiệt cường độ cao (cấp 690). Các thuộc tính cơ học nhỏ nhất của các thép này được cho trong bảng 1.5.

Các đường cong ứng suất-biến dạng điển hình đối với thép kết cấu

Các đường cong ứng suất-biến dạng điển hình đối với thép kết cấu

Các thuộc tính cơ học nhỏ nhất của các thép cán dùng trong công trình, cường độ và chiều dày

1.5. Các thuộc tính cơ học nhỏ nhất của các thép cán dùng trong công trình, cường độ và chiều dày

Một tiêu chuẩn thống nhất hoá cho thép cầu được cho trong ASTM (1995) với ký hiệu A709/A709M-94a (M chỉ mét và 94a chỉ năm xét lại lần cuối). Sáu cấp thép tương ứng với bốn cấp cường độ được cho trong bảng trên. Cấp thép có ký hiệu “W” là thép chống gỉ, có khả năng chống gỉ trong không khí tốt hơn về cơ bản so với thép than thường và có thể được sử dụng trong nhiều trường hợp mà không cần sơn bảo vệ.

Tất cả các cấp thép trong bảng trên đều có thể hàn. Tuy nhiên không phải với với cùng một quy cách hàn. Mỗi cấp thép có những yêu cầu riêng về hàn phải được tuân theo.

Trong hình 1.5, các số trong ngoặc ở bốn mức cường độ thép là ký hiệu theo ASTM của thép có cường độ chịu kéo và thuộc tính biến dạng giống thép A709M. Các con số này được nêu là vì chúng quen thuộc đối với những người thiết kế khung nhà thép và các công trình khác. Sự khác nhau cơ bản nhất giữa các thép này và thép A709M là ở chỗ thép A709M được dùng cho xây dựng cầu và phải có yêu cầu bổ sung về thí nghiệm xác định độ dai. Các yêu cầu này khác nhau đối với các cấu kiện tới hạn đứt gãy và không đứt gãy trong tính toán ở TTGH mỏi và đứt gãy.

Hai thuộc tính của tất cả các cấp thép được coi là không đổi, là mô đun đàn hồi Es = 200 GPa = 2.105 MPa và hệ số giãn nở vì nhiệt bằng αs = 1,17.10-5 1/0C.

Phần sau đây giới thiệu tóm tắt về thuộc tính của các cấp thép ứng với các cấp cường độ khác nhau. Để giúp so sánh các loại thép này, các biểu đồ ứng suất – biến dạng giai đoạn đầu và đường cong gỉ phụ thuộc thời gian được cho tương ứng, trong các hình 1.6 và 1.7.

Thép các bon công trình

Tên gọi như vậy thật ra không đặc trưng lắm vì tất cả thép công trình đều có các bon. Đây chỉ là định nghĩa kỹ thuật. Một trong những đặc trưng chủ yếu của thép các bon công trình là có điểm chảy được nhận biết rõ và tiếp theo là một thềm chảy dài. Điều này được miêu tả trong hình 1.6 và nó biểu thị tính dẻo tốt, cho phép phân phối lại ứng suất cục bộ mà không đứt gãy. Thuộc tính này làm cho thép các bon đặc biệt phù hợp khi sử dụng làm chi tiết liên kết.

Thép các bon có tính hàn tốt và thích hợp cho bản, thanh và các thép cán định hình trong xây dựng. Chúng được dự kiến cho sử dụng trong nhiệt độ không khí. Mức độ gỉ trong hình 1.7 đối với thép các bon có đồng (Cu) bằng khoảng một nửa thép các bon thông thường.

Thép hợp kim thấp cường độ cao

Các thép này có thành phần hoá học được hạn chế để phát triển cường độ chảy và cường độ kéo đứt lớn hơn thép các bon nhưng lượng kim loại bổ sung nhỏ hơn trong thép hợp kim. Cường độ chảy cao hơn (Fy = 345 MPa) đạt được trong điều kiện cán nóng hơn là qua gia công nhiệt. Kết quả là chúng có điểm chảy rõ ràng và tính dẻo tuyệt vời như được miêu tả trong hình 1.6.

Thép hợp kim thấp cường độ cao có tính hàn tốt và thích hợp cho bản, thanh và các thép cán định hình trong xây dựng. Các hợp kim này có sức kháng gỉ trong không khí cao hơn như cho thấy trong hình 1.7. Do có các phẩm chất tốt này, thép cấp 345 thường là sự lựa chọn đầu tiên của người thiết kế các cầu có nhịp trung bình và nhỏ.

Thép hợp kim thấp gia công nhiệt

Thép hợp kim thấp cường độ cao có thể được gia công nhiệt để đạt được cường độ chảy cao hơn (Fy = 485 MPa). Thành phần hoá học cho các cấp 345W và 485W là gần như nhau. Việc xử lý nhiệt (tôi thép) làm thay đổi cấu trúc vi mô của thép và làm tăng cường độ, độ rắn và độ dai.

Sự gia công nhiệt làm điểm chảy của thép dịch chuyển cao lên như cho thấy trong hình 1.6. Có một sự chuyển tiếp rõ rệt từ ứng xử đàn hồi sang ứng xử quá đàn hồi. Cường độ chảy của các thép này thường được xác định ở độ giãn bằng 0,5% dưới tác dụng của tải trọng hoặc ở  độ giãn bằng 0,2% theo định nghĩa bù (xem hình 1.6).

Các đường cong ứng suất-biến dạng ban đầu điển hình đối với thép công trình

1.6 Các đường cong ứng suất-biến dạng ban đầu điển hình đối với thép công trình

Thép hợp kim thấp được gia công nhiệt có thể hàn, tuy nhiên chỉ thích hợp cho tấm. Sức kháng gỉ trong không khí của chúng là giống như thép hợp kim thấp cường độ cao.

Thép hợp kim gia công nhiệt cường độ cao

Thép hợp kim là loại thép có thành phần hoá học không phải như trong thép hợp kim thấp cường độ cao. Phương pháp gia công nhiệt tôi nhúng được thực hiện tương tự như đối với thép hợp kim thấp nhưng thành phần khác nhau của các nguyên tố hợp kim làm phát triển cường độ cao hơn (Fy = 690 MPa) và tính dai lớn hơn ở nhiệt độ thấp.

Đường cong gỉ trong không khí đối với các thép hợp kim (cấp 690) được cho trong hình sau và thể hiện sức kháng gỉ tốt nhất trong bốn cấp thép.

Các đường cong gỉ cho một vài loại thép trong môi trường công nghiệp

1.7 Các đường cong gỉ cho một vài loại thép trong môi trường công nghiệp

Ở đây, cường độ chảy cũng được xác định ở độ giãn bằng 0,5% dưới tác dụng của tải trọng. Hoặc ở độ giãn bằng 0,2% theo định nghĩa bù như miêu tả trong hình 1.6. Khi xem xét đường cong ứng suất-biến dạng đầy đủ trong hình 1.5. Rõ ràng các thép được gia công nhiệt đạt cường độ chịu kéo dạng chóp và ứng suất giảm nhanh hơn so với thép không được xử lý nhiệt. Độ dẻo thấp hơn này có thể gây ra vấn đề trong một số tình huống khai thác. Do vậy, cần phải thận trọng khi sử dụng thép gia công nhiệt.

Ảnh hưởng của ứng suất lặp (sự mỏi)

Khái niệm về hiện tượng mỏi

Khi thiết kế kết cấu cầu thép, người thiết kế phải nhận thức được ảnh hưởng của ứng suất lặp. Xe cộ đi qua bất kỳ vị trí xác định nào đều lặp đi lặp lại theo thời gian. Trên đường cao tốc xuyên quốc gia, số chu kỳ ứng suất lớn nhất có thể hơn một triệu lần mỗi năm.

Các ứng suất lặp này được gây ra bởi tải trọng sử dụng và giá trị lớn nhất của ứng suất trong thép cơ bản của mặt cắt ngang nào đó sẽ nhỏ hơn so với cường độ của vật liệu. Tuy nhiên, nếu có hiện tượng tăng ứng suất do sự không liên tục về vật liệu hoặc về hình học. Ứng suất tại nơi gián đoạn có thể dễ dàng lớn gấp hai hoặc ba lần ứng suất được tính toán từ tải trọng sử dụng. Ngay cả khi ứng suất cao này tác dụng không liên tục, nếu nó lặp đi lặp lại nhiều lần thì hư hỏng sẽ tích luỹ. Vết nứt sẽ hình thành và sự phá hoại cấu kiện có thể xảy ra.

Cơ chế phá hoại này, bao gồm biến dạng và sự phát triển vết nứt dưới tác động của tải trọng sử dụng. Mà nếu tự bản thân nó thì không đủ gây ra phá hoại. Được gọi là mỏi. Thép bị mỏi khi chịu mức ứng suất trung bình nhưng lặp lại nhiều lần. Mỏi là một từ xác đáng để mô tả hiện tượng này.

Xác định cường độ mỏi của kết cấu thép

Cường độ mỏi không phải là một hằng số vật liệu như cường độ chảy hay mô đun đàn hồi. Nó phụ thuộc vào cấu tạo cụ thể của mối nối. Thực tế, chỉ có thể được xác định bằng thực nghiệm. Vì hầu hết các vấn đề tập trung ứng suất do sự không liên tục về hình học và vật liệu có liên quan đến liên kết hàn. Nên hầu hết các thí nghiệm về cường độ mỏi được thực hiện trên các loại mối hàn.

Quá trình thí nghiệm đối với mỗi liên kết hàn là cho một loạt mẫu chịu một biên độ ứng suất S nhỏ hơn cường độ chảy của thép cơ bản. Và lặp lại ứng suất này với N chu kỳ cho tới khi  liên kết phá hoại. Khi giảm biên độ ứng suất, số chu kỳ lặp dẫn đến phá hoại tăng lên. Kết quả thí nghiệm thường được biểu diễn bằng biểu đồ quan hệ giữa log S và log N. Một biểu đồ S-N điển hình cho môt liên kết hàn được cho trong hình sau.

Tại một điểm bất kỳ trên biểu đồ, giá trị ứng suất là cường độ mỏi và số chu kỳ là tuổi thọ mỏi tại mức ứng suất đó. Chú ý rằng, khi biên độ ứng suất giảm tới một giá trị đặc trưng. Số chu kỳ ứng suất có thể tăng không giới hạn mà không gây ra phá hoại. Ứng suất giới hạn này được gọi là giới hạn mỏi của liên kết.

Biểu đồ S-N điển hình cho các mối nối hàn

Biểu đồ S-N điển hình cho các mối nối hàn kết cấu thép

 Ảnh hưởng của cường độ của vật liệu cơ bản đến cường độ mỏi

Cường độ mỏi của kết cấu thép so sánh với cường độ tĩnh

Cường độ mỏi của kết cấu thép so sánh với cường độ tĩnh

Cường độ mỏi của các bộ phận không hàn tăng theo cường độ chịu kéo của vật liệu cơ bản. Cường độ mỏi này được biểu diễn trên hình trên cho cả các mẫu tròn đặc và mẫu có lỗ. Tuy nhiên, nếu thép cường độ cao được sử dụng trong các cấu kiện hàn thì không có sự tăng trong cường độ mỏi.

Sở dĩ có sự khác nhau trong ứng xử này là vì trong vật liệu không hàn, vết nứt phải được hình thành trước khi chúng có thể phát triển. Trong khi ở các mối nối hàn, vết nứt đã có sẵn và tất cả chúng chỉ cần phát triển. Mức độ phát triển vết nứt không thay đổi nhiều theo cường độ chịu kéo. Do đó, cường độ mỏi của mối hàn không phụ thuộc vào loại thép được liên kết.

Ảnh hưởng của ứng suất dư đến cường độ mỏi của kết cấu thép

Mối hàn sẽ không được giảm ứng suất nên có thể giả thiết rằng, ứng suất dư sẽ tồn tại ở đâu đó trong liên kết. Nếu một chu kỳ ứng suất có biên độ S tác dụng thì biên độ ứng suất thực tế sẽ chạy từ sr tới sr ± S. Do vậy biên độ ứng suất danh định vẫn là S. Do đó, có thể biểu diễn ứng xử mỏi của một mối hàn chỉ phụ thuộc vào biên độ ứng suất. Mà không cần biết ứng suất lớn nhất và nhỏ nhất thực tế. Trong Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05, mỏi do tải trọng gây ra được xem xét phụ thuộc vào biên độ ứng suất và ứng suất dư được bỏ qua.

Kết luận về mỏi trong kết cấu thép

Mỏi là nguyên nhân phổ biến nhất gây phá hoại thép. Chủ yếu là do vấn đề này không được nhận thức đầy đủ trong giai đoạn thiết kế. Sự chú ý thích đáng đến việc lựa chọn mối nối và cấu tạo chi tiết cũng như hiểu biết về các yêu cầu của tải trọng sử dụng. Ta có thể loại trừ hầu hết các vết nứt phá hoại. Trong khi sự bỏ qua các nhân tố này có thể dẫn đến thảm hoạ.

Sự phá hoại giòn trong kết cấu thép

Một kỹ sư thiết kế cầu phải hiểu những điều kiện là nguyên nhân gây ra phá hoại giòn trong kết cấu khhung thép. Phải tránh phá hoại giòn vì chúng không dẻo và có thể xảy ra ở ứng suất tương đối thấp. Khi có những điều kiện này, vết nứt có thể lan truyền rất nhanh và sự phá hoại đột ngột có thể xảy ra.

Một trong những nguyên nhân của phá hoại giòn là trạng thái ứng suất kéo ba trục. Có thể xuất hiện ở một khe, rãnh trong một bộ phận hoặc do sự không liên tục bị cản trở trong một liên kết hàn.

Nhà kết cấu thép thường sử dụng mối hàn và bu long để kết nối

Nhà kết cấu thép thường sử dụng mối hàn và bu long để kết nối

Phá hoại giòn còn có thể xảy ra do nhiệt độ môi trường thấp. Thép công trình thể hiện tính dẻo ở nhiệt độ trên 0oC nhưng chuyển thành giòn khi nhiệt độ giảm.

Liên kết hàn của kết cấu thép cần được cấu tạo để tránh ứng suất kéo ba chiều và khả năng phá hoại giòn. Một ví dụ là liên kết hàn của sườn tăng cường ngang trung gian với dầm ghép. Trước đây, sườn tăng cường này thường được thiết kế có chiều cao bằng chiều cao vách. Được hàn cả vào biên nén và biên kéo. Nếu sườn tăng cường được hàn vào biên kéo như trong hình trên. Thì sự cản trở biến dạng của mối hàn khi nguội theo ba phương sẽ sinh ra ứng suất căng ba chiều trong vách. Đây là điều kiện thuận lợi để dẫn đến phá hoại giòn trong kết cấu thép. Đặc biệt khi đồng thời có sự giảm nhiệt độ hoặc có sự không hoàn hảo về vật liệu. Vì vậy, ngày nay, sườn tăng cường ngang không được phép hàn vào biên kéo.

Thép cuộn thành phẩm

Sắt và thép trong xây dựng

Sắt và thép là vật liệu quan trong trong xây dựng hiện đại. Sắt đã được sử dụng rộng rãi trong đời sống khoảng 6000 năm nay.

Sắt và thép vật liệu quan trọng trong cuộc sống

Khi nhắc đến các công trình vĩ đại nhất của thế kỷ 19 như tháp Eiffel, điện Capitol, Tượng Nữ thần Tự do bạn sẽ  nghĩ đến sắt và thép. Sắt là nguyên tố phổ biến thứ tư trong lớp vỏ Trái đất và là một trong những kim loại có độ cứng và rẻ. Nó đã trở thành một vật liệu xây dựng quan trọng cuộc Cách mạng Công nghiệp. Không những vậy, sắc cũng là một yếu tố thiết yếu trong đời sống động thực vật.

Công nhân lắp đặt khung thép đúng kỹ thuật và bản vé

Một nhà dân dụng dùng khung thép

Khi kết hợp với lượng carbon khác nhau (nhưng rất nhỏ), sắt tạo ra một vật liệu mạnh hơn nhiều gọi là thép. Thép được sử dụng trong mọi đồ vật từ dao kéo đến tàu chiến, tòa nhà chọc trời và tên lửa. Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn về hai vật liệu tuyệt vời này và tìm hiểu những gì làm cho chúng trở nên phổ biến!

Ảnh: Cây cầu bằng gang đầu tiên trên thế giới, sau đó ngôi làng Ironbridge ở Shropshire, Anh được đặt tên. Nó được xây dựng qua sông Severn bởi Abraham Darby III vào năm 1779 bằng cách sử dụng khoảng 384 tấn sắt. Bạn có thể đọc thêm về lịch sử và xây dựng của nó trên trang web chính thức của Ironbridge . Ảnh của Jason Smith với sự giúp đỡ của Wikimedia Commons .

Xem thêm>>> Lịch sử của thép và ứng dụng trong cuộc sống

Sắt như thế nào?

Thiên thạch từ vũ trụ có chứa vật liệu thép

Mẫu sắt từ thiên thạch

Sắt là một kim loại cứng, khỏe đủ cứng để hỗ trợ các cây cầu và các tòa nhà. Nhưng đó không phải là sắt nguyên chất. Những gì chúng ta có là hợp kim của sắt (sắt kết hợp với carbon và các nguyên tố khác), chúng ta sẽ giải thích chi tiết hơn trong trong phần sau.

Tính chất vật lý của sắt

Sắt nguyên chất là một kim loại màu trắng bạc, dễ gia công và tạo hình. Nó chỉ đủ mềm để cắt xuyên qua bằng cách sử dụng một con dao. Bạn có thể rèn sắt thành tấm và kéo nó thành dây. Giống như hầu hết các kim loại, sắt dẫn điện và nhiệt rất tốt và nó rất dễ bị từ hóa.

Tính chất hóa học của sắt

chúng ta hiếm khi gặp sắt nguyên chất bởi vì nó dễ dàng  kết hợp với oxy (từ không khí). Do vậy, nhược điểm lớn của sắt khi làm vật liệu xây dựng là nó phản ứng với không khí ẩm (trong một quá trình gọi là ăn mòn) để tạo thành oxit dễ vỡ, màu nâu đỏ mà chúng ta gọi là rỉ sét. Sắt phản ứng theo nhiều cách khác nữa quá với các nguyên tố khác nhau, từ carbon, lưu huỳnh và silicon đến các halogen như clo.

Nói chung, các hợp chất của sắt có thể được chia thành hai nhóm được gọi là sắt hoặc sắt (II) và sắt (III).

• Trong các hợp chất sắt (II), sắt có hóa trị (khả năng kết hợp hóa học) là +2. Ví dụ như sắt (II) oxit (FeO), một sắc tố (hóa chất tạo màu); sắt (II) clorua (FeCl 2 ), được sử dụng trong y học như là “cồn sắt”; và một hóa chất nhuộm quan trọng gọi là sắt (II) sulfate (FeSO 4 ).

• Trong các hợp chất sắt (III), hóa trị của sắt là +3. Các ví dụ bao gồm oxit sắt (III) (Fe 2 O 3 ), được sử dụng làm vật liệu từ tính trong những thứ như băng cassette và ổ cứng máy tính và cũng như một sắc tố sơn ; và sắt (III) clorua (FeCl 3 ), được sử dụng để sản xuất nhiều hóa chất công nghiệp.

• Đôi khi sắt (II) và sắt (III) có trong cùng một hợp chất. Một sắc tố sơn có tên Prussian blue thực sự là một hợp chất phức tạp của sắt (II), sắt (III) và xyanua với công thức hóa học Fe 4 [Fe (CN) 6.

Sắt đến từ đâu?

Sắt là nguyên tố phổ biến thứ tư trong lớp vỏ Trái đất (sau oxy, silic và nhôm ) và là kim loại phổ biến thứ hai (sau nhôm). Nhưng vì Sắt phản ứng rất dễ dàng với oxy nên nó không bao giờ được khai thác ở dạng nguyên chất (mặc dù thiên thạch là thỉnh thoảng phát hiện có chứa mẫu sắt nguyên chất). Giống như nhôm, hầu hết sắt có bên trong Trái đất tồn tại dưới dạng các oxit(hợp chất của sắt và oxy). Ôxít sắt tồn tại trong bảy quặng chính (khoáng sản thô, đá khai thác từ Trái đất).

Quặng khác nhau chứa lượng sắt khác nhau. Hematite và Magnetite có khoảng 70% sắt, limonite có khoảng 60%, pyrite và siderite có 50%, trong khi taconite chỉ có 30%. Sử dụng kết hợp cả khai thác sâu (dưới mặt đất) và khai thác lộ thiên (trên bề mặt). Thế giới sản xuất khoảng 1000 triệu tấn quặng sắt mỗi năm.

Các loại sắt

Sắt nguyên chất quá mềm và dễ phản ứng với nhiều công dụng thực sự. Vì vậy hầu hết “sắt” chúng ta có xu hướng sử dụng cho mục đích hàng ngày thực sự ở dạng hợp kim sắt. Sắt trộn với các nguyên tố khác (đặc biệt là carbon) để tạo ra kim loại khỏe hơn, các hình thức đàn hồi tốt hơn đó là thép. Nói rộng ra, thép là một hợp kim của sắt chứa tới khoảng <2% carbon. Trong khi các dạng sắt khác như gang  chứa khoảng 2% đến 4% carbon. Trên thực tế, có hàng ngàn loại sắt và thép khác nhau. Tất cả đều chứa một lượng hơi khác nhau của các nguyên tố hợp kim khác.

Gang

Sắt thô cơ bản được gọi là gang vì nó được sản xuất dưới dạng các khối đúc. Gang được tạo ra bằng cách nung một quặng sắt (giàu oxit sắt) trong lò cao. Lò nung công nghiệp khổng lồ, có hình dạng như một hình trụ. Trong đó các luồng khí nóng khổng lồ được bốc lên. Lò nung thường rất lớn. Một lò nung chứa hàng chục xe tải nguyên liệu thô và thường hoạt động liên tục trong nhiều năm mà không dừng. Bên trong lò, quặng sắt phản ứng hóa học với than cốc (một dạng than giàu carbon) và đá vôi.

Than cốc lấy oxy từ oxit sắt (trong một quá trình hóa học gọi là khử). Để lại một sắt lỏng tương đối tinh khiết. Trong khi đá vôi giúp loại bỏ các phần khác của quặng đá (bao gồm đất sét, cát và đá nhỏ), tạo thành chất thải gọi là xỉ . Sắt được tạo ra trong lò cao là một hợp kim chứa khoảng 90  đến 95 phần trăm sắt, 3 – 4 phần trăm cacbon. Chút ít các nguyên tố khác như silicon, mangan và phốt pho, tùy thuộc vào loại quặng được sử dụng. Gang là cứng hơn nhiều so với sắt nguyên chất. Nhưng vẫn quá giòn cho hầu hết các mục đích hàng ngày.

Gang là loại vật liệu cứng và giòn

Gang là loại vật liệu cứng và giòn

Gang thép

Một trong những tòa nhà bằng sắt nổi tiếng nhất thế giới, Tòa nhà Quốc hội ở Washington, DC có một mái vòm làm bằng 4.041.146kg (8.909.200 pound) bằng gang. Gang đơn giản là sắt lỏng đã được đúc: đổ vào khuôn và để nguội và cứng lại để tạo thành hình dạng cấu trúc hoàn thiện, chẳng hạn như ống, bánh răng hoặc dầm lớn cho một cây cầu sắt.

Gang thực sự là một dạng gang rất cơ bản, nhưng nó chỉ được đúc rất thô sơ vì nó thường được nấu chảy để tạo ra thép. Hàm lượng carbon cao của gang làm cho nó cực kỳ cứng và giòn. Các tinh thể carbon lớn nhúng trong gang ngăn không cho tinh thể sắt di chuyển. Gang có hai nhược điểm lớn: thứ nhất, vì nó cứng và giòn; thứ hai, nó bị ăn mòn tương đối dễ dàng. Trên thực tế có một số loại gang khác nhau, bao gồm cả gang trắng và xám (được đặt tên theo màu của sản phẩm hoàn chỉnh gây ra bởi cách thức hoạt động của carbon bên trong).

Sắt non (sắt phôi)

Gang giả định hình dạng hoàn thiện của nó ngay khi hợp kim sắt lỏng nguội đi trong khuôn. Sắt non là một vật liệu rất khác nhau được tạo ra bằng cách trộn sắt lỏng với một số xỉ (chất thải còn sót lại). Kết quả là một hợp kim sắt có hàm lượng carbon thấp hơn nhiều. Sắt non mềm hơn gang và ít dẻo dai hơn. Vì vậy bạn có thể làm nóng nó để tạo hình tương đối dễ dàng, và nó cũng ít bị rỉ sét hơn. Tuy nhiên, sắt non tương đối ít được sản xuất thương mại. Vì hầu hết các vật thể ban đầu được sản xuất từ nó đều được làm từ thép, vừa rẻ hơn, vừa có chất lượng ổn định hơn. Sắt non là thứ mà người ta thường sử dụng trước khi họ thực sự thành thạo việc chế tạo thép với số lượng lớn vào giữa thế kỷ 19.

Các loại thép

Nói một cách chính xác, thép chỉ là một loại hợp kim của sắt. Nhưng nó có hàm lượng carbon thấp hơn nhiều so với gang và sắt non và các kim loại khác thường được thêm vào để tạo thêm tính chất. Thép là một vật liệu hữu ích đáng kinh ngạc đến mức chúng ta có xu hướng nói về nó như thể nó là một kim loại đầu bảng.

Một kim loại hiện đại hơn, mạnh mẽ hơn và xuất hiện ở hầu  hết các vật dụng. Tuy nhiên, điều quan trọng là thép vẫn được làm từ sắt. Thứ hai, có hàng ngàn loại thép khác nhau. Nhiều loại trong số chúng được các nhà khoa học vật liệu thiết kế để thực hiện một công việc cụ thể trong điều kiện rất chính xác. Khi nói về thép, chúng ta thường nghĩa có vào bốn nhóm: thép carbon, thép hợp kim, thép công cụ, và thép không gỉ. Những tên này có thể gây nhầm lẫn, bởi vì tất cả thép hợp kim đều chứa carbon.

Thép cuộn dây

Thép cuộn thành phẩm

Thép carbon

Thép được sản xuất mỗi ngày (khoảng 80% 90%) lchính là thép carbon. Mặc dù nó chỉ chứa một lượng nhỏ carbon đôi khi ít hơn 1%. Nói cách khác, thép carbon chỉ là thép cơ bản, thông thường. Thép có khoảng 1% đến 2% carbon được gọi là thép carbon cao. Giống như gang, chúng có xu hướng cứng và giòn. Loại thép có ít hơn 1% carbon được gọi là thép carbon thấp và giống như sắt non, mềm hơn và dễ tạo hình hơn. Một loạt các vật dụng hàng ngày khác nhau được làm bằng thép carbon, từ thân xe và vỏ tàu chiến cho đến lon thép và các bộ phận động cơ.

Thép hợp kim

Thép hợp kim có chứa một hoặc nhiều nguyên tố khác, chẳng hạn như crôm , đồng , mangan, niken , silic hoặc vanadi. Trong thép hợp kim, chính những yếu tố bổ sung này tạo ra sự khác biệt và tạo ra một số tính năng bổ sung quan trọng hoặc tính chất được cải thiện so với thép carbon thông thường. Thép hợp kim thường mạnh hơn, cứng hơn, cứng hơn và bền hơn thép carbon.

Thép công cụ

Thép công cụ đặc biệt là thép hợp kim cứng được sử dụng để chế tạo công cụ, khuôn và bộ phận máy. Chúng được làm từ sắt và carbon với các nguyên tố được thêm vào như niken, molypden hoặc vonfram để tăng thêm độ cứng và khả năng chống mòn. Thép công cụ cũng được tăng cường bởi một quá trình gọi là ủ. Trong đó đầu tiên thép được nung ở nhiệt độ cao. Sau đó được làm lạnh rất nhanh và lại được nung lại ở nhiệt độ thấp hơn.

Thép không gỉ

Loại thép mà bạn có thể thấy thường xuyên nhất là thép không gỉ dùng trong dao kéo, kéo và dụng cụ y tế. Thép không gỉ chứa tỷ lệ crôm và niken cao , có khả năng chống ăn mòn và các phản ứng hóa học khác. Thép không gỉ dễ dàng để làm sạch, đánh bóng và khử trùng. Chúng chống ăn mòn vì các nguyên tử crom phản ứng với oxy trong không khí tạo thành một lớp vỏ ngoài. Có nhiệm vụ bảo vệ ngăn chặn oxy và nước tấn công các nguyên tử sắt dễ bị tổn thương bên trong.

Quy trình chế tạo thép

Có ba giai đoạn chính liên quan đến việc tạo ra một sản phẩm thép. Đầu tiên, bạn làm thép từ sắt. Thứ hai, bạn xử lý thép để cải thiện tính chất của nó (có thể bằng cách tôi luyện hoặc mạ nó bằng kim loại khác). Cuối cùng, bạn cuộn hoặc định hình thép thành sản phẩm.

Làm thép từ sắt

Hầu hết thép được làm từ gang (hãy nhớ: đó là một hợp kim sắt chứa tới 4% carbon) bằng một trong nhiều quy trình khác nhau được thiết kế để loại bỏ một số carbon và (tùy ý) thay thế một hoặc nhiều yếu tố khác.

Ba quy trình sản xuất thép chính là:
• Quá trình oxy cơ bản (BOP) :

Thép được chế tạo trong một thùng chứa hình quả trứng khổng lồ, mở ở đỉnh, được gọi là lò oxy cơ bản, tương tự như lò cao thông thường, chỉ có thể xoay sang một bên để đổ ra kim loại thành phẩm. Dự thảo không khí được sử dụng trong lò cao được thay thế bằng việc bơm oxy nguyên chất qua một đường ống gọi là cây thương. Ý tưởng cơ bản dựa trên quá trình Bessemer được phát triển bởi Sir Henry Bessemer vào những năm 1850.

• Quá trình lò sưởi mở (còn gọi là lò sưởi mở tái sinh):

Một chút giống như một lò sưởi khổng lồ trong đó gang, thép phế liệu và quặng sắt được đốt bằng đá vôi cho đến khi chúng hợp nhất với nhau. Thêm nhiều gang, carbon không mong muốn kết hợp với oxy, các tạp chất được loại bỏ khi xỉ và sắt chuyển thành thép nóng chảy. Công nhân lành nghề lấy mẫu thép và tiếp tục quá trình cho đến khi bàn ủi có hàm lượng carbon chính xác để tạo ra một loại thép cụ thể.

Quy trình lò điện :

Bạn không nấu bữa tối với lửa mở, vậy tại sao làm thép theo cách nguyên thủy như vậy? Đó là suy nghĩ đằng sau lò điện, sử dụng các vòng cung điện (tia lửa khổng lồ thực sự) để nấu chảy gang hoặc thép phế liệu. Vì chúng dễ điều khiển hơn nhiều, lò điện thường được sử dụng để chế tạo thép hợp kim, carbon và thép công cụ có thông số kỹ thuật cao hơn.

Quy trình sản xuất thép

Quy trình sản xuất thép

Làm thép

Thép lỏng được chế tạo bởi một trong những quy trình này được đúc thành những thanh lớn gọi là thỏi , mỗi thanh nặng khoảng vài tấn (trong các nhà máy thép điển hình) đến hàng trăm tấn (trong các nhà máy thực sự lớn tạo ra các vật thể thép khổng lồ). Các thỏi được cuộn và ép để tạo ra ba loại “khối xây dựng” cơ bản được gọi là nở hoa (thanh khổng lồ có đầu vuông), phiến (nở hoa có đầu hình chữ nhật) và phôi (dài hơn nở hoa nhưng có đầu vuông nhỏ hơn).

Những khối này sau đó được định hình và làm việc để tạo ra tất cả các loại sản phẩm thép cuối cùng. Quá trình tạo hình cơ bản thường bao gồm cán nóng (ví dụ, hâm nóng nở hoa và sau đó lăn chúng nhiều lần để làm cho chúng mỏng hơn). Dầm được chế tạo bằng cách cán thép sau đó buộc nó qua khuôn hoặc máy phay để tạo ra những thứ như dầm cho các tòa nhà và đường ray xe lửa. Các con lăn rất gần nhau có thể được sử dụng để ép thép thành các tấm cực mỏng. Các đường ống được tạo ra bằng cách bọc các tấm tròn thành vòng tròn sau đó buộc hai cạnh lại với nhau để chúng hợp nhất dưới áp lực nơi chúng tham gia.

Thép định hình có thể được xử lý thêm bằng mọi cách. Ví dụ: “hộp thiếc” cho hộp đựng thực phẩm (phần lớn là thép) được chế tạo bằng cách mạ điện các tấm thép bằng thiếc nóng chảy bằng quy trình điện phân (đảo ngược quá trình điện hóa xảy ra trong pin ). Thép cần đặc biệt chịu được thời tiết có thể được mạ kẽm (nhúng vào bể nước nóng chảy của kẽm nóng chảy để có được lớp phủ bảo vệ tổng thể).

Tại sao một loại sắt và thép cứng hơn hoặc mềm hơn loại khác?

Trong tất cả các cuộc thảo luận về sắt và thép này, bạn sẽ nhận thấy rằng các loại khác nhau hoạt động gần giống như các vật liệu hoàn toàn khác nhau trong các điều kiện khác nhau. Điều gì làm cho một dạng sắt hoặc thép khác với một dạng khác? Tại sao một số rất cứng và giòn trong khi một số khác tương đối mềm và dễ uốn (dễ làm việc)?

Nhìn ngang cấu trúc bên trong của sắt hoặc thép dưới kính hiển vi điện tửvà bạn sẽ thấy rằng câu trả lời chủ yếu tập trung vào lượng sắt chứa bao nhiêu và cách phân phối của nó. Sắt và thép bao gồm các loại ngũ cốc được làm từ các loại sắt và carbon khác nhau, một số trong số đó là cứng, trong khi những loại khác là mềm. Khi các loại khó hơn chiếm ưu thế, bạn sẽ có được một vật liệu cứng và giòn; khi có nhiều loại mềm hơn ở giữa, vật liệu có thể uốn cong và uốn cong để bạn có thể làm việc và định hình nó dễ dàng hơn.

Các hợp chất bên trong sắt và thép bao gồm một số hoặc tất cả những điều sau đây:

• Ferrite : Sắt tương đối nguyên chất với lượng carbon nhỏ, mềm và dễ tạo hình. Cung cấp cho sắt tính chất từ tính của nó.

• Xi măng (cacbua sắt): Sắt có nhiều carbon hơn (và đôi khi là các nguyên tố khác) rất cứng và giòn. Về cơ bản hoạt động như một vật liệu gốm.

• Than chì : Các tinh thể carbon tinh khiết, làm cho hợp kim sắt cứng và giòn.

• Pearlite : Một hỗn hợp được tạo thành từ các lớp ferrite và xi măng xen kẽ trông giống như xà cừ dưới kính hiển vi (do đó có tên là “Pearlite”).

• Austenite : Một hợp kim của sắt và carbon có trong thép được nung nóng đến nhiệt độ cao.

• Martensite : Tương tự như ferrite nhưng khó hơn nhiều.

Các loại sắt và thép khác nhau chứa lượng khác nhau của các thành phần này được sắp xếp trong các cấu trúc tinh thể khác nhau. Chế tạo hợp kim sắt hoặc thép bằng phương pháp này hay phương pháp khác sẽ thay đổi lượng tương đối của các thành phần, làm thay đổi tính chất của nó. Xử lý thép theo những cách khác nhau sau khi nó thay đổi tính chất vật lý của nó bằng cách thay đổi cấu trúc tinh thể bên trong của nó. Ví dụ, thép xử lý nhiệt thay đổi austenite bên trong nó thành martensite, làm cho cấu trúc bên trong của nó khó khăn hơn rất nhiều. Thép rèn và cán thép phá vỡ các tinh thể than chì và các tạp chất khác ẩn giấu bên trong nó, đóng lại bất kỳ khoảng trống nào có thể dẫn đến các điểm yếu và thường tạo ra cấu trúc tinh thể đều đặn hơn.

Sơ lược về lịch sử sắt thép

• 4000 BCE: Sắt được sử dụng đầu tiên cho đồ trang trí và trang trí, có lẽ ở Trung Đông.

• 2500 BCE: Sắt được sử dụng trên quy mô lớn lần đầu tiên bởi người Hittites, trong một khu vực hiện đang bị Thổ Nhĩ Kỳ và Syria chiếm đóng.

• 1200 BCE: Sắt rèn (tương tự như thép) được phát triển.

• 1000 BCE: Thời đại đồ sắt bắt đầu: sắt được sử dụng rộng rãi để chế tạo công cụ và vũ khí ở nhiều nơi trên thế giới.

• 200 BCE: Các vật thể bằng gang được sản xuất tại Trung Quốc.

• 300BCE sâu 400CE: Lò thép đầu tiên được sử dụng ở Châu Phi, Ấn Độ và Trung Quốc.

• 500 Chân 1000 CE: Thợ rèn làm ra nhiều đồ sắt quan trọng bao gồm vũ khí, lưỡi cày và móng ngựa.

• 700: Một lò luyện sắt hiệu quả được gọi là lò rèn Catalan được phát triển ở Tây Ban Nha.

• 1200 Lò1500: Lò cao được cung cấp bởi vòi nước trở nên phổ biến.

• 1709: Trước tiên, Abraham Darby sử dụng than cốc (một loại than) để sản xuất gang ở Coalbrookdale ở Shropshire ở Midlands của Anh. Cháu trai của ông, Abraham Darby III, sử dụng gang để làm một cây cầu sắt nổi tiếng tại một nơi được gọi là “Ironbridge”, được coi rộng rãi là trung tâm của Cách mạng Công nghiệp Anh.

• 1856: Henry Bessemer công bố phát minh của mình về bộ chuyển đổi Bessemer, một lò oxy cơ bản có thể chuyển đổi sắt thành thép với số lượng rất lớn, thương mại.

• 1861: Hai anh em William và Frederick Siemens phát triển lò sưởi mở

• 1879: William Siemens phát minh ra lò điện.

• 1954: Quá trình oxy cơ bản hiện đại được phát minh.

Thép được sử dụng để làm gì?

Thép là một trong những vật liệu linh hoạt nhất, được sử dụng trong mọi thứ, từ động cơ phản lực đến dụng cụ phẫu thuật và từ dao bàn đến máy công cụ. Hầu hết các tòa nhà hiện đại đều “lặng lẽ” được hỗ trợ bởi bộ xương thép, một cấu trúc bên trong bí mật, trở nên vô hình khi chúng hoàn thành. Những người tiêu dùng chính của thép bao gồm các ngành công nghiệp ô tô và đóng tàu, công nghiệp xây dựng, sản xuất lon thực phẩm và các nhà sản xuất thiết bị điện.

Kết cấu thép có nhiều ứng dụng trên một loạt các ngành công nghiệp như xây dựng, sản xuất, vận chuyển, khai thác, đóng tàu, năng lượng và đóng gói. Nó là kim loại được ưa thích nhất bởi các kiến ​​trúc sư, nhà thiết kế, kỹ sư, nhà thầu và nhà chế tạo. Nó có độ bền cao, chống ăn mòn, độ bền kéo và giá cả phải chăng. Dưới đây là một vài ứng dụng kết cấu thép trong các ngành công nghiệp khác nhau:

Xây dựng

Kết cấu thép có nhiều ứng dụng trong ngành xây dựng. Nó được sử dụng trong thiết kế và xây dựng không gian công nghiệp. Thép kết cấu có tỷ lệ cường độ và trọng lượng cao, lý tưởng để sử dụng trong việc xây dựng các kết cấu lớn như tòa nhà, nhà kho, cầu, nhà máy… Dầm, khung thép, cột, thanh, dầm, tấm và nhiều thứ khác được tạo ra bởi kết cấu thép chế tạo được sử dụng trong ngành công nghiệp xây dựng.

Một công trình xây dựng dùng khung thép là cột và dầm chịu lực chính

Một công trình xây dựng dùng khung thép là cột và dầm chịu lực chính

Vận chuyển

Kết cấu thép được sử dụng để sản xuất xe tải, truyền, xe lửa, đường ray và tàu, xích neo, gầm máy bay và các thành phần động cơ phản lực. Hầu hết các phương tiện này chứa một tỷ lệ lớn của kết cấu thép. Các kỹ sư và nhà thiết kế lựa chọn thép kết cấu vì tính đàn hồi, chống ăn mòn, độ bền kéo, độ dẻo, tính dễ uốn và khả năng chi trả.

Khai thác mỏ

Ngành công nghiệp khai thác có nhiều ứng dụng của kết cấu thép. Hầu hết các yếu tố trong cơ sở hạ tầng khai thác được xây dựng bằng thép kết cấu. Tất cả các nhà xưởng, văn phòng, các yếu tố cấu trúc của các mỏ như màn hình khai thác, nồi hơi tầng sôi, các tòa nhà được làm bằng thép kết cấu. Kết cấu thép dễ dàng để làm sạch vì bề mặt mịn của nó do đó làm cho nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho ngành công nghiệp khai thác mỏ.

Đóng tàu

Hầu hết các phương tiện hàng hải được tạo ra bằng cách sử dụng thép kết cấu. Nó được sử dụng để chế tạo tàu siêu tốc, tàu ngầm, thuyền, thang, sàn thép và lưới sắt, cầu thang và các phần được chế tạo bằng thép. Kết cấu thép có thể chịu được nhiều áp lực bên ngoài, nó không bị rỉ sét và có thể được đúc thành bất kỳ hình dạng nào một cách dễ dàng; những phẩm chất này làm cho kết cấu thép cực kỳ hữu ích trong ngành công nghiệp đóng tàu.

Thép cuộn tấm

Thép cuộn tấm

Năng lượng

Có nhiều ứng dụng kết cấu thép trong lĩnh vực năng lượng. Ngành năng lượng bao gồm năng lượng gió, năng lượng hạt nhân, năng lượng điện và khí đốt tự nhiên. Rất nhiều cấu trúc công nghiệp như tháp truyền tải, đường ống, tua bin gió, nam châm điện, lõi máy biến áp, giếng dầu và khí đốt được chế tạo bằng thép kết cấu. Ngoài ra, còn có nhiều ứng dụng kết cấu thép khác trong lĩnh vực năng lượng.

Lò luyện sắt từ quặng

Lịch sử của vật liệu thép và ứng dụng trong cuộc sống

Vật liệu thép ra đời từ khi nào? Lịch sử phát triển của vật liệu thép ra sao? Tại sao thép lại được ứng dụng nhiều trong xây dựng hiện đại?

Sự ra đời phát triển của vật liệu thép và ứng dụng trong xây dựng hiện đại

Vật liệu thép ra đời từ rất sớm, trước khi cả những cây cầu, dầm chữ I và những tòa nhà chọc trời  bằng vật liệu thép mọc lên. Nguồn gốc của thép bắt đầu từ trong những ngôi sao trong vũ trụ.

Sự ra đời của vật liệu thép

Lịch sử vũ trụ ra  đời không biết từ bao giờ? Có thể trước khi Trái đất tồn tại. Các ngôi sao cháy sáng đã hợp nhất các nguyên tử thành sắt và carbon. Trải qua vô số vụ nổ vũ trụ và tái sinh, những vật liệu này lao vào các tiểu hành tinh và các hành tinh khác. Cuối cùng, đá và kim loại đó đã hình thành Trái đất, nơi sinh ra loài người chúng ta.

Thiên thạch có nguồn gốc từ vũ trụ mang sắt và thép đến trái đất

Thiên thạch có nguồn gốc từ vũ trụ mang sắt và thép đến trái đất

Vào một ngày lịch sử, một số người tình cờ tìm thấy một thiên thạch lấp lánh, chủ yếu là sắt và niken, Chúng là những thiên thạch bắn xuyên qua bầu khí quyển và rơi xuống đất. Và thiên thạch bắn phá trái đất là nỗi ám ảnh cho tất cả các loài. Trải qua hàng thiên niên kỷ, tổ tiên của chúng ta đã biết chế tạo vật liệu. Khám phá ra những cách tốt hơn để sử dụng sắt từ chính Trái đất và cuối cùng để nung chảy biến nó thành thép. Ban đầu chúng được chế tạo chủ yếu làm vũ khí trong chiến tranh. Và dần với sự phát triển nền kinh tế toàn cầu, với những phát minh khoa học, vật liệu thép được sử dụng để xây dựng những cấu trúc vĩ đại nhất mà thế giới từng biết.

Vật liệu thép – Kim loại từ thiên đường

Sắt có nguồn gốc từ thiên thạch.

Vật liệu sắt được đào lên từ mặt đất, có hàm lượng niken cao hơn. Chúng được con người nung chảy để tạo ra những dụng cụ sắc bén cần thiết. Trong những khám phá, các nhà nghiên cứu người Anh đã phát hiện ra rằng không chỉ dao găm của Vua Tut mà hầu như tất cả các hàng hóa bằng sắt có từ thời đại đồ đồng đều được làm từ sắt rơi từ trên trời xuống.

Thiên thạch từ vũ trụ có chứa vật liệu thép

Thiên thạch từ vũ trụ có chứa vật liệu thép

Đối với tổ tiên của chúng ta, hợp kim kỳ lạ này có vẻ như đã được gửi bởi các thực thể ngoài sự hiểu biết của chúng ta. Người Ai Cập cổ đại gọi nó là biz-n-pt . Ở Sumer, nó được gọi là an-bar . Cả hai đều được dịch sang là kim loại từ thiên đường. Loại Hợp kim sắt – niken dẻo dai và dễ dàng nung chảy và tạo hình mà không bị vỡ. Nhưng nguồn nguyên liệu này cực kỳ hạn chế. Đa số được khai thác từ các thiên thạch rơi xuống trái đất. Chính điều này mà con người thời bấy giờ nó là kim loại của các vị thần và có giá trị hơn đá quý hoặc vàng.

Vua Tut có một con dao găm làm bằng sắt, một vật quý giá trong thế giới cổ đại. Khi nhà khảo cổ học người Anh Howard Carter tìm thấy lăng mộ của Tutankhamun gần một thế kỷ trước. Ông đã chú ý đến cổ vật đặc biệt này. Vào thời điểm đó, các nhà khảo cổ học chưa biết rằng lưỡi của con dao găm được làm từ hợp kim sắt có nguồn gốc từ các thiên thạch đến từ không gian.

Con dao của vua Tut có lưỡi được xác định là hợp chất thép từ các mảnh thiên thạch

Con dao găm của vua Tut có lưỡi được xác định là hợp chất sắt từ các mảnh thiên thạch

Nhưng phải mất hàng ngàn năm, khi con người bắt đầu tìm kiếm những vật liệu mới. Khoảng 2.500 trước Công nguyên, các bộ lạc ở Cận Đông đã phát hiện ra một nguồn vật liệu kim loại đen bí ẩn dưới lòng đất. Nó trông giống như kim loại từ thiên đàng. Nhưng có gì đó khác biệt, loại quặng này gồm sắt, đá và khoáng chất trộn lại với nhau. Khai thác kim loại sắt không giống như đi nhặt một mảnh vàng hoặc bạc nguyên chất. Bởi chúng là hợp chất. Chính vì vậy, để có được kim loại sắt phải trải qua quá trình tôi luyện dưới nhiệt độ cao. Loại bỏ hết các tạp chất mới ra được kim loại sắt. Thế giới cổ đại phải mất 700 năm nữa để tìm ra cách tách kim loại sắt ra khỏi quặng. Lúc này, thời đại đồ đồng mới thực sự kết thúc và thời đại đồ sắt bắt đầu lên ngôi.

Con đường từ sắt thành thép

Để tìm hiểu về vật liệu thép, trước tiên chúng ta phải hiểu về sắt. Bởi hai kim loại gần như một và giống nhau. Thép chứa nồng độ sắt từ 98 đến 99%. Phần còn lại là carbon, một phụ gia nhỏ nhưng tạo ra sự khác biệt lớn trong tính chất của vật liệu thép. Để có sự đột phá  tronng xây dựng với các tòa nhà chọc trời, trong những thế kỷ và thiên niên kỷ trước, các nền văn minh đã dần thay đổi kỹ thuật nung chảy để tạo ra sắt có tính chất gần hơn với thép.

Lò luyện sắt từ quặng

Lò luyện sắt từ quặng

Khoảng 1.800 năm trước công nguyên, một người dân Chalybes, vùng dọc Biển Đen muốn chế tạo một kim loại mạnh hơn đồng. Một thứ gì đó có thể được sử dụng để chế tạo vũ khí vô song. Họ đặt quặng sắt vào lò nung mềm ra, rồi mang ra rèn đập chúng. Sau khi lặp lại quá trình nhiều lần, Chalybes đã có vũ khí bằng sắt mạnh mẽ.

Những gì Chalybes làm được gọi là rèn sắt, một trong những tiền thân chính của thép hiện đại. Những người Chalybes sớm gia nhập đội quân Hittites hiếu chiến. Tạo ra một trong những đội quân hùng mạnh nhất trong lịch sử cổ đại. Không có vũ khí của quốc gia nào có thể chiến đấu lại với thanh kiếm sắt và cỗ xe đội quân Hittite.

Một nhánh khác của sắt đó chính là gang. Gang lần đầu tiên được sản xuất tại Trung Quốc cổ đại. Bắt đầu từ khoảng năm 500 trước Công nguyên, các thợ kim loại Trung Quốc đã xây dựng các lò nung cao 1,6m để nung chảy một lượng lớn sắt và gỗ. Các vật liệu được nấu chảy thành chất lỏng và đổ vào các khuôn chạm khắc, tạo ra các dụng cụ nấu ăn và tượng.

Ấn Độ nơi ra đời đầu tiên của luyện thép

Mặc dù cả sắt rèn và gang đều không phải là kim loại hoàn hảo. Sắt rèn của Chalybes chỉ chứa 0,8% carbon, do đó, nó không có độ bền kéo của thép. Gang Trung Quốc, với 2 – 4% carbon, giòn hơn thép. Các lò rèn ở vùng Biển Đen cuối cùng đã bắt đầu đưa các thanh sắt vào đống than nóng, tạo ra sắt rèn bọc thép. Nhưng ở Nam Á, một nhóm cư dân đã có một ý tưởng tốt hơn. Ấn Độ là nơi tạo ra thép đầu tiên.

400 năm trước Công nguyên, các thợ kim loại Ấn Độ đã phát minh ra một phương pháp luyện kim để liên kết lượng carbon với sắt. Chìa khóa của phát mình này chính là đất sét. Đất sét được nặn thành nồi để chứa kim loại nóng chảy và được gọi là nồi nấu kim loại. Các công nhân đặt các thanh sắt nhỏ và các mẩu than vào nồi nung, sau đó đưa chúng vào lò nung. Khi họ tăng nhiệt độ lò bằng cách cung cấp thêm không khí từ ống thổi. Sắt nhanh chóng tan chảy và hấp thụ carbon trong than. Khi làm nguội nồi nung cho ra đời loại thép nguyên chất.

Một ví dụ về nồi nấu đất sét sớm được phát hiện ở Đức.

Một ví dụ về nồi nấu đất sét sớm được phát hiện ở Đức.

Các thương nhân của Ấn Độ đã vận chuyển và buôn bán thép của họ trên khắp thế giới. Ở Damascus, những người thợ rèn Syria đã sử dụng kim loại để rèn những thanh kiếm thép Damascus nổi tiếng, gần như thần thoại, được cho là đủ sắc bén để cắt đứt sợi tóc giữa không trung. Thép Ấn Độ đến Toledo, Tây Ban Nha, nơi những người thợ rèn rèn kiếm cho quân đội La Mã.

Trong các chuyến hàng đến Rome, các thương nhân Abyssin từ Đế quốc Ethiopia đã cố tình lừa dối người La Mã rằng thép là từ Seres, từ tiếng Latin của Trung Quốc. Chính vì vậy, vậy Rome nghĩ rằng thép đến từ một nơi quá xa để chinh phục. Người La Mã đã mua thép Seres của họ. Ngoài sử dụng làm vũ khí, người Rome còn dùng để chế tạo ra các công cụ cơ bản và thiết bị xây dựng.

Thời của sắt như một kim loại quý đã qua. Các chiến binh hung dữ nhất thế giới đều sử dụng thép làm vũ khí.

Thánh kiếm và thép Samurai

Theo truyền thuyết, thanh kiếm vĩ đại Excalibur rất hùng mạnh và đẹp đẽ. Từ Excalibur này có nghĩa là “thép cắt.” Nhưng nó không phải là thép. Từ thời vua Arthur qua thời trung cổ, châu Âu tụt lại phía sau trong sản xuất sắt thép.

Thanh kiếm bằng thép của người Viking

Thanh kiếm bằng vật liệu thép của người Viking

Khi đế chế La Mã sụp đổ (chính thức vào năm 476), châu Âu đã rơi vào hỗn loạn. Ấn Độ vẫn sản xuất vật liệu thép, nhưng nó không thể vận chuyển đến châu Âu một cách dễ dàng. Nơi những con đường không được bảo vệ, bị phục kích, và mọi người sợ bệnh dịch và bệnh tật. Ở Catalonia, Tây Ban Nha, thợ sắt đã phát triển lò nung tương tự như ở Ấn Độ. Lò nung của người Catalan đã sản xuất sắt rèn và rất nhiều kim loại đủ để làm móng ngựa, bánh xe cho xe ngựa, bản lề cửa và thậm chí cả áo giáp bọc thép.

Một công nghệ sản xuất kiếm thép độc đáo đã ra đời. Chúng được rèn bằng cách xoắn các thanh sắt. Quá trình này để lại gọng kiếm có hình xương cá độc đáo cũng như các hoa văn bên trong lưỡi kiếm. Người Viking giải thích các thiết kế là cuộn rồng, và những thanh kiếm như Vua Arthur của Excalibur và Tizona của El Cid trở thành thần thoại.

Tuy nhiên, những thanh kiếm tốt nhất trên thế giới lại được chế tạo ở phía bên kia của trái đất. Những người thợ rèn Nhật Bản đã phát triển một kỹ thuật bậc thầy để tạo ra những lưỡi kiếm sắc bén, nhẹ nhàng cho samurai. Các vũ khí này đã trở thành gia truyền, được truyền qua nhiều thế hệ và một vài món quà lớn ở Nhật Bản. Việc rèn kiếm thép cho samurai rất phức tạp và mang tính nghi thức.

Thợ rèn Nhật Bản sẽ tắm rửa sạch sẽ trước khi làm một thanh kiếm. Nếu cơ thể con người không thuần khiết, thì linh hồn quỷ dữ có thể xâm nhập vào lưỡi kiếm. Công việc rèn kiếm bắt đầu với sắt rèn. Khối vật liệu sắt được đốt nóng bằng than cho đến khi nó đủ mềm để gập lại. Sau khi được làm lạnh, thanh sắt lại tiếp tục được nung nóng và rèn. Khoảng 20 làm đi làm đi làm lại như vậy sẽ tạo ra hình dạng của lưỡi kiếm. Với quá trình tiếp xúc nhiều lần với than củi, vật liệu sắt dần trở thành vật liệu thép.

Katana có chữ ký của Masamune, được coi là kiếm sĩ vĩ đại nhất của Nhật Bản từ thời Kamakura, thế kỷ 14.

Katana có chữ ký của Masamune, được coi là kiếm sĩ vĩ đại nhất của Nhật Bản từ thời Kamakura, thế kỷ 14.

Lò luyện tháp đầu tiên trông giống như một chiếc đồng hồ cát.

Dọc theo thung lũng sông băng ở Đức ngày nay, các thợ kim loại đã phát triển một cỗ máy cao khoảng 3m. Có hai ống thổi đặt ở phía dưới, để chứa một lượng lớn quặng sắt và than củi. Lò cao trở nên nóng rực, sắt hấp thụ nhiều carbon hơn bao giờ hết. Hỗn hợp biến thành gang có thể dễ dàng đổ vào khuôn.

Lò luyện vật liệu thép

Lò luyện vật liệu thép

Đó là quá trình luyện gang mà người Trung Quốc đã thực hành trong 1.700 năm.

Nhưng sự bùng nổ của sắt đã tạo ra một vấn đề. Khi các cường quốc châu Âu bắt đầu mở rộng quyền lực trên toàn cầu, họ đã sử dụng một lượng gỗ khổng lồ, cả để đóng tàu và làm than để nấu chảy. Đế quốc Anh đã chuyển sang tìm kiếm các nguồn tài nguyên chưa được khai thác ở vùng đất mới Châu Mỹ. Kim loại sắt được sản xuất tại các thuộc địa.

Người Anh đã phát hiện ra sức mạnh của luyện kim với than. Nhưng họ vẫn không tạo ra được vật liệu thép.

Thợ làm đồng hồ và đóng đinh

Benjamin Huntsman đã thất vọng với sắt. Các hợp kim có sẵn cho thợ sửa đồng hồ từ Sheffield đã thay đổi quá nhiều cho công việc của anh ta, đặc biệt là chế tạo các lò xo tinh tế.

Trong thời gian rảnh rỗi, Huntsman đã thử nghiệm với quặng sắt và thử nghiệm các cách khác nhau để nấu chảy nó. Cuối cùng, ông đã đưa ra một quy trình khá giống với phương pháp sử dụng nồi nấu bằng đất sét của người Ấn Độ cổ đại. Tuy nhiên, kỹ thuật của Huntsman có hai điểm khác biệt chính: Anh ta sử dụng than đá thay vì than củi. Thay vì đặt nhiên liệu vào trong nồi nấu kim loại, anh ta nung nóng hỗn hợp sắt và carbon.

Các thỏi thép ra đời đồng đều hơn, mạnh hơn và ít giòn hơn. Đây  là loại thép tốt nhất mà châu Âu, và có lẽ cả thế giới, từng thấy. Đến những năm 1770, Sheffield trở thành điểm tựa quốc gia về sản xuất vật liệu thép. Bảy thập kỷ sau, cả nước biết quá trình này, và nhà máy thép của Anh luôn rực lửa.

Năm 1851, một trong những hội chợ đầu tiên trên thế giới được tổ chức tại London, Triển lãm lớn về các công trình công nghiệp của tất cả các quốc gia. Crystal Palace được xây dựng bằng gang và kính cho sự kiện này. Hầu hết mọi thứ bên trong đều được làm bằng sắt và thép. Đầu máy và động cơ hơi nước, đài phun nước và cột đèn, bất cứ thứ gì và mọi thứ có thể được đúc từ kim loại nóng chảy đều được trưng bày. Thế giới chưa bao giờ thấy bất cứ điều gì như thế.

Đột phá Bessemer

Henry Bessemer là một kỹ sư và nhà phát minh người Anh nổi tiếng với một số phát minh bao gồm sơn bằng đồng vàng, bàn phím cho máy sắp chữ và máy nghiền mía. Khi Chiến tranh Crimea nổ ra ở Đông Âu vào những năm 1850, ông đã chế tạo một quả đạn pháo mới. Ông đã cung cấp nó cho quân đội Pháp, nhưng những khẩu pháo bằng gang truyền thống thời bấy giờ quá dễ vỡ để bắn đạn pháo. Chỉ có thép có thể không bị vỡ.

Quá trình sản xuất thép nồi nấu kim loại quá tốn kém để sản xuất các mặt hàng lớn như đại bác, vì vậy Bessemer bắt đầu tìm cách sản xuất thép với số lượng lớn hơn. Một ngày nọ vào năm 1856, ông quyết định đổ gang vào thùng chứa thay vì để nó chảy vào rãnh. Khi ở trong container, Bessemer thổi khí qua các lỗ ở phía dưới. Mọi thứ vẫn bình thường trong khoảng 10 phút, và rồi đột nhiên tia lửa, ngọn lửa và gang nóng chảy ra từ container. Khi sự hỗn loạn kết thúc, vật liệu còn lại trong container là sắt nguyên chất, không chứa carbon.

Bức tranh sơn dầu của EF Skinner cho thấy thép được sản xuất bởi Bessemer Process tại Penistone Steel Works, South Yorkshire. Khoảng năm 1916.

Bức tranh sơn dầu của EF Skinner cho thấy thép được sản xuất bởi Bessemer Process tại Penistone Steel Works, South Yorkshire. Khoảng năm 1916.

Tác động của sự cố nấu chảy nổ này là khó để nói quá. Khi Bessemer sử dụng ống thổi trực tiếp trên gang nóng chảy, carbon liên kết với oxy từ các vụ nổ không khí, để lại sắt nguyên chất mà qua việc bổ sung các vật liệu chứa carbon như spiegeleisen, một hợp kim của sắt và mangan có thể dễ dàng được biến thành thép chất lượng cao.

Bessemer đã chế tạo một cỗ máy để thực hiện quy trình luyện thép. Lò luyện thép có hình dạng giống như một quả trứng với lớp lót đất sét bên trong và bên ngoài bằng thép cứng. Ở phía trên, một lỗ nhỏ phun ra ngọn lửa cao 9m khi không khí thổi vào lò.

Một vấn đề nảy sinh trong xưởng sắt của Anh. Hóa ra Bessemer đã sử dụng một loại quặng sắt chứa rất ít phốt pho, trong khi hầu hết các mỏ quặng sắt đều giàu phốt pho. Các phương pháp luyện gang cũ đáng tin cậy đã loại bỏ phốt pho. Nhưng lò luyện thep Bessemer thì không, nó vẫn tạo ra thép giòn.

Lò luyện thép cải tiến

Lò luyện thép cải tiến

Trong hai thập kỷ sau đó vấn đề này vẫn không được giải quyết. Cho đến khi một thư ký cảnh sát và nhà hóa học nghiệp dư người Anh, Sidney Gilchrist Thomas, tìm ra giải pháp cho vấn đề phốt pho. Thomas phát hiện ra rằng lớp lót đất sét của thiết bị không phản ứng với phốt pho. Vì vậy ông đã thay thế đất sét bằng lớp lót bằng vôi. Phương pháp mới, đã tạo ra năm tấn thép trong 20 phút. Bessemer là vua thép mới.

Thép Mỹ

Ở phía bên kia Đại Tây Dương, các mỏ quặng sắt khổng lồ vẫn chưa được khai thác ở vùng hoang dã của Mỹ. Năm 1850, Hoa Kỳ chỉ sản xuất một lượng sắt bằng 1/5 so với Anh. Nhưng sau Nội chiến, các nhà công nghiệp bắt đầu chuyển sự chú ý sang quy trình Bessemer. Tạo ra một ngành công nghiệp thép sẽ tạo ra sự giàu có hơn rất nhiều so với Cuộc đua vàng California năm 1849. Có những con đường để xây dựng giữa các thành phố, những cây cầu để xây dựng qua sông và đường ray xe lửa để nằm ở trung tâm của miền Tây hoang dã.

Andrew Carnegie muốn xây dựng tất cả.

Andrew Carnegie muốn xây dựng tất cả.

Andrew Carnegie muốn xây dựng tất cả.

Không ai thực hiện được giấc mơ Mỹ giống như Carnegie. Người nhập cư Scotland đến nước này năm 12 tuổi, định cư tại một khu phố nghèo ở Pittsburgh. Carnegie bắt đầu đi lên khi còn là một cậu bé tuổi teen trong một văn phòng điện báo. Một ngày nọ, một quan chức cấp cao của Công ty Đường sắt Pennsylvania, bị ấn tượng bởi một thiếu niên chăm chỉ, đã thuê Carnegie làm thư ký riêng của mình.

Spangled Scotsman đã phát triển sự nhạy bén trong kinh doanh và tiến lên nấc thang trong ngành đường sắt. Thực hiện một số khoản đầu tư khôn ngoan. Ông sở hữu cổ phần trong một công ty xây dựng cầu, một nhà máy đường sắt, một công trình đầu máy và một nhà máy sắt. Khi Liên minh đầu hàng vào năm 1865, Carnegie 30 tuổi chuyển sang việc xây dựng những cây cầu. Nhờ nhà máy của mình, ông đã sản xuất hàng loạt gang theo ý của mình.

Nhưng Carnegie biết anh ta có thể làm ra vật liệu tốt hơn gang. Một cây cầu bền bằng vật liệu thép là rất cần thiết. Khoảng một thập kỷ trước khi Sidney Thomas cải tiến lò luyện thép Bessemer bằng lớp lót gốc vôi. Carnegie đã mang quy trình Bessemer đến Mỹ và mua sắt không chứa phốt pho để sản xuất thép. Ông đã thành lập một nhà máy thép ở Homestead, Pennsylvania, để sản xuất hợp kim cho một loại công trình mới mà các kiến ​​trúc sư gọi là tòa nhà chọc trời.

Đến thời điểm này, Carnegie đã một tay sản xuất khoảng một nửa lượng thép so với toàn bộ nước Anh. Các công ty thép bổ sung bắt đầu mọc lên khắp đất nước, tạo ra các thị trấn và thành phố mới, bao gồm cả một thị trấn khai thác sắt ở Connecticut có tên là ” Chalybes “.

Nước Mỹ đã bất ngờ tiến lên đỉnh của ngành công nghiệp thép.

Để giảm chi phí sản xuất, tiền lương thấp. Mức lương cho tuần làm việc 84 giờ chưa đến 10 đô la vào năm 1890 (khoảng 250 đô la ngày nay) và cho lao động đột phá trong các nhà máy thép nóng. Tai nạn là phổ biến, và tại Pittsburgh, không khí bị ô nhiễm nặng nề đến nỗi một nhà văn của tờ The Atlantic Weekly gọi là Thành phố thép địa ngục.

Vào tháng 7 năm 1892, căng thẳng sôi sục giữa Công ty Thép Carnegie và công đoàn đại diện cho công nhân tại nhà máy Homestead. Chủ tịch công ty, Henry Clay Frick, có lập trường cứng rắn, đe dọa sẽ cắt giảm lương. Các công nhân treo cổ một hình nộm của Frick. Và ông phản ứng bằng cách xung quanh nhà máy với ba dặm của hàng rào kẽm gai. Các công nhân đã bỏ phiếu đình công và sau đó đã bị sa thải.

Khoảng 3.000 người đình công đã kiểm soát Homestead, buộc phải thực thi luật pháp địa phương. Frick đã thuê 300 đặc vụ từ Văn phòng Thám tử Pinkerton để bảo vệ nhà máy, và vào sáng ngày 6 tháng 7 năm 1892, một cuộc nội chiến xảy ra sau đó. Những người đàn ông tập trung tại bờ sông, ném đá và bắn súng vào các đặc vụ Pinkerton đang cố gắng lên bờ trên thuyền.

Trật tự đã được khôi phục khi một tiểu đoàn Vệ binh Quốc gia gồm 8.500 người vào thị trấn và đặt Homestead theo luật quân sự. Mười người đã thiệt mạng trong cuộc đụng độ. Frick sau đó đã bị bắn và đâm trong văn phòng của mình bởi một người vô chính phủ nghe nói về cuộc đình công, nhưng vẫn sống sót. Sau đó, ông rời công ty và vào năm 1897, Carnegie đã thuê một kỹ sư tên Charles M. Schwab (đừng nhầm lẫn với người sáng lập Tập đoàn Charles Schwab) để làm chủ tịch mới. Năm 1901, Schwab đã thuyết phục Carnegie bán công ty thép của mình với giá 480 triệu USD. Công ty mới của Schwab sáp nhập với các nhà máy bổ sung để thành lập Tập đoàn thép Hoa Kỳ.

Ngành thép của Mỹ tiếp tục bùng nổ vào thế kỷ 20. Năm 1873, Hoa Kỳ đã sản xuất 220.000 tấn thép. Đến năm 1900, Mỹ chiếm 11,4 triệu tấn thép, nhiều hơn cả các ngành công nghiệp của Anh và Đức thành công cộng lại. Tập đoàn thép mới của Hoa Kỳ là công ty lớn nhất thế giới, sản xuất hai phần ba lượng thép của quốc gia.

Đó là một tỷ lệ sản xuất chưa từng thấy trên toàn cầu, nhưng các xưởng đúc thép đang nóng lên.

Thép – Kim loại của chiến tranh và hòa bình

Những bất đồng tại US Steel đã khiến Charles Schwab tìm được một công việc mới chủ trì một công ty khác đang phát triển nhanh chóng: Bethlehem Steel. Năm 1914, hai tháng sau Đại chiến, Schwab nhận được một tin nhắn bí mật từ Văn phòng Chiến tranh Anh. Vài giờ sau, anh ta mua một vé để vượt Đại Tây Dương dưới một cái tên giả. Ở châu Âu, anh đã gặp Ngoại trưởng Anh về chiến tranh, người muốn đặt một đơn đặt hàng lớn với một chiếc bẫy. Người Anh muốn Bethlehem chế tạo vũ khí trị giá 40 triệu đô la cho nước Anh và không làm ăn với kẻ thù của Vương miện. Schwab chấp nhận và đi đến cuộc họp tiếp theo của mình, lần này với Chúa tể đầu tiên của Đô đốc, Winston Churchill. Churchill đã đặt hàng của riêng mình: tàu ngầm cho Hải quân Hoàng gia để chiến đấu với những chiếc thuyền U của Đức, và anh ta cần chúng ngay lập tức.

Tàu ngầm bằng vật liệu thép

Tàu ngầm bằng vật liệu thép

HMS E34, một tàu ngầm lớp E của Anh trong một bến tàu nổi. Cô được đưa vào hoạt động vào tháng 3 năm 1917, đánh chìm chiếc U-Boat UB-16 ngoài khơi Harwich ở Biển Bắc vào ngày 10 tháng 5 năm 1918 và được khai thác gần quần đảo Frisian vào ngày 20 tháng 7 năm 1918. Chiếc tàu bị mất cùng với tất cả thủy thủ đoàn.

Nhưng Schwab đã có một vấn đề. Luật trung lập ở Mỹ đã ngăn cản các công ty bán vũ khí cho các chiến binh WWI ở hai bên chiến hào. Không nản lòng, Bethlehem Steel đã gửi các bộ phận tàu ngầm đến một nhà máy lắp ráp ở Montreal để phô trương cho các nỗ lực tái thiết nhân đạo, và thép Mỹ bắt đầu rò rỉ vào nỗ lực chiến tranh của quân Đồng minh.

Nhu cầu tuân theo luật trung lập đã biến mất khi Hoa Kỳ chính thức tham gia Thế chiến I vào tháng 4 năm 1917. Năm 1914, khi chiến tranh mới bắt đầu, Hoa Kỳ đã sản xuất 23,5 triệu tấn thép thép hơn hai lần sản xuất 14 năm trước đó. Vào cuối năm 1918, sản lượng đã tăng gấp đôi. Thép Mỹ đã mang lại cho quân Đồng minh một lợi thế quyết định trong cuộc chiến chống lại các cường quốc trung ương.

Tòa nhà Empire State đang được xây dựng với Tòa nhà Chrysler ở phía sau, 1930.

Tòa nhà Empire State đang được xây dựng với Tòa nhà Chrysler ở phía sau, 1930.

Khi chiến tranh kết thúc, ngành luyện thép của Mỹ nổi lên mạnh mẽ hơn bao giờ hết. Các tòa tháp Art Deco bắt đầu mọc lên giữa các đường chân trời ở New York và Chicago, với phần lớn thép đến từ hai công ty: US Steel và Bethlehem Steel. Các công trình mang tính biểu tượng như Trung tâm Rockefeller, Khách sạn Waldorf-Astoria, Cầu George Washington và Cầu Cổng Vàng được xây dựng bằng thép Bethlehem. Năm 1930, thép của công ty đã đi vào tòa nhà chọc trời cao nhất thế giới: Tòa nhà Chrysler. Chưa đầy một năm sau, Tòa nhà Empire State, với 60.000 tấn thép do US Steel cung cấp, sẽ vươn cao hơn Chrysler để trở thành biểu tượng bền vững của Manhattan.

Nhưng những tòa nhà chọc trời không phải là sự đổi mới duy nhất gây ra bởi sự bùng nổ trong sản xuất thép. Các vật liệu đã đi vào một chiếc xe hơi, thiết bị gia dụng và lon thực phẩm. (Hai công ty sắp ra mắt, Dole và Campbell, đã trở thành cơn thịnh nộ nhờ thời hạn sử dụng lâu dài của hàng hóa đóng hộp của họ.) Tài sản của Bethlehem Steel và US Steel được định giá cao hơn so với các công ty của Ford và General Motors.

Đó thực sự là thời đại của thép thép nhưng rắc rối không còn xa.

Sau sự sụp đổ của thị trường chứng khoán năm 1929, sản xuất thép chậm lại khi nền kinh tế rơi vào cuộc Đại suy thoái. Thợ thép người Mỹ đã bị sa thải, nhưng các nhà máy không bao giờ hoàn toàn tối. Đường ray xe lửa vẫn lan rộng khắp đất nước, thực phẩm đóng hộp vẫn còn phổ biến, và khi Cấm đến gần, một sản phẩm thép mới đã xuất hiện: lon bia thép, được giới thiệu vào những năm 1930 bởi hãng bi-a Blue Ribbon.

THÉP CANVAS

Sau cuộc Đại suy thoái, các cỗ máy chiến tranh đói kim loại một lần nữa đã đốt cháy các xưởng đúc của thế giới. Đức chuyển đến chiếm đất ở Đan Mạch, Na Uy và Pháp, giành quyền kiểm soát các mỏ và nhà máy sắt mới. Đột nhiên, Đức quốc xã có khả năng sản xuất nhiều thép như Hoa Kỳ. Ở phía Đông, Nhật Bản nắm quyền kiểm soát các mỏ sắt và than ở Mãn Châu.

Khi cuộc tấn công Trân Châu Cảng đưa nước Mỹ vào Thế chiến II, chính phủ Mỹ đã cấm sản xuất hầu hết các mặt hàng tiêu dùng thép. Các quốc gia công nghiệp hóa trên thế giới, lao đầu vào chiến tranh thế giới, bắt đầu phân phối thép cho một số mục đích chọn lọc: tàu, xe tăng, súng và máy bay.

Các nhà máy của Mỹ đã nấu chảy kim loại 24 giờ một ngày, thường là với lực lượng lao động nữ chủ yếu. Nền kinh tế bắt đầu bùng nổ trở lại, và chẳng mấy chốc, sản lượng thép của Mỹ lớn hơn gấp ba lần so với bất kỳ quốc gia nào khác. Trong Thế chiến II, Hoa Kỳ đã sản xuất thép nhiều gấp 25 lần so với Thế chiến I. Và một lần nữa, nhà máy thép của Thế giới Mới đóng vai trò quyết định trong chiến thắng của quân Đồng minh.

Khi chiến tranh kết thúc, Mỹ đã dỡ bỏ lệnh cấm đối với hàng tiêu dùng thép. Với hơn một nửa thép của thế giới hiện do người Mỹ sản xuất, thị trường xe hơi, đồ gia dụng, đồ chơi và thanh gia cố (thép cây) để xây dựng vẫn sinh lợi hơn bao giờ hết. Thép từ các tàu và xe tăng còn sót lại đã được nung chảy trong các lò nung khổng lồ để được tái sử dụng trong các cây cầu và lon bia.

Nhưng ở nước ngoài, một nhu cầu khủng khiếp để xây dựng lại, và sự ra đời của công nghệ luyện thép mới, sắp giúp các công ty thép nước ngoài phát triển.

Con đường đến thép hiện đại

Ngay cả khi các nhà máy không ngừng hoạt động trong thời chiến, các nhà sản xuất vẫn chưa hoàn thiện nghệ thuật luyện thép. Sẽ phải mất một ý tưởng trong 100 năm trước khi Thế chiến thứ hai kết thúc để cách mạng hóa quá trình một lần nữa và cuối cùng, để truất phế nước Mỹ trở thành vua thép của thế giới.

Nhà khoa học và thợ làm thủy tinh người Đức William Siemens, sống ở Anh để tận dụng những gì ông tin là luật bằng sáng chế thuận lợi, nhận ra vào năm 1847 rằng ông có thể kéo dài thời gian một lò giữ nhiệt độ cao nhất bằng cách tái chế nhiệt phát ra. Siemens đã xây dựng một lò nung thủy tinh mới với một mạng lưới ống lửa nhỏ. Khí nóng từ buồng nóng chảy thoát ra qua các ống, trộn với không khí bên ngoài và được tái chế bên trong buồng.

Phải mất gần 20 năm để lò luyện thủy tinh của Siemens tìm đường vào ngành luyện kim. Vào những năm 1860, một kỹ sư người Pháp tên là Pierre-Emile Martin đã biết về thiết kế và xây dựng một lò nung của Siemens để luyện gang. Nhiệt tái chế giữ cho kim loại hóa lỏng lâu hơn quy trình Bessemer, giúp công nhân có thêm thời gian để thêm một lượng chính xác các hợp kim sắt chứa carbon đã biến vật liệu thành thép. Và vì sức nóng thêm, thậm chí thép phế liệu có thể bị nóng chảy. Bước sang thế kỷ, quy trình Siemens-Martin, còn được gọi là quy trình lò sưởi mở, đã bắt đầu trên toàn thế giới.

Lò luyện thép hiện đại

Lò luyện thép hiện đại

Bước sang thế kỷ 20, khi một kỹ sư người Thụy Sĩ tên Robert Durrer tìm thấy một cách thậm chí còn tốt hơn. Durrer đang giảng dạy luyện kim ở Đức Quốc xã. Sau khi Thế chiến II kết thúc, anh quay trở lại Thụy Sĩ và thử nghiệm quy trình Bessemer. Ông đã thổi oxy nguyên chất vào lò (chứ không phải không khí, chỉ có 20% oxy) và thấy rằng nó đã loại bỏ carbon khỏi sắt nóng chảy hiệu quả hơn.

Durrer cũng phát hiện ra rằng bằng cách thổi oxy vào lò từ phía trên, chứ không phải bên dưới như trên Bộ chuyển đổi Bessemer, anh ta có thể nung chảy thép phế liệu lạnh thành gang và tái chế nó trở lại quy trình luyện thép. Quá trình oxy cơ bản này đã phân tách tất cả các dấu vết phốt pho từ sắt. Phương pháp này kết hợp các ưu điểm của cả hai lò Bessemer và Siemens-Martin. Nhờ những đổi mới của Durrer, việc sản xuất số lượng lớn thép trở nên rẻ hơn một lần nữa.

Trong khi các quốc gia ở châu Âu và châu Á ngay lập tức áp dụng quy trình oxy cơ bản, các nhà máy của Mỹ, vẫn đứng đầu ngành, đã quyết định sử dụng quy trình của Siemens-Martin trong sự hài lòng tự tin.

Thép không gỉ và sự suy giảm của nhà máy sàn xuất thép ở Mỹ

Năm 1912, một nhà luyện kim người Anh tên Harry Brearly đang tìm cách bảo vệ cuộc sống của nòng súng. Thử nghiệm với hợp kim crôm và thép, ông phát hiện ra rằng thép có một lớp crôm có khả năng chống axit và phong hóa đặc biệt.

Brearly bắt đầu bán hợp kim thép-crôm cho một người bạn làm việc trong lĩnh vực dao kéo, gọi nó là thép không rỉ thép rỉ sét, có nghĩa là phù hợp với một kỹ sư. Người bạn của ông, Ernest Stuart, người cần bán dao cho công chúng, đã đưa ra một cái tên hấp dẫn hơn: thép không gỉ.

Một công ty có tên Victoria đang rèn những con dao thép cho Quân đội Thụy Sĩ khi nó bắt được gió của kim loại chống ăn mòn mới từ Vương quốc Anh. Công ty đã nhanh chóng thay đổi kim loại trong dao thành inox, đó là một từ khác của hợp kim có nguồn gốc từ tiếng Pháp có nghĩa là không gỉ, có thể inoxydable. “Victoria đổi tên thành Victorinox. túi màu đỏ của họ trong ngăn kéo bàn của bạn.

Thép không gỉ thống trị trên toàn thế giới. Kim loại chống ăn mòn, lấp lánh đã trở thành một vật liệu quan trọng cho các công cụ phẫu thuật và hàng hóa gia dụng. Các hubcaps trên đỉnh Tòa nhà Chrysler được làm bằng thép không gỉ, giúp chúng giữ được ánh bạc của chúng dưới ánh sáng mặt trời. Năm 1959, các công nhân đã động thổ ở St. Louis để xây dựng Cổng vòm bằng thép không gỉ, vẫn là tượng đài nhân tạo cao nhất ở Tây bán cầu.

Cổng vòm bằng thép ở St. Louis cao 630 feet.

Cổng vòm bằng thép ở St. Louis cao 630 feet.

Nhưng giống như St. Louis đang xây dựng Cửa ngõ phía Tây, phần còn lại của thế giới đã bắt kịp với sản xuất thép của Mỹ. Lương thấp ở nước ngoài và việc sử dụng quy trình oxy cơ bản làm cho thép nước ngoài rẻ hơn thép Mỹ vào những năm 1950, giống như ngành công nghiệp thép đã bị ảnh hưởng từ một hợp kim rẻ hơn cho hàng gia dụng: nhôm.

Năm 1970, US Steel trở thành công ty thép lớn nhất thế giới kết thúc sau bảy thập kỷ, được thay thế bởi Nippon Steel của Nhật Bản. Trung Quốc đã trở thành nhà sản xuất thép hàng đầu thế giới vào những năm 1990 và Bethlehem Steel đã đóng cửa nhà máy ở Bethlehem vào năm 1995. Mãi đến cuối thế kỷ 20, hầu hết các nhà máy thép của Mỹ cuối cùng đã áp dụng quy trình oxy cơ bản. Tính đến năm 2016, Hoa Kỳ đứng thứ tư về sản xuất thép theo Hiệp hội Thép Thế giới.

Tương lai bền vững của vật liệu thép

Phần lớn thép không gỉ của thế giới được sản xuất trong các nhà máy mini. Những đồ kim loại này không tạo ra thép từ đầu, mà là nung chảy thép phế liệu để tái sử dụng. Lò nung phổ biến nhất trong một nhà máy mini, lò đốt hồ quang điện, cũng được phát minh bởi William Siemens, sử dụng các điện cực carbon để tạo ra một điện tích để làm nóng chảy kim loại.

Sự lan rộng của các nhà máy mini trong nửa thế kỷ qua là một bước quan trọng đối với việc tái chế thép cũ, nhưng còn một chặng đường dài để đạt được sự luyện kim hoàn toàn bền vững. Rèn thép là một nguồn phát thải nhà kính nổi tiếng . Quá trình oxy cơ bản, vẫn còn được sử dụng rộng rãi ngày nay, đã được phát triển cách đây gần một thế kỷ, khi sự phân nhánh của biến đổi khí hậu chỉ mới bước vào vòng tròn nghiên cứu khoa học. Quá trình oxy cơ bản vẫn đốt than , thải ra lượng carbon dioxide gấp bốn lần so với lò điện. Nhưng việc loại bỏ hoàn toàn các vụ nổ oxy cho hồ quang điện không phải là giải pháp bền vững, chỉ có rất nhiều thép phế liệu có sẵn để tái chế.

Ngày nay, các nhà luyện kim đang trong giai đoạn đầu phát triển các phương pháp sản xuất thép thân thiện với môi trường. Tại MIT, các nhà nghiên cứu đang thử nghiệm các công nghệ dựa trên điện mới để luyện kim loại . Những kỹ thuật nấu chảy điện này có khả năng giảm đáng kể lượng khí thải nhà kính nếu chúng có thể được cải tiến để hoạt động trên các kim loại có điểm nóng chảy cao hơn, chẳng hạn như sắt và thép.

Các ý tưởng bổ sung đã được sử dụng để hạn chế khí thải xe hơi cũng đang được thử nghiệm. Tháng 2 năm ngoái, một nhà sản xuất Áo có tên Voestalpine đã bắt đầu xây dựng một nhà máy được thiết kế để thay thế than bằng công nghệ nhiên liệu hydro có khả năng cách đây ít nhất hai thập kỷ. Như một điểm dừng, chính phủ Trung Quốc thậm chí đã thực thi các giới hạn đối với sản lượng thép của nước này vào năm ngoái.

theo: popularmechanics.com

Luyện thép thỏi

Tìm hiểu thép trong xây dựng – thi công nhà khung thép

Thép là gì? Những thành phần cấu tạo nên thép và tính chất của thép như thế nào? Quy trình sản xuất và các loại thép hiện nay.

Thép là gì? tính chất của thép trong xây dựng

Cho đến nay vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất trong xây dựng thế giới cơ sở hạ tầng và các ngành công nghiệp chính là thép. Nó được sử dụng để chế tạo mọi thứ từ kim khâu đến tàu chở dầu. Ngoài ra, các công cụ cần thiết để xây dựng và sản xuất các sản phẩm như vậy cũng được làm bằng thép.

Thép là gì

Quặng sắt là một trong những nguyên tố phong phú nhất trên trái đất. Một trong những công dụng chính của nó là sản xuất thép. Khi kết hợp với carbon, sắt thay đổi hoàn toàn tính chất và trở thành thép hợp kim. Do vậy, thép chính là một hợp kim chứa sắt, cacbon và một số nguyên tố khác. Trên thế giới có hơn 3.000 loại khác nhau. 

Ảnh hưởng của carbon đến chất liệu thép

Sắt ở dạng nguyên chất của nó sẽ mềm. Điều này thường không hữu ích trong xây dựng hay sản xuất. Do đó cần biến đổi làm sao cho tính chất của sắt cứng hơn. Phương pháp chính để tăng cường tính chất cứng và chuyển đổi nó thành thép là bằng cách thêm một lượng nhỏ carbon.

Trong thành phần của thép, carbon thường được tìm thấy dưới hai dạng. Hoặc là trong dung dịch rắn trong austenite và ferrite hoặc nó được tìm thấy dưới dạng cacbua. Dạng cacbua có thể là cacbua sắt (Fe 3 C, được gọi làcementite ), hoặc nó có thể là một cacbua của một nguyên tố hợp kim như titan . Mặt khác, trong sắt xám, carbon xuất hiện dưới dạng mảnh vụn hoặc cụm graphite , do sự có mặt của silic , làm giảm sự hình thành cacbua. Carbon trong thép hàm lượng lên đến 2% . Nếu hàm lượng carbon cao hơn, vật liệu được xác định là gang. 

Phương pháp sản xuất thép

Về nguyên tắc, luyện thép là một quá trình nóng chảy sắt ở khoảng 1.600 ° C (2.900 ° F). Ở nhiệt độ này các phản ứng hóa học khác nhau được bắt đầu xảy ra. Hoặc theo trình tự hoặc đồng thời, để đạt được thành phần hóa học.

Quy trình sản xuất thép

Quy trình sản xuất tại nhà máy

Nguyên liệu chính để sản xuất thép là sắt, thép phế liệu. Thép phế liệu có chứa các kim loại khác chẳng hạn như đồng, thiếc, và crôm. Những thành phần này làm thay đổi tính chất của thép. Do đó phải loại bỏ trong quá trình nung nóng chảy. Có ba quy trình sản xuất thép chính – oxy cơ bản, lò sưởi mở, và hồ quang điện.

Phản ứng oxy hóa từ sắt sang thép

Sắt có chứa phần lớn lưu huỳnh. Hiện diện dưới dạng sulfua sắt (FeS). Được loại bỏ khỏi sự tan chảy không phải do quá trình oxy hóa mà bằng cách chuyển đổi oxit canxi thành calcium sulfide:

FeS + CaO → CaS + FeO.

Theo phương trình này, khử lưu huỳnh chỉ thành công khi sử dụng xỉ với nhiều oxit canxi – nói cách khác, với độ cơ bản cao. Hàm lượng oxit sắt thấp cũng rất cần thiết vì oxy và lưu huỳnh cạnh tranh với canxi. Do đó nhiều nhà máy luyện thép phải khử lưu huỳnh trước khi nó được tinh chế thành thép.

Một phản ứng hóa học rất quan trọng trong quá trình chế tạo là sự oxy hóa carbon. Sản phẩm khí của nó, khí cacbon monoxide, đi vào khí ngoài, nhưng, trước khi làm điều đó, nó tạo ra khí carbon monoxide đun sôi. Một hiện tượng phổ biến cho tất cả các quá trình sản xuất và rất quan trọng để trộn. Hỗn hợp tăng cường các phản ứng hóa học, thanh lọc hydro và nitơ , và cải thiện truyền nhiệt. Việc điều chỉnh hàm lượng carbon là quan trọng để tạo ra thép đúng tiêu chuẩn kỹ thuật.

Quá trình hình thành thép

Nguyên tắc

Quá trình hình thành chuyển đổi thép nguyên khối thành các sản phẩm hữu ích cho ngành công nghiệp chế tạo và xây dựng. Mục tiêu là để có được một hình dạng mong muốn. Đồng thời để cải thiện tính chất vật lý của thép đúc cũng như để tạo ra một bề mặt phù hợp cho một ứng dụng cụ thể. Trong quá trình sản xuất, các tinh thể lớn trong thép đúc được chuyển đổi thành nhiều tinh thể nhỏ, dài. Chuyển đổi từ dãng dễ đứt gãy thành một loại thép dẻo dai.

Quá trình hình thành chính được thực hiện nóng chảy ở khoảng 1.200 ° C (2.200 ° F).. Điều này đòi hỏi việc sử dụng lò nung chảy của các thiết kế khác nhau. Lò làm lạnh thường được áp dụng như là một quá trình thứ cấp để làm cho sản phẩm đặc biệt như tấm, cây hoặc dây .

Định hình thép

Định hình thép

Một số quy trình tạo hình thép – bao gồm rèn, ép, xỏ lỗ, vẽ và ép đùn. Nhưng đến nay, quy trình quan trọng nhất là lăn. Trong quá trình này, các con lăn làm việc theo cặp. Được điều khiển chuyển động theo hướng ngược nhau và với cùng vận tốc. Con lăn được giữ ở một khoảng cách chính xác với nhau bằng vòng bi và thân máy ép. Phôi thép được kéo bằng ma sát vào khe lăn, nhỏ hơn tiết diện ngang của phôi. Sao cho cả hai cuộn đều tạo áp lực và liên tục tạo thành mảnh cho đến khi nó rời khoảng trống lăn với phần nhỏ hơn và chiều dài tăng. 

Định hình thép bằng con lăn và vòng bi

Các vòng bi nặng gắn trên mỗi bên của một con lăn được điều chỉnh khoảng cách cuộn với một ốc vít . Thân máy được kết nối với nhau và cố định vào nền nhà. Các con lăn được điều khiển trực tiếp hoặc thông qua một thiết bị bằng một hoặc một số động cơ điện. Tùy thuộc vào sản phẩm thép được cuộn, có các giá có hai, ba, bốn và nhiều cuộn hơn. Đối với dải cán, con lăn có độ chính xác cao hơn. Bởi vì cuộn mỏng và nhỏ cần độ chính xác hơn so với cuộn có đường kính lớn.

Các cuộn thép thường có đường kính khoảng 1,2 mét. Mỗi động cơ được điều khiển bởi một hoặc hai động cơ điện với tổng công suất từ ​​7.000 đến 12.000 mã lực. Vòi phun nước áp lực cao loại bỏ quy mô bề mặt, và một cắt cắt bỏ các đầu và cắt tấm thành chiều dài thích hợp. 

Cuộn thép cán từ các tấm phôi nặng được cung cấp từ nơi khác hoặc hệ thống máy liên hoàn. Đôi khi được cán trực tiếp từ một thỏi phôi. Nhà máy lớn nhất có thể cuộn tấm dày 200 mm, rộng 5 mét và dài 35 mét. Ba kích thước này được xác định bởi khối lượng hoặc khối lượng phôi cũng như kích thước cán. Đôi khi chỉ có một vài tấm có cùng kích thước và thông số kỹ thuật chất lượng theo đơn đặt hàng.

Luyện thép thỏi

Luyện thép thỏi

Quá trình định hình thép

Hầu hết các nhà máy có hai lhệ thống lăn đẩy liên tục. Phôi thép được làm nóng đến khoảng 1.250 ° C. Con lăn và lăn dự phòng của các nhà máy lớn có đường kính 1,2 và 2,4 mét, tương ứng, và chiều dài mặt cuộn lên đến 6 mét. Lực cán tối đa của chúng thường là 10.000 tấn. Con lăn của chúng được điều khiển bởi động cơ 8.000 kilowatt.

Các nhà máy có điều chỉnh cuộn thủy lực để truyền áp lực cuộn đến một máy tính. Máy tính sử dụng thông số này và các thông số cán khác. Chẳng hạn như nhiệt độ và độ dày của tấm ở tất cả các vị trí, để kiểm soát quá trình cán bằng mô hình toán học. Điều này không chỉ cho phép cán phôi lớn với độ chính xác cao ( ví dụ, với độ dày 0,2 mm) mà còn kiểm soát hình dạng, năng suất, tính chất vật lý. 

Làm nguội thép thành phẩm

Sau khi thép được định hình theo đặt hàng thì phải được làm nguội. Công đoạn này có thể dùng làm nguội tự nhiêu hoặc can thiệp. Tất cả các hệ thống này, cùng với tốc độ lăn cao, làm cho các nhà máy lạnh rất phức tạp để vận hành và điều khiển chỉ bằng máy tính.

Các loại thép trong xây dựng

Thép chịu mài mòn

Thép chịu mài mòn được sản xuất cho máy móc chế biến đá, máy nghiền. Đây là những loại thép Austenit chứa khoảng 1,2% carbon và mangan chiếm 12%.Thép mangan thường được gọi là thép Hadfield, do nhà phát minh Robert Hadfield sáng chế.

Loại thép này chịu cự chịu mài mòn va đập cao. Điều này diễn ra do quá trình va đập của vật liệu quá trình sản xuất sản phẩm khác. Đập tức là sự biến dạng của bề mặt. Để gia tăng sức chịu va đập ngoài bổ sung hợp chất còn được hình thành trong quá trình làm nguộn. Một trường hợp đặc biệt, dây đàn piano được rút ra từ thép cacbon 0,8 phần trăm, có thể đạt tới độ bền kéo 275 kg lực trên mỗi milimet vuông.

Thép chịu lực

Loại thép này thường sản xuất ra để có khả năng chịu lực ma sát lớn. Loại này được sử dụng cho vòng bi lăn và bi. Những loại thép này thường chứa 1% carbon, 1,2% crôm, 0,25% nickel và 0,25% molypden. 

Thép không gỉ

Đặc tính nổi bật đó là không gỉ của nó. Điều này được tạo ra từ một màng crom oxit vô hình, tự chữa bệnh hình thành khi crôm được thêm vào ở nồng độ lớn hơn 10,5%. Có ba nhóm chính: austenitic ,ferritic và martensitic .

Khả năng chống ăn mòn tốt nhất thu được trong thép không gỉ austenit . Vi cấu trúc của chúng bao gồm các tinh thể fe rất sạch. Trong đó tất cả các nguyên tố hợp kim được giữ trong thể rắn. Những loại thép này chứa 16 đến 26% crôm và lên đến 35% niken. Trong đó, như mangan, là một chất tăng cường chống gỉ mạnh mẽ. Thép austenitic không thể được làm cứng bằng cách xử lý nhiệt, chúng cũng không có từ tính. Loại phổ biến nhất là loại 18/8 hoặc 304, chứa 18% crom và 8% nickel.

Thép không gỉ Ferritic chỉ chứa 0,12% carbon. Cả hai loại này đều có từ 11,5 đến 29% crôm làm chất bổ sung hợp kim chính của chúng và thực tế không có niken. Khả năng chống ăn mòn của chúng rất khiêm tốn.

Một nhóm thép không gỉ đặc biệt được sử dụng ở nhiệt độ cao – ví dụ, 800 ° C (1.450 ° F). Giải pháp làm cứng được sử dụng trong nhóm này để giữ cho nó mạnh ở nhiệt độ như vậy. Chúng chứa tới 25% crom và 20% niken, ngoài một lượng nhỏ các chất tạo cacbua mạnh như niobi hoặc titan để kết hợp cacbon và tránh sự suy giảm crom ở các biên hạt. Đối với dịch vụ thậm chí còn nghiêm trọng hơn, như trong động cơ phản lực của máy bay hoặc tuabin khí, các siêu hợp kim được sử dụng. Chúng hoạt động trên nguyên tắc tương tự, nhưng chúng dựa trên nickel hoặc coban hoặc cả hai và không chứa sắt hoặc chỉ có tới 30% sắt. Nhiệt độ dịch vụ tối đa của họ có thể đạt 80%điểm nóng chảy .

Thép sử dụng truyền tải điện

Một loại thép quan trọng và cần thiết cho việc sản xuất và truyền tải điện, là thép điện cao silicon. Loại này lên đến 4,5 phần trăm silicon. Loại thường chứa khoảng 3,5% silicon. Thép Silicon kim loại, còn được gọi là silic công nghiệp là một sản phẩm luyện kim được làm bằng thạch anh và than cốc trong lò sưởi điện. Thành phần của nó, hàm lượng silicon là khoảng 98% (trong những năm gần đây, sản phẩm có hàm lượng Si ở 99,99% cũng có thể được bao gồm trong Silic kim loại), tạp chất cân bằng Fe, Al, Ca vv.

Thép công cụ

Thép công cụ được sản xuất với số lượng nhỏ, chứa các hợp kim đắt tiền. Thường chỉ được bán bởi kilôgam. Nói chung chúng rất cứng, chịu mài mòn, dai dẳng, trơ đến quá nóng cục bộ. Thường được thiết kế cho các yêu cầu dịch vụ cụ thể. Chúng cũng phải ổn định kích thước trong quá trình hoạt động. Chúng chứa các chất tạo cacbua mạnh như volfram , molypden , vanadi và crom trong các kết hợp khác nhau. Thường bổ sung coban hoặc niken để cải thiện hiệu suất nhiệt độ cao.

Thi công nhà khung thép – sàn bê tông nhẹ uy tín

Mr Đô 0981.111.698

https://sanbetong.vn

facebook.com/sanbetongnhegiare/

Theo: britannica.com

Công trình sàn bê tông nhẹ và khung thép từ trên cao 1

Thi công nhà khung thép – Xưởng khung thép tiền chế

Nhà khung thép tiền chế là nhà được làm chủ yếu bằng thép. Các cấu kiện chính của nhà khung thép là cột thép, dầm thép, xà thép. Nhà khung thép thi công nhanh chóng do vật liệu đã được tiền chế tại nhà máy. Nhà khung thép xuất hiện từ rất lâu trên thế giới và được ưa dùng bởi nhiều ưu điểm nổi trội.

Thi công nhà khung thép tiền chế

 Khi lắp dựng nhà khung thép tiền chế, khung cột được công ty chúng tôi thiết kế để thỏa mãn một cách chính xác theo yêu cầu của khách hàng. Chúng tôi có thể chế tạo bất kỳ loại khung hình học nào. Các khung chính của nhà thép tiền chế (cột và kèo) là các cấu kiện tổ hợp tiết diện “I”. Có bề cao tiết diện không đổi hoặc vát.
Thành phần kết cấu thứ yếu (xà gồ, thanh chống đỉnh tường và dầm tường) là các thanh thép nhẹ tạo hình nguội chữ “Z” và chữ “C” hoặc các dầm bụng rỗng.

Một xưởng dùng khung thép tiền chế

Một xưởng dùng khung thép tiền chế

 

Nhà khung thép rất được ưa chuộng hiện nay

Nhà khung thép rất được ưa chuộng hiện nay

 

Nhà khung thép được ưu chuộng vì độ bề và thi công nhanh

Nhà khung thép được ưu chuộng vì độ bề và thi công nhanh

 

Nhà khung thép kết hợp với sàn bê tông nhẹ

Nhà khung thép kết hợp với sàn bê tông nhẹ

 

Mộ công trình xây dựng lớn dùng khung thép tiền chế

Một công trình xây dựng lớn dùng khung thép tiền chế

Thành phần kết cấu chính và thứ yếu đều được cắt, đục lỗ, khoan lỗ, hàn. Tạo thành hình trước trong nhà máy trước khi được chuyển đến công trường. Chất lượng của các thành phần nhà luôn luôn được bảo đảm. Vì được sản xuất hoàn toàn tại nhà máy theo tiêu chuẩn và được kiểm tra nghiêm ngặt. Tại công trường, các thành phần tiền chế tại nhà máy sẽ được liên kết với nhau bằng các bulông.

Ưu điểm của nhà khung thép tiền chế

Nhà khung thép tiền chế có rất nhiều ưu điểm

Nhà khung thép khắc phục hầu hết được những nhược điểm. Cũng như các điều kiện mà khung bê tông cốt thép không thể có được. Dưới đây là một số ưu điểm của khung nhà thép tiền chế:

Công trình sàn bê tông nhẹ và khung thép từ trên cao

Công trình nhà khung thép từ trên cao

Khả năng chịu lực của cấu kiện cao:

Khung thép tiền chế được tính toán rất kỹ càng và hầu hết theo tiêu chuẩn của Mỹ. Những bộ phận chịu lực ít được giảm thép đến tối đa làm cho khung nhẹ hơn và tiết kiệm vật liệu một cách triệt để.

Nhà khung thép tiền chế có khả năng vượt những nhịp lớn:

Có thể vượt nhịp tối đa 90m với khung loại 1 nhịp và tối đa 70m với mỗi modul trong nhịp. Với số module lên tới 4 (tổng cộng 280m). Điều mà khung bê tông cốt thép không thể làm được hoặc có làm được thì cũng cực kỳ khó khăn.

Công trình được thiết kế với quy mô lớn:

Khung thép tiền chế có thể được sử dụng với công trình có chiều cao tới 30m (tính đến mép dưới mái) cho nhà có chiều rộng tới 60m. Việc sử dụng cho các công trình với quy mô lớn sẽ tiết kiệm rất nhiều so với sử dụng khung bê tông cốt thép (có thể lên tới 35% giá thành).

Thi công nhà khung thép nhanh:

Việc chế tạo các chi tiết kết cấu sẵn tại nhà xưởng và chỉ đem lắp ghép sẽ đẩy nhanh tiến độ thi công cũng như chất lượng công trình. Giảm thiểu các ảnh hưởng của thời tiết lên quá trình xây dựng.

 Tiết kiệm chi phí:

Thực ra giá thành của khung nhà thép tiền chế rất đắt. Nhưng lại tiết kiệm được chi phí do giảm thiểu thời gian thi công. Nhanh chóng đưa công trình vào hoạt động. Giảm chi phí nhân công xây dựng và quản lý dự án… dẫn đên tiết kiệm rất lớn chi phí cho dự án.

 Ưu điểm của sàn panel nhẹ:

Dầm bê tông dự ứng lực với các kích thước khác nhau. Sức chịu tải  của dầm tùy theo nhu cầu của nhà thiết kế cùng với các viên Block. Sàn được đúc bằng vật liệu nhẹ theo công nghệ mới với thiết kế hình học tạo được

– Độ chịu lực tốt nhất,

– Độ chống nóng, chống ồn tốt nhất (hình rỗng giữa)

– Sàn panel thi công không cần dùng coppha như các loại bê tông khác

– Thi công bằng phương pháp lắp ghép dễ dàng,

– Thi công được những nới có địa hình khó đối với vật liệu truyền thống.

– Thời gian hoàn thiện nhanh hơn gấp 6 lần so với sàn Bê tông truyền thống.

– Đơn giá hoàn thiện rẻ hơn 20% Bê tông truyền thống.

Kết hợp nhà khung thép và sàn panel nhẹ chúng ta có một công trình hoàn hảo.

– Tiết kiệm tối đa thời gian thi công.

– Kết cấu vững chắc, thích hợp với nhiều loại công trình.

– Hạn chế và khắc phục tối đa các vật liệu rời gây ô nhiễm môi trường.

– Xử lý tốt các điểm yếu mà các phương pháp thi công truyền thống không khắc phục được như chống nóng, chống ồn….

Hệ khung thép và sàn panel nhẹ tiếp tục được chọn làm giải pháp thi công cho công trình khu văn phòng và nhà điều hành của Công ty CP Nhựa 3H, tọa lạc tại thôn Phương Trạch – xã Vĩnh Ngọc – huyện Đông Anh – tp Hà Nội.

 

Xe cẩu vào lắp dựng nhà khung thép

Xe cẩu vào lắp dựng nhà khung thép

 

Phần khung thép và dầm thép dần được lắp dựng theo đúng yêu cầu kỹ thuật

Phần khung thép và dầm thép dần được lắp dựng theo đúng yêu cầu kỹ thuật

 

 

 

Song song với việc lắp đặt hệ khung thép, chúng tôi đồng thời tiến hành xây tường bao và tập kết cấu kiện của sàn panel nhẹ. Sẵn sàng lắp ghép ngay khi hệ khung thép được hoàn thành.

 

 

Sàn bê tông nhẹ được kết hợp để giảm tải tông thể công trình

Sàn bê tông nhẹ được kết hợp để giảm tải tổng thể công trình

 

 

 

Lớp bê tông liên kết mặt sàn M250# được trộn bằng máy, thảm đều 40mm lên mặt sàn đã lắp ghép

 

 

 

Công trình nhà khung thép hoàn toàn đáp ứng được về thời gian thi công

Công trình nhà khung thép hoàn toàn đáp ứng được về thời gian thi công

 

 

MỌI CHI TIẾT XIN LIÊN HỆ:

CÔNG TY TNHH PANEL THÀNH ĐÔ

Địa chỉ : Phòng 602 số 1/ 329 Cầu giấy – Hà Nội

Điện thoại : 098 1111 698 / 0989 53 57 90