CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về thép mềm 1. Giới thiệu Thép mềm là một hợp kim gồm hai thành phần chính là sắt và một lượng nhỏ carbon với hàm lượng tối đa là 0,25% kết hợp với một số thành phần khác (Mn, P, S, Si, v.), trong đó các thành phần này là các nguyên tố hợp kim với hàm lượng rất nhỏ [1]. Các thành phần này được thêm vào sẽ không ảnh hưởng đáng kể lên các tính chất của thép nếu lượng thêm không vượt quá 0,3-0,4% Si, 0,5-0,8% Mn, 0,008% P và 0,04% S.
Đối với thành phần carbon, nó là nguyên tố phi kim cơ bản trong cấu trúc thép do nó có giá thành thấp, có ảnh hưởng tới độ cứng cũng như độ bền của thép. Tiếp đến là Mn, được xem là thành phần quan trọng trong toàn bộ loại thép carbon, đặc biệt là thép mềm. Mn có vai trò như một thành phần giúp đảm bảo tất cả các tạp chất sulphur (S) dư thừa tạo thành các manganese sulfide (MnS). Nếu không có Mn, S có thể kết hợp với thép và tạo thành sắt sulfide (FeS), một thành phần có thể làm giảm độ cứng, độ bền cho thép và có thể dẫn tới hiện tượng giòn.
Một vai trò khác của Mn là tăng cường độ cứng cho thép. Thứ hai, silicon (Si) là một chất khử rất tốt vì nó có thể loại bỏ khí và oxide, tránh việc hình thành các lỗ khí và đồng thời tăng độ cứng cho thép. Mỗi 0,1% Si được thêm vào trong cấu trúc của thép sẽ làm tăng độ cứng lên 8 Mpa. Si cũng là chất ổn định của thành phần ferit, được tìm thấy trong một số loại thép không gỉ và giúp tăng cường tính chất điện cho hợp kim này.
Thứ ba là thành phần phosphorus (P), đây là một tạp chất, nếu dư sẽ gây ảnh hưởng xấu cho thép vì có thể gây ra tính gãy giòn [2]. Mặc dù có một số nhược điểm, nhưng sự kết hợp từ các thành phần này mang lại tính dẻo cao trong khi vẫn duy trì được độ bền và độ cứng của thép. Chi phí hợp lý cũng là một ưu điểm khiến thép trở thành vật liệu lý tưởng cho nhiều dự án đòi hỏi tính toàn vẹn về cấu trúc mà đòi hỏi ít chi phí đầu tư. Thép mềm có thể phân làm các cấp độ khác nhau dựa vào các tiêu chuẩn và đặc thù được sử dụng ở các khu vực khác nhau.
Một số tiêu chuẩn của thép được sử dụng hiện nay như tiêu chuẩn AISI/SAE, tiêu chuẩn ASTM, tiêu chuẩn EN, tiêu chuẩn ISO và tiêu chuẩn JIS. Các đặc tính của thép mềm Thép mềm sở hữu một số đặc tính khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng trong các ứng dụng công nghiệp và đời sống thực tiễn. Một số tính chất chính của thép mềm có thể kể đến như: ✓ Độ bền: mặc dù không cứng bằng thép carbon có hàm lượng carbon cao hoặc thép hợp kim nhưng thép mềm vẫn có độ bền tương đối tốt trong nhiều ứng dụng. Nó cung cấp đủ tính toàn vẹn cấu trúc và khả năng chịu tải tốt; ✓ Độ dẻo: thép mềm có độ dẻo cao, nó có thể dễ dàng kéo dài hoặc uốn cong mà không bị gãy, thậm chí khi không cần đến xử lý nhiệt.
Đặc tính này cho phép thép mềm dễ dàng tạo hình, tạo khối và chế tạo như cán, uốn và hàn; ✓ Tính hàn: các mối hàn ở thép mềm tương đối tốt và loại thép này có thể hàn bằng nhiều phương pháp khác nhau. Đặc tính này giúp cho nó có thể tạo mối hàn chắc chắn và bền; ✓ Khả năng gia công: thép mềm tương đối dễ gia công, dễ cắt, khoan và phù hợp với các quy trình sản xuất khác nhau do hàm lượng carbon thấp; ✓ Khả năng chống ăn mòn: mặc dù thép mềm không có khả năng chống ăn mòn cao bằng thép không gỉ hoặc các hợp kim chống ăn mòn khác, nhưng nó có thể chịu được ăn mòn nhẹ trong môi trường khí quyển. Nếu xử lý bề mặt hoặc sơn một lớp phủ, khả năng giảm ăn mòn của thép có thể được cải thiện. Hiện nay, có một số loại thép mềm trên thị trường được cải tiến nhằm giảm thiểu khả năng giảm ăn mòn cho thép, ví dụ như loại 316 với Mo được thêm vào, 304L và 316L [3].
Đối với tính chất cơ học, tính chất này có thể thay đổi phụ thuộc vào thành phần chất sử dụng trong quá trình sản xuất và xử lý nhiệt. Thép mềm có nhiệt độ nóng chảy trong khoảng 1370-1480 ℃, mật độ thép mềm thay đổi từ 7,80-8,05 kg/m3. Thép mềm có độ bền kéo, khả năng chống chịu trước khi đứt dưới lực căng, thường có giá trị khoảng từ 380-550 MPa. Độ bền uốn, tại đó vật liệu bắt đầu biến dạng vĩnh viễn, trong khoảng 250-350 Mpa và độ giãn dài từ khoảng 20-30%.
Thép mềm thường có độ cứng thấp đến trung bình, thường dao động từ độ cứng Brinell 120-180 HB. Thép mềm có khả năng chống va đập tốt nên có thể chịu đựng được những cú sốc hoặc tải trọng đột ngột mà 4 không bị gãy. Đặc tính này khiến cho thép trở thành vật liệu kỹ thuật quan trọng trong các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống va đập. Một số ứng dụng điển hình của thép mềm: (a) đồ gia dụng, (b) đường ống, (c) khung xe, (d) cầu, (e) bể chứa, (f) khung cốt thép.
Ứng dụng Thép mềm được coi là nguyên liệu thô không thể thiếu trong các cơ sở hạ tầng gồm cơ sở cảng và cầu, các công trình xây dựng, đường xá do các tính chất cơ lý phù hợp, sản xuất số lượng lớn với giá thành hợp lý. Thép không chỉ được ứng dụng trong các cơ sở hạ tầng mà nó còn được sử dụng trong hàng loạt các lĩnh vực khác nhau như trong sản xuất xăng dầu, dầu mỏ - khí đốt, tự động, ô tô, v. Ngoài ra, ứng dụng của thép mềm có thể được tìm thấy ở một số sản loại sản phẩm khác nhau như: ✓ Khung nhà: dầm làm từ thép mềm được sử dụng trong các công trình như làm khung nhà vì nó có độ bền cao; ✓ Thiết bị sản xuất: vì giá thành rẻ, chắc chắn và bền nên ứng dụng phổ biến của thép mềm là chế tạo các thiết bị như trục lăn, bàn hàn, đồ đạc và đồ gá lắp; ✓ Các bộ phận máy móc: thép mềm được ứng dụng làm các bộ phận máy như bánh răng, vòng bi và lò xo mà không yêu cầu khả năng chống chịu ăn mòn như thép không gỉ; ✓ Các đường ống dẫn: ống dẫn làm từ thép mềm có khả năng hàn cao và đủ chắc chắn để chứa chất lỏng với áp suất cao; 5 ✓ Dụng cụ nấu ăn: thép mềm được dùng cho chế tạo dao và giữ được độ sắc trong thời gian dài sử dụng, các dụng cụ nấu nướng có đặc tính chống dính có giới hạn nhiệt độ cao hơn so với lớp chống dính. Tuy nhiên, một số ngành công nghiệp này lại sử dụng lượng lớn các dung dịch acid cho quá trình tẩy rửa, tẩy cặn và làm sạch, hay các bể chứa acid trong quá trình thu hồi dầu và quá trình hóa dầu.
Trong đó, các dung dịch nước chứa acid là môi trường ăn mòn rất cao đối với các kim loại hoạt động, đặc biệt là thép mềm. Với khả năng chống ăn mòn thấp cùng với cường độ tiếp xúc lâu dài trong môi trường acid cao như vậy khiến cho thép mềm rất dễ bị phá hủy, hòa tan và tạo thành các sản phẩm ăn mòn [4, 5]. Trong suốt nhiều thập kỷ qua, hàng loạt các công trình nghiên cứu được thực hiện để phát triển các phương pháp mới với khả năng giảm tính ăn mòn của thép, nhằm tăng tính an toàn cho thép mềm trong các ứng dụng đời sống hằng ngày, cũng như trong các ứng dụng công nghiệp. Tổng quan về ăn mòn điện hóa 1.
Định nghĩa Ăn mòn điện hóa là các phản ứng hóa học liên quan đến sự di chuyển của các điện tích (electron, e–) tại bề mặt tiếp xúc giữa chất dẫn điện (điện cực) và chất dẫn ion (chất điện phân/môi trường ăn mòn). Theo cơ chế ăn mòn điện hóa, bốn thành phần yêu cầu cùng xuất hiện cho một quá trình ăn mòn điện hóa diễn ra, bao gồm: anode (A), cathode (C), dây dẫn (M) nối anode – cathode và dung dịch điện ly (E). Ba trong số các yếu tố này (A, C và M) luôn có sẵn trong một kim loại hoặc hợp kim [6]. Dung dịch điện ly là các dung dịch lỏng dẫn ion (chủ yếu là nước) hoặc dạng rắn như đất, cát và bê tông dạng ẩm.
Các ion trong chất điện phân được chia làm hai loại gồm anion và cation. Các anion mang điện tích âm và chúng di chuyển về phía anode và các cation tích điện dương di chuyển về phía cathode. Một trong những quá trình khử diễn ra phổ biến tại cathode là khử các ion hydrogen hoặc oxygen, 2H+ + 2e– → H2 hoặc O2 + 2H2O + 4e– → 4 OH–. Để quá trình điện hóa diễn ra, tất cả bốn thành phần đã nêu phải diễn ra đồng thời.
Với sự có mặt của cả bốn yếu tố, cân bằng hóa học được diễn ra sao cho tốc độ phản ứng tại anode (oxy hóa) bằng tốc độ phản ứng tại cathode (khử) [7]. Sơ đồ mô tả phản ứng điện hóa diễn ra trên bề mặt của thép khi tiếp xúc với dung dịch điện phân. Phản ứng điện hóa diễn ra trên bề mặt của vật liệu kim loại có thể dẫn đến việc suy giảm các chức năng hay phá hủy các cấu trúc của vật liệu, điều này được thể hiện bằng phương trình, M → Mn+ + ne− (diễn ra tại anode). Phản ứng oxy hóa làm kim loại (M) giảm số điện tích (ne–).
Kết quả, M trở thành các ion kim loại (Mn+), được biết đến như là một cation mang điện tích dương. Các ion kim loại sinh ra từ anode sẽ di chuyển về phía cathode bằng chất điện phân dẫn ion (E), trong khi các điện tử chuyển từ anode sang cathode bởi dây dẫn (M). Tại cathode, ion kim loại bị khử thành kim loại (M). Do đó, ion kim loại bị khử tại cực cathode, Mn+ + ne− → M.
Động lực học của phản ứng ăn mòn là do sự khác nhau giữa thế khử của kim loại và môi trường ăn mòn. Khi tiếp xúc với chất điện phân, kim loại điện thế âm hơn có xu hướng nhường điện tử (anode). Quá trình ăn mòn kim loại có thể diễn ra nhanh hơn trong các môi trường có độ dẫn điện cao như nước biển, môi trường chứa acid và tại các vết nứt. Trong những trường hợp như vậy, quá trình chuyển điện tử sẽ diễn ra dễ dàng hơn và làm tăng tốc độ ăn mòn.