Định nghĩa vật liệu kim loại
Vật liệu kim loại là nhóm vật liệu kỹ thuật được đặc trưng bởi liên kết kim loại — trong đó các electron hóa trị tách khỏi nguyên tử và di chuyển tự do trong mạng tinh thể dưới dạng “biển electron”. Cơ chế liên kết này tạo ra các tính chất đặc trưng: dẫn điện và dẫn nhiệt cao, tính dẻo, độ bền kéo cao và ánh kim đặc trưng.
Trong kỹ thuật xây dựng, “vật liệu kim loại” thường chỉ các kim loại kỹ thuật và hợp kim của chúng đã qua luyện kim và gia công cơ khí. Nhóm này bao gồm thép (hợp kim Fe-C), nhôm và hợp kim nhôm, đồng và hợp kim đồng, kẽm, titan và các kim loại màu khác.
Phân loại
1. Kim loại đen (Ferrous metals)
Kim loại đen là nhóm hợp kim trên nền sắt (Fe), bao gồm thép carbon, thép hợp kim thấp và thép không gỉ. Thép chiếm trên 90% tổng sản lượng kim loại toàn cầu nhờ chi phí thấp, cường độ cao và khả năng tái chế tốt. Gang (cast iron) cũng là kim loại đen với hàm lượng carbon 2,14–6,67%.
2. Kim loại màu (Non-ferrous metals)
Kim loại màu bao gồm nhôm, đồng, kẽm, chì, titan và các kim loại quý. Nhôm là kim loại màu phổ biến nhất trong xây dựng nhờ nhẹ (2.700 kg/m³ so với 7.850 kg/m³ của thép) và chống ăn mòn tốt. Đồng được dùng trong hệ thống điện và ống dẫn nước nhờ độ dẫn điện cao (σ = 5,96 × 10⁷ S/m).
Đặc điểm kỹ thuật các kim loại xây dựng chính
| Kim loại/hợp kim | Cường độ kéo (MPa) | Giới hạn chảy (MPa) | Module Young E (GPa) | Khối lượng riêng (kg/m³) | Dẫn nhiệt λ (W/m·K) |
|---|---|---|---|---|---|
| Thép CB300-V | ≥450 | ≥300 | 200–210 | 7.850 | 50 |
| Thép CB400-V | ≥570 | ≥400 | 200–210 | 7.850 | 50 |
| Thép không gỉ 304 | 515 | 205 | 193 | 8.000 | 16 |
| Nhôm 6061-T6 | 310 | 276 | 68,9 | 2.700 | 167 |
| Nhôm 6063-T5 | 186 | 145 | 68,9 | 2.700 | 201 |
| Đồng C11000 | 220–390 | 69–345 | 117 | 8.900 | 391 |
| Kẽm Z1 | 110–200 | — | 108 | 7.133 | 116 |
Thép trong xây dựng
Thép xây dựng tại Việt Nam được quy định theo TCVN 1651:2018 (thép thanh và cuộn cán nóng) và TCVN 7571:2006 (thép hình). Thép thanh CB300-V và CB400-V là hai mác phổ biến nhất cho cốt thép bê tông, tương đương Grade 300 và Grade 400 theo ISO 6935-2. Thép hình I, H, C và L được dùng cho kết cấu khung nhà thép và cầu.
Thép không gỉ (stainless steel) nhóm austenite (304, 316) được dùng trong môi trường ăn mòn cao như ven biển, công trình thực phẩm và y tế. Hàm lượng Chromium tối thiểu 10,5% tạo lớp oxit bảo vệ thụ động chống ăn mòn theo cơ chế tự phục hồi.
Nhôm trong xây dựng
Nhôm hợp kim series 6000 (6061, 6063) là lựa chọn phổ biến cho kết cấu cửa sổ, mặt dựng curtain wall, mái che và lan can. Nhôm 6063-T5 có giới hạn chảy 145 MPa, thường được đùn thành các profile phức tạp dùng làm khung cửa. Trọng lượng nhôm chỉ bằng 1/3 thép nên giảm đáng kể tải trọng kết cấu.
Nhôm tự nhiên hình thành lớp Al₂O₃ bảo vệ bề mặt, nhưng để tăng độ bền màu và chống xước trong xây dựng, nhôm thường được anodized (anodia hóa) tạo lớp oxide dày 15–25 micron hoặc sơn tĩnh điện polyester.
Những hiểu lầm phổ biến
- Tất cả kim loại đều cứng: Gallium nóng chảy ở 29,8°C và có thể tan trong lòng bàn tay. Chì rất mềm và dễ bẻ bằng tay. Độ cứng của kim loại dao động rất rộng.
- Thép không gỉ không bao giờ rỉ: Thép không gỉ vẫn có thể bị ăn mòn khe (crevice corrosion) và ăn mòn điểm (pitting) trong môi trường clorua cao, đặc biệt khi tiếp xúc thép carbon hoặc có vùng thiếu oxy.
- Nhôm không dẫn điện tốt bằng đồng: Đúng về điện dẫn tuyệt đối, nhưng nhôm có điện dẫn theo khối lượng (mass conductivity) cao hơn đồng, do đó dây điện nhôm nhẹ hơn dây đồng cùng khả năng tải điện.
- Kim loại không cần bảo dưỡng: Thép carbon bị ăn mòn nhanh nếu không sơn hoặc mạ. Chi phí ăn mòn kim loại tại Việt Nam ước tính 3–5% GDP mỗi năm.
- Gang và thép là như nhau: Gang có hàm lượng carbon >2,14%, rất cứng nhưng giòn, không thể rèn hay cán được. Thép có carbon thấp hơn, dẻo và có thể gia công cơ khí đa dạng.
Câu hỏi thường gặp
- Thép CB300 và CB400 khác nhau như thế nào?
- CB300 có giới hạn chảy tối thiểu 300 MPa và cường độ kéo ≥450 MPa. CB400 có giới hạn chảy ≥400 MPa và cường độ kéo ≥570 MPa. CB400 dùng cho kết cấu chịu lực lớn hơn, thay thế CB300 trong nhiều thiết kế hiện đại để giảm lượng thép sử dụng.
- Nhôm 6061 và 6063 khác nhau thế nào?
- 6061 có cường độ cao hơn (kéo 310 MPa vs 241 MPa của 6063) nhưng khó đùn hơn. 6063 có bề mặt đẹp hơn sau anodize và dễ đùn thành profile phức tạp, phù hợp làm khung cửa và mặt dựng kiến trúc.
- Thép có thể dùng trong môi trường biển không?
- Thép carbon thông thường bị ăn mòn nhanh trong môi trường biển do clorua. Cần dùng thép không gỉ 316L (có Mo để chống clorua), thép chịu thời tiết Corten, hoặc thép carbon được bảo vệ bằng hệ thống sơn epoxy phù hợp.
- Module đàn hồi của thép là bao nhiêu?
- Module đàn hồi (Young’s modulus) của thép E = 200–210 GPa, không phụ thuộc đáng kể vào mác thép. Đây là hằng số vật liệu quan trọng dùng trong tính toán độ võng và biến dạng kết cấu.
- Đồng đỏ và đồng thau khác nhau thế nào?
- Đồng đỏ (red copper) là đồng nguyên chất (≥99,9% Cu). Đồng thau (brass) là hợp kim Cu-Zn (10–45% Zn). Đồng thanh (bronze) là hợp kim Cu-Sn. Đồng thau cứng hơn đồng đỏ và được dùng nhiều hơn trong phụ kiện, van và trang trí.
- Thép mạ kẽm khác thép sơn ở điểm nào?
- Mạ kẽm bảo vệ thép theo hai cơ chế: hàng rào vật lý và bảo vệ cathodic (kẽm là anode hy sinh). Thép mạ kẽm nhúng nóng có lớp Zn dày 45–85 µm (TCVN 4573), bền hơn sơn trong môi trường khắc nghiệt nhưng không thể sơn phủ đẹp bằng.
- Titan có dùng trong xây dựng không?
- Có, nhưng giới hạn ở công trình đặc biệt do giá cao. Titan Grade 2 có cường độ kéo 345 MPa, nhẹ hơn thép 45% và hoàn toàn chống ăn mòn. Tấm titan được dùng ốp mặt ngoài các công trình kiến trúc biểu tượng như Bảo tàng Guggenheim Bilbao.
- Làm thế nào phân biệt thép CB300 và CB400 trên công trường?
- Thép CB300 và CB400 được phân biệt bằng gờ nổi trên bề mặt và nhãn hiệu nhà sản xuất theo TCVN 1651:2018. Ngoài ra có thể kiểm tra chứng chỉ xuất xưởng (mill certificate) ghi rõ mác thép và kết quả thử kéo.
Kết luận
Vật liệu kim loại — đặc biệt là thép và nhôm — là vật liệu kết cấu không thể thay thế trong xây dựng hiện đại nhờ tính chất cơ học vượt trội, khả năng sản xuất công nghiệp quy mô lớn và tỷ lệ tái chế cao. Thép chiếm trên 50% trọng lượng vật liệu trong hầu hết công trình dân dụng và công nghiệp tại Việt Nam.
Xu hướng hiện tại là sử dụng thép cường độ cao (HPS) để giảm lượng thép cần dùng, kết hợp hệ thống bảo vệ chống ăn mòn tiên tiến để kéo dài tuổi thọ công trình trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm.