Thép là gì?

Thép (steel) là một hợp kim của sắt và carbon, thể hiện các đặc tính cơ học được cải thiện so với dạng sắt nguyên chất. Nhờ có mô đun đàn hồi cao, giới hạn chảy lớn, độ bền gãy cao và chi phí nguyên liệu thấp, thép là một trong những vật liệu được sản xuất phổ biến nhất trên thế giới. Thép được sử dụng trong các kết cấu (như thanh cốt thép bê tông hoặc dầm thép), trong cầu, cơ sở hạ tầng, dụng cụ, tàu thuyền, xe lửa, ô tô, xe đạp, máy móc, thiết bị điện, đồ nội thất và vũ khí.

Định nghĩa của thép

Thép trong tiếng anh là Steel. Danh từ “steel” có nguồn gốc từ tính từ tiếng Đức sơ khai stahliją hoặc stakhlijan, nghĩa là “được làm bằng thép”, có liên quan đến stahlaz hoặc stahliją mang nghĩa “vững chắc, kiên định”.

Hàm lượng carbon của thép nằm trong khoảng từ 0,02% đến 2,14% theo trọng lượng đối với thép carbon thường (hợp kim sắt-carbon).

Thép hợp kim là loại thép được thêm có chủ đích các nguyên tố hợp kim khác để thay đổi đặc tính của thép. Các nguyên tố hợp kim phổ biến bao gồm: mangan, niken, crom, molypden, boron, titan, vanadi, vonfram, coban và niobi. Các nguyên tố bổ sung khác, thường được xem là không mong muốn, nhưng cũng quan trọng trong thép, gồm phốt pho, lưu huỳnh, silic và một lượng vết oxy, nitơ, đồng.

Các hợp kim sắt – cacbon có hàm lượng cacbon lớn hơn 2,1% được gọi là gang (cast iron). Với các kỹ thuật luyện thép hiện đại như tạo hình kim loại bột, có thể chế tạo thép có hàm lượng cacbon rất cao (hoặc chứa các nguyên tố hợp kim khác), nhưng những loại thép này không phổ biến. Gang không dễ uốn ngay cả khi nung nóng, nhưng có thể tạo hình bằng phương pháp đúc, do có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn thép và tính đúc tốt. Một số thành phần nhất định của gang đúc, trong khi vẫn giữ ưu điểm kinh tế của quá trình nấu chảy và đúc, có thể được xử lý nhiệt sau khi đúc để tạo ra gang dẻo hoặc gang graphit cầu.

Thép có thể phân biệt với sắt rèn (loại hiện nay hầu như không còn sử dụng) vì sắt rèn chứa lượng cacbon rất nhỏ (<0,1%), nhưng lại có nhiều xỉ (khoảng 1–2%).

Tính chất vật liệu của thép

Tính chất

Khối lượng riêng của thép thay đổi tùy theo thành phần hợp kim, nhưng thường nằm trong khoảng 7.750 đến 8.050 kg/m³ (tương đương 484 đến 503 lb/ft³) hoặc 7,75 đến 8,05 g/cm³ (tương đương 4,48 đến 4,65 oz/in³).

Xử lý nhiệt

Có nhiều phương pháp xử lý nhiệt được áp dụng cho thép, như ủ (annealing), tôi (quenching) và ram (tempering).

Ủ là quá trình nung thép đến nhiệt độ đủ cao để giải phóng các ứng suất bên trong cục bộ. Quá trình này không làm mềm toàn bộ vật liệu, mà chỉ giảm bớt ứng suất và biến dạng bị “khóa” bên trong thép. Quá trình ủ trải qua ba giai đoạn:

• Phục hồi
• Tái kết tinh
• Phát triển hạt

Nhiệt độ cần thiết để ủ một loại thép cụ thể phụ thuộc vào kiểu ủ mong muốn và thành phần hợp kim của thép đó.

Sản xuất

Khi sắt được luyện từ quặng, nó chứa lượng cacbon cao hơn mức mong muốn. Để trở thành thép, sắt cần được tái luyện để giảm hàm lượng cacbon xuống mức thích hợp, sau đó các nguyên tố khác có thể được thêm vào. 

Trước đây, các nhà máy luyện thép sẽ đúc thép thô thành các thỏi, sau đó bảo quản cho đến khi được đưa vào các công đoạn tinh luyện tiếp theo để tạo ra sản phẩm hoàn thiện.

Trong các nhà máy hiện đại, sản phẩm ban đầu đã gần với thành phẩm cuối cùng và được đúc liên tục thành các tấm thép dài, sau đó cắt, tạo hình thành thanh, phôi ép, rồi xử lý nhiệt để tạo ra sản phẩm cuối cùng.

Vai trò của thép trong ngành Công nghiệp

Ngành công nghiệp thép thường được xem là chỉ số phản ánh mức độ phát triển kinh tế, do vai trò then chốt của thép trong xây dựng cơ sở hạ tầng và tăng trưởng kinh tế tổng thể. 

Năm 1980, có hơn 500.000 công nhân ngành thép tại Hoa Kỳ. Đến năm 2000, con số này đã giảm xuống còn 224.000 người. Sự bùng nổ kinh tế tại Trung Quốc và Ấn Độ đã khiến nhu cầu thép toàn cầu tăng mạnh. Từ năm 2000 đến 2005, nhu cầu thép thế giới tăng 6%. Từ năm 2000, nhiều công ty thép của Ấn Độ và Trung Quốc như Tata Steel đã mở rộng quy mô để đáp ứng nhu cầu thị trường. Tính đến năm 2017, ArcelorMittal là nhà sản xuất thép lớn nhất thế giới.

Theo Cơ quan Khảo sát Địa chất Anh (BGS) năm 2005, Trung Quốc là nhà sản xuất thép hàng đầu thế giới, chiếm khoảng 1/3 thị phần toàn cầu; Nhật Bản, Nga và Hoa Kỳ lần lượt đứng vị trí thứ hai, ba và tư.

Sản xuất thép là một tác nhân đáng kể gây ra biến đổi khí hậu, chiếm khoảng 7% lượng khí thải nhà kính toàn cầu tính đến năm 2024.

Vào cuối năm 2008, ngành thép đã đối mặt với suy thoái nghiêm trọng, dẫn đến nhiều đợt cắt giảm sản xuất.

Năm 2021, ước tính khoảng 7% lượng khí thải nhà kính toàn cầu là do ngành công nghiệp thép gây ra.

Các giải pháp tiềm năng nhằm giảm phát thải gồm: thay thế phương pháp luyện thép dùng than cốc bằng hydro, tăng cường tái chế thép và ứng dụng công nghệ thu hồi – lưu trữ carbon (CCS).

Thành phần của thép

Tính chất của thép chủ yếu được quyết định bởi thành phần hóa học của nó. Ngoài cacbon, nhiều nguyên tố hợp kim khác như mangan, crom, niken, molypden và vanadi được thêm vào để tăng cường các đặc tính cụ thể như độ cứng, khả năng chống ăn mòn hoặc độ bền kéo.

Lịch sử của thép

Thép đã định hình nền tảng của nền văn minh hiện đại  cả theo nghĩa đen lẫn nghĩa bóng. Từ nghề thủ công cổ xưa đến các ứng dụng công nghiệp tiên tiến ngày nay, sự phát triển của thép phản ánh hành trình sáng tạo, kiên trì và tiến bộ của con người.

Khởi nguồn cổ đại

Nguồn gốc của thép có từ hơn 4.000 năm trước. Những hình dạng ban đầu được tạo ra khi những người thợ rèn thời cổ đại vô tình đưa carbon vào sắt trong quá trình nấu chảy.

Khoảng 1800 năm TCN, bằng chứng từ Anatolia (Thổ Nhĩ Kỳ ngày nay) cho thấy các công cụ bằng thép sơ khai đã được sử dụng. Tuy nhiên, chính tại Ấn Độ, vào khoảng năm 300 trước Công nguyên, một trong những kỹ thuật luyện thép chất lượng cao sớm nhất, thép Wootz, đã xuất hiện. Nổi tiếng với độ cứng và khả năng giữ cạnh sắc, thép Wootz đã trở thành nền tảng cho loại thép Damascus huyền thoại.

Những bước tiến qua các thời đại

Trong thời Trung Cổ, thép vẫn hiếm và đắt đỏ, chủ yếu được dùng để chế tạo vũ khí và áo giáp. Quy trình luyện thép blister được phát triển vào thế kỷ 17, dựa trên quá trình thấm cacbon vào sắt rèn, mang lại phương pháp luyện thép đáng tin cậy hơn tại châu Âu. Tuy nhiên, bước ngoặt thực sự đến với Cách mạng Công nghiệp. Khi nhu cầu về vật liệu bền vững hơn tăng mạnh — đặc biệt cho đường sắt, cầu và công trình kiến trúc — ngành luyện thép phải mở rộng quy mô.

Bước đột phá Bessemer

Năm 1856, Henry Bessemer đã cách mạng hóa ngành luyện thép với quy trình Bessemer, thổi không khí qua sắt nóng chảy để loại bỏ tạp chất và kiểm soát hàm lượng cacbon một cách hiệu quả. Phát minh này đã giảm đáng kể chi phí sản xuất, cho phép sản xuất hàng loạt, và đánh dấu sự ra đời của ngành công nghiệp thép hiện đại.

Ngay sau đó, quy trình lò hở và quy trình lò thổi oxy cơ bản (BOF) ra đời, cho phép kiểm soát chất lượng và thành phần thép tốt hơn nữa. Vào thế kỷ 20, lò hồ quang điện (EAF) đã biến việc tái chế thép phế liệu thành một phương pháp sản xuất hiệu quả, góp phần đáp ứng nhu cầu toàn cầu theo hướng bền vững.

Thép trong kỷ nguyên hiện đại

Từ các tòa nhà chọc trời của thế kỷ 20 đến ô tô, hạ tầng và công nghệ năng lượng sạch hiện nay, thép vẫn là vật liệu cốt lõi của phát triển công nghiệp.

Sự ra đời của thép không gỉ, thép hợp kim cường độ cao (HSLA) và thép cường độ siêu cao tiên tiến (AHSS) thể hiện năng lực đổi mới không ngừng của ngành thép toàn cầu.

Thép được sản xuất như thế nào?

Thép được sản xuất qua hai quy trình chính: lò cao – lò thổi oxy cơ bản (BF-BOF) và lò hồ quang điện (EAF). Ngoài ra, cũng có nhiều biến thể và kết hợp các phương pháp sản xuất.

Sự khác biệt chính giữa các phương pháp này là loại nguyên liệu thô mà chúng tiêu thụ. Đối với phương pháp BF-BOF, nguyên liệu thô chủ yếu là quặng sắt, than đá và thép tái chế, trong khi phương pháp EAF sản xuất thép chủ yếu bằng thép tái chế và điện. Tùy thuộc vào cấu hình nhà máy và nguồn cung thép tái chế, các nguồn sắt kim loại khác như sắt hoàn nguyên trực tiếp (DRI) hoặc kim loại nóng cũng có thể được sử dụng trong phương pháp EAF.

Khoảng 70% lượng thép toàn cầu được sản xuất bằng quy trình BF-BOF. Trước tiên, quặng sắt được hoàn nguyên thành sắt, còn gọi là gang lỏng hoặc gang thỏi. Sau đó, sắt được chuyển hóa thành thép trong lò thổi oxy (BOF). Sau khi đúc và cán, thép được xuất xưởng dưới dạng cuộn, tấm, thanh hoặc định hình.

Thép được sản xuất trong lò hồ quang điện (EAF) sử dụng điện năng để nung chảy thép phế liệu. Các chất phụ gia, như nguyên tố hợp kim, được thêm vào để điều chỉnh thành phần hóa học mong muốn. Năng lượng điện có thể được bổ sung bằng oxy thổi vào lò EAF. Các công đoạn tiếp theo, như đúc, gia nhiệt và cán, tương tự như quy trình BF-BOF. Khoảng 30% lượng thép toàn cầu được sản xuất bằng phương pháp EAF.

Có bao nhiêu loại thép trên thế giới

Thép không phải là một loại vật liệu duy nhất. Có hơn 3.500 loại thép khác nhau với nhiều tính chất vật lý, hóa học và môi trường khác nhau.

Khoảng 75% các loại thép hiện đại đã được phát triển trong 20 năm qua. Nếu tháp Eiffel được xây lại ngày nay, kỹ sư chỉ cần một phần ba lượng thép so với khi nó được xây dựng ban đầu.

Các loại thép phổ biến và ứng dụng

Thép là vật liệu có khả năng thích ứng cao, với nhiều loại được thiết kế để đáp ứng nhu cầu sử dụng khác nhau. Từ hạ tầng, sản xuất ô tô đến máy móc và công cụ công nghệ cao, tính đa dụng của thép nằm ở thành phần, phương pháp gia công và mục đích ứng dụng riêng biệt.

Thép cacbon

Thép cacbon là nhóm thép được sử dụng phổ biến nhất. Nó chủ yếu gồm sắt và cacbon, cùng một lượng nhỏ các nguyên tố khác. Thép cacbon được chia thành:

• Thép cacbon thấp (mild steel): chứa <0,3% cacbon, có tính dẻo cao, dễ hàn, thích hợp cho xây dựng và ống dẫn.
• Thép cacbon trung bình: chứa 0,3–0,6% cacbon, bền hơn, dùng trong các chi tiết máy và bộ phận ô tô.
• Thép cacbon cao: chứa >0,6% cacbon, rất cứng, dùng để chế tạo dụng cụ cắt và lò xo.

Ứng dụng:

• Kết cấu công trình (tòa nhà, cầu)
• Ống và đường ống dẫn
• Khung gầm ô tô
• Bộ phận máy móc

Thép hợp kim

Thép hợp kim chứa một lượng đáng kể các nguyên tố như mangan, niken, crom, vanadi và molypden, giúp tăng độ bền, độ dai, khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn.

Ứng dụng:

• Bánh răng và trục
• Bộ truyền công suất
• Thiết bị hạng nặng
• Giàn khoan và công trình ngoài khơi

Thép không gỉ

Thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn cao nhờ chứa ít nhất 10,5% crom, đồng thời nổi bật với vẻ ngoài sáng bóng, tính vệ sinh và độ bền cao.

Phân loại:

• Austenitic: không nhiễm từ, chống ăn mòn (ví dụ: mác 304, 316)
• Ferritic: có từ tính, chống ăn mòn, dùng trong viền trang trí ô tô
• Martensitic: cứng, dùng cho dao kéo và dụng cụ phẫu thuật

Ứng dụng:

• Chế biến thực phẩm và dụng cụ nhà bếp
• Thiết bị y tế
• Môi trường hóa chất và hàng hải
• Kết cấu kiến trúc

Thép dụng cụ

Thép dụng cụ được chế tạo đặc biệt để đạt độ cứng cao, chống mài mòn và chịu nhiệt tốt, thường được dùng trong gia công và cắt gọt vật liệu.

Ứng dụng:

• Dụng cụ cắt và khuôn dập
• Khuôn ép nhựa
• Dụng cụ dập kim loại
• Mũi khoan và lưỡi cưa

Thép chuyên dụng

• Thép điện: được tối ưu tính chất từ, dùng trong động cơ và máy biến áp.
• Thép chịu thời tiết: tạo lớp gỉ bảo vệ tự nhiên, dùng cho cầu và công trình ngoài trời.
• Thép hợp kim cường độ cao, ít hợp kim: có tính cơ học cao, chống ăn mòn tốt, trọng lượng nhẹ.

Lựa chọn loại thép phù hợp

• Việc lựa chọn loại thép phụ thuộc vào các yếu tố như:
• Tính chất cơ học (độ bền, độ dẻo, độ cứng)
• Điều kiện môi trường (ăn mòn, nhiệt độ cao)
• Quy trình gia công (hàn, tạo hình, gia công cắt)
• Chi phí và khả năng cung ứng

Tái chế Thép

Thép là một trong những vật liệu được tái chế nhiều nhất trên thế giới, với tỷ lệ tái chế toàn cầu vượt 60%; riêng tại Hoa Kỳ, hơn 82 triệu tấn thép đã được tái chế vào năm 2008, đạt tỷ lệ tái chế 83%.

Do sản lượng thép mới lớn hơn lượng thép phế thải, nguyên liệu tái chế chiếm khoảng 40% tổng lượng thép sản xuất. Năm 2016, 1,628 tỷ tấn thép thô được sản xuất trên toàn cầu, trong đó 630 triệu tấn được tái chế.