Các nhà nghiên cứu chưa xác định được chính xác thời điểm thép được phát minh từ khi nào, nhưng một số mẫu thép sớm nhất được ghi nhận từ thiên niên kỷ 1 trước Công nguyên, xuất hiện ở các khu vực Trung Á và Nam Á.
Thép là một vật liệu thiết yếu trong nền văn minh hiện đại, được sử dụng rộng rãi trong việc xây dựng các công trình cao tầng, chế tạo, sản xuất ô tô và nhiều ngành công nghiệp khác. Tuy nhiên, thép không tồn tại sẵn trong tự nhiên. Kim loại mạnh mẽ này đã xuất hiện ít nhất 2.000 năm trước, mặc dù các nhà khảo cổ vẫn chưa xác định chính xác thời gian nó ra đời, theo Live Science.
Thép là một hợp kim của sắt và carbon. Dù thành phần chính là sắt, nhưng việc bổ sung 0,2 – 1% carbon giúp thép cứng hơn, bền hơn và chống gỉ tốt hơn so với sắt nguyên chất. Các nhà khảo cổ cho rằng kỹ thuật này được phát hiện độc lập ở nhiều khu vực và sau đó lan rộng khắp thế giới cổ đại. Theo Paul Craddock, chuyên gia luyện kim cổ đại tại Bảo tàng Anh, thép bắt đầu phát triển từ thiên niên kỷ 1 trước Công nguyên ở Thế giới cũ.
Những mẫu thép sớm nhất được tìm thấy ở Trung Á và Nam Á, được sản xuất bằng cách nung chảy sắt và carbon. Một số dạng sắt thô khác cũng chứa đủ carbon để được coi là thép. Vào thời La Mã, các hiện vật như dao găm đã được làm từ thép qua quá trình xử lý nhiệt hoàn thiện, đòi hỏi kỹ thuật rèn và nung sắt ở nhiệt độ rất cao để loại bỏ tạp chất, sau đó thêm cacbon vào. Tuy nhiên trong giới chuyên gia không rõ ai là người đầu tiên phát minh ra kỹ thuật này, nhưng nó yêu cầu quy trình nung sắt phức tạp nhằm loại bỏ tạp chất từ quặng sắt, theo Craddock.
Sự chuyển đổi từ thời kỳ đồ đồng sang đồ sắt diễn ra trên khắp châu Á, Trung Đông và châu Âu khoảng 3.000 năm trước. Trước đó, trong hơn 2.000 năm, con người đã sử dụng đồng lộng – một hợp kim chứa 90% đồng và 10% thiếc – để chế tạo vũ khí, áo giáp và các vật dụng nghi lễ. Tuy nhiên, những đồ vật này thường có giá trị cao và không dễ tiếp cận đối với người dân bình thường.
Nhà khảo cổ Alessandra Giumlia-Mair chỉ ra rằng, sắt dần thay thế đồng trong nhiều ứng dụng nhờ vào nguồn cung quặng sắt phong phú và giá thành thấp hơn rất nhiều. Vào thời kỳ đầu, kiếm và dao găm bằng sắt không nhất thiết phải sắc hơn hay bền hơn so với các loại vũ khí làm từ đồng điếu – một hợp kim gồm 90% đồng và 10% thiếc. Tuy nhiên, do sự dồi dào của quặng sắt, chi phí sản xuất các công cụ và vũ khí bằng sắt trở nên rẻ hơn đáng kể, dẫn đến sự phổ biến của chúng trong các nền văn minh cổ đại.
Dù không phải là vật liệu ưu việt hơn đồng ngay từ đầu, sắt nhanh chóng khẳng định ưu thế khi các thợ rèn cổ đại phát triển kỹ thuật chế tạo ngày càng tinh vi. Những kỹ thuật mới bao gồm khả năng xử lý sắt để làm cho nó cứng và bền hơn, từ đó tạo ra thép – một hợp kim được gia cường từ sắt và carbon. Thép dần dần trở thành vật liệu được ưa chuộng cho cả vũ khí lẫn công cụ lao động, giúp nhiều người dân hơn có khả năng sở hữu các sản phẩm sắt cứng cáp và hiệu quả hơn.
Mặc dù sắt và thép ngày càng trở nên phổ biến, đồng vẫn giữ một vai trò quan trọng trong việc chế tạo các sản phẩm cao cấp. Những đồ vật tinh xảo như vại, đèn, hay đồ trang trí cá nhân làm từ đồng điếu vẫn được ưa chuộng, đặc biệt là bởi tầng lớp giàu có, do tính chất thẩm mỹ và khả năng gia công của đồng. Ngay cả khi sắt thống trị các lĩnh vực công nghiệp và quân sự, đồng vẫn được sử dụng cho những sản phẩm có giá trị cao cho đến thời Trung Cổ, khẳng định vị trí không thể thay thế trong một số lĩnh vực sản xuất thủ công và nghệ thuật.
Hiện nay, quy trình sản xuất thép hiện đại luôn diễn ra trong các lò nung chuyên dụng, gang thỏi – nguyên liệu chính được tinh chế từ quặng sắt – được nấu chảy và tinh luyện. Quá trình này thường diễn ra ở nhiệt độ cực kỳ cao, kết hợp với oxy để loại bỏ tạp chất và điều chỉnh thành phần hóa học, tạo ra các hợp kim thép khác nhau tùy vào mục đích sử dụng.
Tùy thuộc vào yêu cầu kỹ thuật, các loại thép có thể chứa tỷ lệ cacbon khác nhau, từ đó ảnh hưởng đến độ cứng, tính dẻo dai, và khả năng chống chịu của vật liệu. Bên cạnh cacbon, các nguyên tố khác như crom, niken, molypden, và vanadi cũng được thêm vào nhằm gia tăng các đặc tính quan trọng như khả năng chống gỉ, độ bền, và sức chịu nhiệt. Ví dụ, việc thêm khoảng 10-12% crom vào thép sẽ tạo ra thép không gỉ – một hợp kim có khả năng chống ăn mòn vượt trội, được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp sản xuất dụng cụ nhà bếp, thiết bị y tế, và trong xây dựng.
Sự đa dạng trong các loại thép không chỉ phụ thuộc vào thành phần hợp kim mà còn ở quy trình xử lý nhiệt và cơ khí. Các quy trình như cán, rèn, hoặc xử lý nhiệt giúp thay đổi cấu trúc tinh thể của thép, làm cho nó phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau từ những chi tiết nhỏ trong cơ khí chính xác cho đến những tấm thép khổng lồ trong công nghiệp xây dựng. Các loại thép chuyên dụng như thép chịu nhiệt, thép kết cấu, thép dụng cụ đều được phát triển với những thuộc tính đặc biệt để đáp ứng yêu cầu của từng ngành công nghiệp.
Ngoài ra, công nghệ sản xuất thép ngày nay còn chú trọng đến yếu tố bền vững và thân thiện với môi trường. Nhiều nhà máy đã áp dụng các quy trình tái chế thép phế liệu để giảm lượng khí thải CO2, đồng thời tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng trong sản xuất, nhằm giảm thiểu tác động xấu đến môi trường. Nhờ những tiến bộ không ngừng trong công nghệ, thép hiện đại đã và đang đóng vai trò không thể thiếu trong hầu hết mọi lĩnh vực của cuộc sống, từ những công trình kiến trúc đồ sộ cho đến những vật dụng hàng ngày, thể hiện sự phát triển vượt bậc trong ngành luyện kim qua hàng nghìn năm lịch sử.
Xem thêm:
Nguồn Live Science