Thép
Các tính chất của vật liệu > Tính chất

Mật độ của thép thay đổi dựa trên thành phần hợp kim nhưng thường dao động trong khoảng 7.750 đến 8.050 kg/m3 (484 đến 503 lb/cu ft), hoặc 7,75 đến 8,05 g/cm3 (4,48 đến 4,65 oz/cu in).
Ngay cả trong một khoảng hẹp các nồng độ hỗn hợp của cacbon và sắt tạo thành thép, một số cấu trúc kỹ thuật kim loại khác nhau, có tính chất rất khác nhau, có thể hình thành. Hiểu rõ các tính chất này là thiết yếu để sản xuất thép chất lượng. Ở nhiệt độ phòng, dạng ổn định nhất của sắt tinh khiết là cấu trúc khối trung tâm (BCC) gọi là sắt alpha hoặc α-sắt. Nó là một kim loại khá mềm chỉ có thể hòa tan một nồng độ nhỏ của cacbon, không quá 0,005% ở 0 °C (32 °F) và 0,021 wt% ở 723 °C (1.333 °F). Sự chứa chất cacbon trong sắt alpha được gọi là phierrite. Ở 910 °C, sắt tinh khiết chuyển thành cấu trúc khối trung tâm lập phương (FCC), gọi là sắt gamma hoặc γ-sắt. Sự chứa chất cacbon trong sắt gamma được gọi là giải tenit. Cấu trúc FCC mở rộng hơn của giải tenit có thể hòa tan nhiều cacbon hơn, lên đến 2,1%, Nguồn có sự khác biệt về giá trị này nên nó đã được làm tròn thành 2,1%, tuy nhiên giá trị chính xác này khá học thuật vì thép không hợp kim đơn giản hiếm khi được sản xuất với mức carbon như vậy. Xem:
Smith & Hashemi 2006, tr. 363—2,08%.
Degarmo, Black & Kohser 2003, tr. 75—2,11%.
Ashby & Jones 1992—2,14%. (gấp 38 lần của ferrite) cacbon ở nhiệt độ 1.148 °C (2.098 °F), đó là mức nồng độ cacbon cao nhất của thép, vượt quá đó là gang xám. Khi cacbon di chuyển ra khỏi dung dịch với sắt, nó tạo thành một vật liệu rất cứng, nhưng giòn gọi là xi măng (Fe3C).
Khi thép chứa chính xác 0,8% carbon (được gọi là thép eutectoid), khi được làm lạnh, pha austenitic (FCC) của hỗn hợp cố gắng chuyển về pha ferrite (BCC). Carbon không còn vừa với cấu trúc austenite của pha FCC, dẫn đến sự dư thừa của carbon. Một cách để carbon rời khỏi austenite là tạo thành kết tủa khỏi dung dịch dưới dạng cementite, để lại một pha ferrite có một lượng carbon nhỏ trong dung dịch. Hai pha ferrite và cementite kết tủa đồng thời tạo thành một cấu trúc lớp gọi là pearlite, được đặt tên theo sự giống như nước ngọc trai. Trong thành phần hypereutectoid (cao hơn 0,8% carbon), carbon sẽ trước tiên tạo thành các hạt kết tủa lớn của cementite tại các ranh giới hạt austenite cho đến khi tỷ lệ carbon trong các hạt giảm xuống thành thành phần eutectoid (0,8% carbon), lúc đó cấu trúc pearlite hình thành. Đối với các loại thép có lượng carbon ít hơn 0,8% (hypoeutectoid), ferrite sẽ hình thành trước trong các hạt cho đến khi thành phần còn lại tăng lên 0,8% carbon, lúc đó cấu trúc pearlite sẽ hình thành. Không có các hạt kết tủa lớn của cementite sẽ hình thành ở biên giới trong thép hypoeuctoid. Điều trên giả định rằng quá trình làm lạnh diễn ra rất chậm, đủ thời gian để carbon di chuyển.
Khi tốc độ làm lạnh tăng, carbon sẽ có ít thời gian hơn để di chuyển và tạo thành carbide tại biên giới hạt, nhưng sẽ có ngày càng nhiều pearlite với cấu trúc mịn hơn trong các hạt; do đó, carbide được phân tán rộng rãi hơn và ngăn ngừa việc trượt của các khuyết tật bên trong các hạt đó, dẫn đến làm cứng thép. Khi tốc độ làm lạnh rất cao do quenching, carbon không có thời gian để di chuyển mà bị kẹp trong austenite pha trung tâm và tạo thành martensite. Martensite là một dạng cực kỳ căng và căng thẳng, chứa nhiều carbon và sắt vượt quá nồng độ tối đa, cực kỳ cứng nhưng dễ vỡ. Tùy thuộc vào nồng độ carbon, pha martensitic có các hình thái khác nhau. Dưới 0.2% carbon, nó có cấu trúc ferrite BCC, nhưng ở nồng độ carbon cao hơn, nó có cấu trúc body-centred tetragonal (BCT). Không có năng lượng kích hoạt nhiệt cho quá trình chuyển từ austenite sang martensite.[cần giải thích] Không có sự thay đổi về thành phần vì các nguyên tử thường giữ nguyên vị trí của chúng.
Martensite có mật độ thấp hơn (nở ra trong quá trình làm lạnh) so với austenite, dẫn đến sự thay đổi về thể tích khi chuyển đổi giữa chúng. Trong trường hợp này, sự mở rộng xảy ra. Các căng thẳng bên trong từ sự mở rộng này thường có dạng nén vật lý trên các tinh thể của martensite và căng thẳng trên pha ferrite còn lại, cùng với một lượng cắt đáng kể trên cả hai thành phần. Nếu quá trình quenching không thực hiện đúng cách, căng thẳng bên trong có thể làm vỡ chi tiết khi nó làm lạnh. Ít nhất, chúng gây ra cứng vật liệu và các sai lệch vi micro khác. Thường xuyên xuất hiện các vết nứt sau quá trình quenching khi thép được làm nguội bằng nước, mặc dù chúng không luôn luôn rõ ràng thấy được.