Thép là hợp kim của sắt với một lượng carbon nhỏ, thường dưới khoảng 2%, có thể thêm các nguyên tố khác như mangan, crôm, silic. Sắt gần như nguyên chất khá mềm; chỉ cần thêm vài phần mười phần trăm carbon, các nguyên tử carbon chen vào giữa mạng nguyên tử sắt, cản các lớp nguyên tử trượt lên nhau, nên thép cứng và bền hơn hẳn. Điều kỳ diệu với người thợ rèn là độ cứng ấy còn thay đổi được bằng nhiệt: cùng một thanh thép, nung rồi làm nguội cách này thì mềm, cách khác thì cứng như đá.
Sắt, thép, gang: ranh giới nằm ở carbon
Ba vật liệu quen thuộc này đều chủ yếu là sắt. Khác nhau ở lượng carbon:
| Vật liệu | Carbon (khoảng) | Tính chất | Đồ quen thuộc |
|---|---|---|---|
| Sắt rèn, thép rất ít carbon | Dưới khoảng 0,1% | Mềm, dẻo, uốn được, không trui cứng được | Dây thép buộc, đinh, đồ rèn trang trí |
| Thép carbon thấp | Khoảng 0,1–0,3% | Dẻo, dễ hàn, trui cứng rất ít | Thép xây dựng, tôn, thép tấm thường |
| Thép carbon trung bình | Khoảng 0,3–0,6% | Cứng và dai cân bằng | Trục, bánh răng, nhiều loại thép lò xo |
| Thép carbon cao | Khoảng 0,6–1,0% hoặc hơn | Trui rất cứng, giữ sắc tốt, giòn hơn | Dao, đục, giũa, lưỡi cưa, lò xo |
| Gang | Trên khoảng 2% | Đúc được, cứng, giòn, không rèn được | Nồi gang, lưỡi cày đúc, bệ máy |
Ranh giới chính xác giữa thép và gang trong sách luyện kim là khoảng 2,1% carbon, nhưng trong thực tế, phần lớn thép dùng làm dao nằm trong khoảng 0,5–1%. Đó là vùng "vừa đủ": đủ carbon để trui cứng, chưa nhiều tới mức giòn như gang.
Vì sao một chút carbon làm thép cứng
Hãy hình dung các nguyên tử sắt xếp thành những lớp đều đặn như các tầng bi trong hộp. Khi bị lực tác động, các lớp này có thể trượt lên nhau tại những chỗ xếp lệch, gọi là lệch mạng. Sắt nguyên chất mềm chính vì các lớp trượt dễ.
Nguyên tử carbon nhỏ hơn sắt nhiều, nên chen được vào khe giữa các nguyên tử sắt. Mỗi nguyên tử carbon chen vào làm mạng bị căng, méo một chút quanh nó, giống như một hạt sỏi kẹt giữa các viên bi. Các lớp muốn trượt phải vượt qua những chỗ méo ấy, nên khó trượt hơn. Thép cứng lên.
Carbon còn có thể kết hợp với sắt thành một hợp chất rất cứng là xêmentit (Fe₃C). Trong thép nguội chậm, xêmentit tạo thành những lớp mỏng xen với sắt mềm, nhìn dưới kính hiển vi như vân xà cừ, gọi là peclit. Thép càng nhiều carbon, càng nhiều lớp cứng ấy.
Nhiệt độ thay đổi cách sắt xếp nguyên tử
Điều làm thép đặc biệt so với nhiều kim loại khác: sắt đổi cách xếp nguyên tử khi nóng lên.
- Ở nhiệt độ thường, sắt xếp kiểu lập phương tâm khối, gọi là ferit. Kiểu xếp này có khe nhỏ, giữ được rất ít carbon hoà tan.
- Khi nung qua khoảng 727°C (với thép carbon thường, nhiệt độ cụ thể tuỳ lượng carbon), sắt chuyển sang kiểu lập phương tâm mặt, gọi là austenit. Kiểu này có khe lớn hơn, hoà tan được nhiều carbon. Carbon từ xêmentit tan dần vào sắt.
- Khi nguội chậm, sắt quay về ferit, carbon bị đẩy ra và lại tạo xêmentit, peclit. Thép mềm trở lại.
- Khi nguội thật nhanh, sắt muốn quay về ferit nhưng carbon không kịp thoát ra. Kết quả là một cấu trúc bị kẹt, méo, gọi là mactenxit, rất cứng và giòn.
Bước làm nguội thật nhanh đó chính là trui: nung thép tới nhiệt độ nhất định rồi làm nguội thật nhanh trong nước hoặc dầu. Wiki này dùng chữ "trui", như thợ rèn Nam Bộ vẫn gọi, cho bước ấy.
Những nguyên tố khác trong thép
Ngoài carbon, thép còn có nhiều nguyên tố khác, cố ý thêm vào hoặc có sẵn từ quặng, phế liệu:
| Nguyên tố | Tác dụng chính |
|---|---|
| Mangan | Giúp thép trui cứng sâu hơn, khử lưu huỳnh có hại |
| Silic | Tăng độ đàn hồi, hay có trong thép lò xo |
| Crôm | Tăng độ cứng, chống mài mòn; từ khoảng 10,5% trở lên tạo màng chống gỉ (thép không gỉ) |
| Vanađi, molypđen | Giữ hạt thép nhỏ, tạo các hạt carbide rất cứng giúp giữ sắc |
| Lưu huỳnh, phốt pho | Thường là tạp chất có hại, làm thép giòn, dễ nứt khi rèn |
Vì vậy hai thanh thép trông giống hệt nhau có thể cư xử rất khác nhau dưới búa và trong nước trui. Đây là lý do thợ rèn dùng thép tái dụng luôn thử trước.
Thép trong tay người thợ: những điều suy ra
Từ khoa học trên, nhiều thói quen của thợ rèn trở nên dễ hiểu:
- Rèn ở nhiệt độ cao: khi thép ở dạng austenit, nóng đỏ cam, nó mềm, dẻo, chảy dễ dưới búa.
- Không nung quá nóng quá lâu: hạt thép to ra, carbon ở bề mặt cháy mất, thép kém đi.
- Trui ở đúng nhiệt: phải đủ nóng để carbon hoà vào sắt, nhưng không quá nóng làm hạt thô.
- Ram sau khi trui: hơ lại nhiệt thấp để mactenxit bớt căng, thép bớt giòn mà vẫn cứng.
- Thép ít carbon không trui được: dù nung đỏ nhúng nước, thép xây dựng vẫn khá mềm vì thiếu carbon để kẹt lại.
Thợ không cần thuộc tên ferit hay austenit. Họ biết thép "ăn trui" hay "không ăn trui", biết "nung non" hay "nung già", và đó chính là cách nói dân gian của cùng một khoa học.
Một chút lịch sử: từ sắt khảo cổ tới thép tái dụng
Khảo cổ học ghi nhận đồ sắt trên đất Việt Nam từ thời văn hoá Đông Sơn, cách đây khoảng hơn hai nghìn năm. Sắt thời cổ được luyện từ quặng trong lò than nhỏ, ra một khối xốp lẫn xỉ, phải đập đi đập lại để ép xỉ ra; lượng carbon trong sắt luyện kiểu này không đều. Người thợ xưa học cách làm cứng phần lưỡi bằng cách cho sắt tiếp xúc lâu với than nóng để hút thêm carbon, hoặc ghép miếng thép tốt vào lưỡi.
Ngày nay thép công nghiệp có thành phần đều, nhưng làng rèn Việt lại chủ yếu dùng thép tái dụng: nhíp xe, lò xo, thanh ray. Vòng lại, người thợ vẫn phải thử và đọc thép bằng mắt như tổ tiên, chỉ khác là nguồn thép đã tốt hơn nhiều. Muốn xem đồ sắt cổ, Bảo tàng Lịch sử Quốc gia ở Hà Nội là nơi nên đến.
Góc nhìn hôm nay: dùng hiểu biết này khi mua dao
- "Thép carbon" không có nghĩa là thép kém. Ngược lại, đa số dao rèn tốt là thép carbon cao; điểm trừ duy nhất là dễ gỉ.
- "Inox" không có nghĩa là thép tốt. Thép không gỉ có nhiều loại; loại ít carbon chống gỉ tốt nhưng không trui được cứng.
- Hỏi lượng carbon hoặc tên mác khi mua dao công nghiệp; với dao làng rèn, hỏi thép nguồn gốc gì, trui nước hay dầu.
- Nếu tập rèn ở xưởng, nhớ rằng thép hết đỏ vẫn có thể nóng vài trăm độ; bỏng nhẹ thì xả nước mát sạch 15–20 phút, bỏng sâu, rộng hay bỏng mắt thì đi cấp cứu, gọi 115.
Sách luyện kim – vật liệu học phổ thông có giản đồ sắt – carbon, tấm bản đồ cho biết thép ở nhiệt độ nào, lượng carbon nào thì ở dạng gì. Nhìn một lần, những gì thợ rèn làm bên lò sẽ trở nên dễ hiểu hơn nhiều.
Câu hỏi thường gặp
Thép là gì?
Thép là hợp kim của sắt với carbon, thường dưới khoảng 2%, có thể thêm mangan, crôm, silic và các nguyên tố khác. Carbon làm thép cứng hơn sắt nguyên chất, và độ cứng ấy còn điều chỉnh được bằng nhiệt luyện.
Thép khác gang thế nào?
Khác chủ yếu ở carbon: thép dưới khoảng 2%, gang trên khoảng 2%. Gang cứng, giòn, dùng để đúc, không rèn được. Thép dẻo hơn, rèn được và trui cứng được nếu đủ carbon.
Vì sao thép cứng hơn sắt?
Nguyên tử carbon nhỏ chen vào giữa các nguyên tử sắt, làm mạng tinh thể méo đi và cản các lớp nguyên tử trượt lên nhau. Carbon còn tạo hợp chất xêmentit rất cứng. Nhờ vậy thép cứng và bền hơn sắt nguyên chất.
Thép xây dựng có làm dao được không?
Làm được hình con dao nhưng lưỡi sẽ mềm, nhanh cùn, vì thép xây dựng thường ít carbon nên trui không cứng lên được nhiều. Thợ rèn chọn thép lò xo, thép nhíp hoặc thép carbon cao cho lưỡi.
Mactenxit là gì?
Mactenxit là cấu trúc rất cứng tạo ra khi thép nung nóng được làm nguội thật nhanh, carbon bị kẹt lại trong mạng sắt. Đây là thứ làm lưỡi dao cứng sau khi trui. Mactenxit giòn nên phải ram lại.