Bài học

So sánh gang và thép — chọn vật liệu phù hợp

Em sẽ làm được gì?

So sánh được thành phần, tính chất của gang và thép, giải thích được vì sao hàm lượng carbon quyết định tính chất, và chọn đúng vật liệu cho từng ứng dụng thực tế.

Cần nhớ trước

Ôn lại khái niệm hợp kim (bài trước) và tính chất vật lí của sắt.

Khởi động

Ống nước gang thì cứng nhưng nếu rơi mạnh xuống nền cứng sẽ bị vỡ vụn thành nhiều mảnh, còn lưỡi dao thép có thể uốn cong một chút mà không gãy. Cả hai đều là hợp kim của sắt với carbon — điều gì tạo nên sự khác biệt lớn về độ giòn và độ dẻo dai này?

Thành phần: hàm lượng carbon quyết định tính chất

Gang là hợp kim Fe–C với hàm lượng carbon cao, khoảng 2–5% theo khối lượng. Thép là hợp kim Fe–C với hàm lượng carbon thấp hơn nhiều, thường dưới 2% (một số loại thép chỉ khoảng 0,01–1%), và có thể được thêm các nguyên tố khác (chromium, nickel, manganese) để tăng thêm tính chất mong muốn.

Quy luật chung: hàm lượng carbon càng cao thì vật liệu càng cứng nhưng càng giòn (dễ vỡ khi va đập mạnh); hàm lượng carbon càng thấp thì vật liệu càng dẻo dai (chịu uốn, kéo tốt hơn, khó gãy đột ngột).

**Gang** là hợp kim Fe–C với hàm lượng carbon **cao**, khoảng 2–5% theo khối lượng. **Thép** là hợp kim Fe–C với hàm lượng carbon **thấp hơn nhiều**, thường dưới 2% (một số loại thép chỉ khoảng 0,01–1%), và có thể được thêm các nguyên tố khác (chromium, nickel, manganese) để tăng thêm tính chất mong muốn. Quy luật chung: **hàm lượng carbon càng cao thì vật liệu càng cứng nhưng càng giòn** (dễ vỡ khi va đập mạnh); **hàm lượng carbon càng thấp thì vật liệu càng dẻo dai** (chịu uốn, kéo tốt hơn, khó gãy đột ngột).

Tính chất và ứng dụng của gang

Vì hàm lượng carbon cao, gang cứng nhưng rất giòn, không thể rèn hay kéo thành dây được, và nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn thép nguyên chất nên dễ đúc thành hình dạng phức tạp. Vì vậy gang thường dùng để đúc các vật như vỏ động cơ, ống nước gang, bệ máy, nắp cống — những vật không chịu va đập mạnh hay uốn cong.

Tính chất và ứng dụng của thép

Với hàm lượng carbon thấp hơn, thép dẻo dai, đàn hồi và bền hơn gang, có thể rèn, kéo, cán thành nhiều hình dạng — dây thép, tấm thép, thanh thép. Vì vậy thép được dùng làm dao, kéo, khung nhà, cầu, đường ray, thân xe — những nơi cần độ bền và khả năng chịu lực uốn.

Người ta sản xuất thép từ gang bằng cách giảm bớt hàm lượng carbon và một số tạp chất (silic, mangan, phosphorus, sulfur) có trong gang lỏng, bằng cách thổi khí oxygen vào gang nóng chảy để oxi hóa bớt carbon thành khí CO₂ thoát ra.

Với hàm lượng carbon thấp hơn, thép **dẻo dai, đàn hồi và bền hơn gang**, có thể rèn, kéo, cán thành nhiều hình dạng — dây thép, tấm thép, thanh thép. Vì vậy thép được dùng làm dao, kéo, khung nhà, cầu, đường ray, thân xe — những nơi cần độ bền và khả năng chịu lực uốn. Người ta sản xuất thép từ gang bằng cách **giảm bớt hàm lượng carbon** và một số tạp chất (silic, mangan, phosphorus, sulfur) có trong gang lỏng, bằng cách thổi khí oxygen vào gang nóng chảy để oxi hóa bớt carbon thành khí CO₂ thoát ra.

Gang chứa khoảng 2–5% carbon (giòn, dễ đúc); thép chứa dưới 2% carbon (dẻo dai, dễ rèn, kéo).

Ví dụ

Ví dụ 1 — Giải thích tính chất theo thành phần (dạng chuẩn)

1
Vì sao gang giòn, không thể kéo thành dây, nhưng thép lại kéo được thành dây thép?
2
Gang có 2–5% carbon, thép có dưới 2% carbon — thấp hơn nhiều.
3
Hàm lượng carbon cao làm vật liệu cứng nhưng giòn, cấu trúc dễ nứt gãy khi kéo dài; hàm lượng carbon thấp giữ được độ dẻo, chịu được biến dạng dẻo (kéo dài) mà không gãy.
4
Vì thép có ít carbon hơn gang, thép giữ được độ dẻo cần thiết để kéo thành dây, còn gang thì không.

Ví dụ

Ví dụ 2 — Chọn vật liệu theo dữ kiện đo được (dạng đề thi)

1
Hai mẫu vật liệu Fe–C: mẫu A có 3% carbon, mẫu B có 0,5% carbon. Nếu cần đúc một bệ máy có hình dạng phức tạp và không chịu va đập mạnh, nên chọn mẫu nào? Nếu cần làm một sợi dây cáp chịu kéo, nên chọn mẫu nào?
2
Mẫu A (3% C) là gang; mẫu B (0,5% C) là thép.
3
Bệ máy hình dạng phức tạp, không chịu va đập → phù hợp với gang (dễ đúc, cứng, không cần dẻo dai). Dây cáp chịu kéo → cần vật liệu dẻo dai, chịu uốn, không giòn → phù hợp với thép.
4
Chọn mẫu A (gang) để đúc bệ máy, và mẫu B (thép) để làm dây cáp chịu kéo.

Phân loại chi tiết hơn: gang xám, gang trắng và thép hợp kim

Trong thực tế, gang được chia thành hai loại chính theo dạng tồn tại của carbon: gang xám (carbon chủ yếu ở dạng than chì — graphite — phân bố dạng phiến nhỏ, dễ đúc, dùng phổ biến nhất cho vỏ máy, ống nước) và gang trắng (carbon chủ yếu ở dạng hợp chất cementite Fe₃C, cứng và giòn hơn gang xám, chủ yếu dùng làm nguyên liệu để luyện thép chứ ít dùng trực tiếp). Về phía thép, ngoài thép carbon thường (chỉ chứa Fe và C), người ta còn sản xuất thép hợp kim bằng cách thêm chromium, nickel, manganese… để có thêm tính chất đặc biệt — ví dụ thép không gỉ (inox) đã gặp ở chương trước chính là một loại thép hợp kim chứa thêm chromium, nickel để chống ăn mòn.

Trong thực tế, gang được chia thành hai loại chính theo dạng tồn tại của carbon: **gang xám** (carbon chủ yếu ở dạng than chì — graphite — phân bố dạng phiến nhỏ, dễ đúc, dùng phổ biến nhất cho vỏ máy, ống nước) và **gang trắng** (carbon chủ yếu ở dạng hợp chất cementite Fe₃C, cứng và giòn hơn gang xám, chủ yếu dùng làm nguyên liệu để luyện thép chứ ít dùng trực tiếp). Về phía thép, ngoài **thép carbon thường** (chỉ chứa Fe và C), người ta còn sản xuất **thép hợp kim** bằng cách thêm chromium, nickel, manganese… để có thêm tính chất đặc biệt — ví dụ thép không gỉ (inox) đã gặp ở chương trước chính là một loại thép hợp kim chứa thêm chromium, nickel để chống ăn mòn.

Ví dụ

Ví dụ 3 — Tính khối lượng carbon bị loại bỏ khi luyện gang thành thép (dạng đề thi)

1
Một mẻ gang lỏng nặng 500 kg chứa 4% carbon (về khối lượng) được thổi oxygen để giảm còn 0,5% carbon (đạt tiêu chuẩn thép). Giả sử khối lượng sắt (Fe) không đổi trong suốt quá trình, tính khối lượng carbon đã bị oxi hóa thoát ra dưới dạng khí.
2
Khối lượng carbon ban đầu: $m_{C(đầu)} = 500\times 4\% = 20$ kg. Khối lượng Fe: $m_{Fe} = 500 - 20 = 480$ kg.
Khối lượng carbon ban đầu: $m_{C(đầu)} = 500\times 4\% = 20$ kg. Khối lượng Fe: $m_{Fe} = 500 - 20 = 480$ kg.
3
Vì Fe chiếm $99{,}5\%$ khối lượng thép sau khi giảm còn 0,5% carbon: $m_{thép} = \dfrac{480}{0{,}995} \approx 482{,}4$ kg.
Vì Fe chiếm $99{,}5\%$ khối lượng thép sau khi giảm còn 0,5% carbon: $m_{thép} = \dfrac{480}{0{,}995} \approx 482{,}4$ kg.
4
$m_{C(sau)} = 482{,}4 \times 0{,}5\% \approx 2{,}41$ kg. Khối lượng carbon bị oxi hóa: $20 - 2{,}41 \approx 17{,}59$ kg.
$m_{C(sau)} = 482{,}4 \times 0{,}5\% \approx 2{,}41$ kg. Khối lượng carbon bị oxi hóa: $20 - 2{,}41 \approx 17{,}59$ kg.
5
Khoảng 17,6 kg carbon bị oxi hóa thành khí CO₂ thoát ra trong quá trình luyện thép. Đây là dạng toán bảo toàn khối lượng kim loại nền (Fe) kết hợp với phần trăm khối lượng — thường gặp trong đề thi về hợp kim, khó hơn hẳn bài toán trực tiếp vì phải tính khối lượng tổng sau cùng trước khi suy ra khối lượng carbon còn lại.

Sai lầm thường gặp

Lỗi thường gặp: nghĩ carbon càng nhiều thì vật liệu càng "tốt" hay càng bền. Thực tế carbon cao chỉ làm vật liệu cứng hơn nhưng giòn hơn — không đồng nghĩa với bền hơn khi chịu va đập hay uốn. Với bài toán "giảm % carbon", lỗi phổ biến là tính khối lượng carbon còn lại theo khối lượng ban đầu (500 kg × 0,5%) thay vì khối lượng thép sau cùng — vì khối lượng tổng đã thay đổi khi carbon bị lấy bớt ra.

Lỗi thường gặp: nghĩ carbon càng nhiều thì vật liệu càng "tốt" hay càng bền. Thực tế carbon cao chỉ làm vật liệu **cứng hơn nhưng giòn hơn** — không đồng nghĩa với bền hơn khi chịu va đập hay uốn. Với bài toán "giảm % carbon", lỗi phổ biến là tính khối lượng carbon còn lại theo khối lượng **ban đầu** (500 kg × 0,5%) thay vì khối lượng **thép sau cùng** — vì khối lượng tổng đã thay đổi khi carbon bị lấy bớt ra.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Tóm tắt

Gang (2–5% C) cứng, giòn, dễ đúc — dùng cho vật đúc phức tạp. Thép (dưới 2% C) dẻo dai, chịu uốn tốt, rèn/kéo được — dùng cho vật cần chịu lực, chịu kéo. Thép được sản xuất từ gang bằng cách oxi hóa bớt carbon.

Gang không có sẵn trong tự nhiên mà được luyện ra từ quặng sắt trong lò cao — bài tiếp theo sẽ đi vào quy trình đó.