Čelik

Iz Vikipedije, slobodne enciklopedije
Skoči na: navigacija, pretraga
Disambig.svg
Druga značenja su popisana u članku Čelik (višeznačna odrednica).
Lična karta:
  • Ime  : Čelik
  • Datum rođenja  : Početak 1. veka p.n.e.
  • Godišnja proizvodnja : 1,13 milijardi t (u 2005 godini)
Fizičko-hemijske osobine:
Alotropske modifikacije železa:
Mikrokonstituenti u čeliku i gvožđu:
Čelični most.

Čelik (tur. çelik) jeste netastabilno kristalizovana Fe-C (Fe-Fe3C) legura sa sadržajem ugljenika manjim od 2,06%. Dodavanjem volframa, hroma, molibdena, vanadijuma, mangana, nikla, kobalta i drugih metala, pojedinačno ili u kombinacijama, dobijaju se legirani čelici za specijalne svrhe, izuzetno mehanički, hemijski ili toplotno postojani. Ako je maseni udeo legirajućih elemenata veći od masenog udela gvožđa, ili se gvožđe nalazi samo u tragovima, onda ne govorimo o čeliku već o novim tipovima legura. Tu spadaju: (1) negvožđane legure (engl. Non-Ferrous Alloys) na bazi Al, Mg, Ti, i Zr, (2) legure teško topivih metala (engl. Refractory Metal Alloys) na bazi Mo, W, Co, i Ta, (3) platinske legure na bazi Pt, Pd, Rh, Ru, i Ir, (4) specijalne legure (engl. Special Alloys) i (5) super legure (engl. Superalloys).

Definicija[uredi]

Slika 1. Matastabilni fazni dijagram Fe-Fe3C (pune linije). Fazne oblasti stabilnog faznog dijagrama Fe-C označene su isprekidanim linijama.

Po klasičnoj definiciji čelik je legura gvožđa (Fe) i ugljenika (C) koja sadrži manje od 2,11% (masenih %) ugljenika. Sa stanovišta hemije i termodinamike čelik je u stvari metastabilna legura železa (Fe) i cementita - karbida železa Fe3C. Fazni dijagram koji se koristi kao polazna osnova pri proizvodnji i preradi čelika, nije ravnotežni fazni dijagram Fe-C, već njegova metastabilna verzija Fe-Fe3C (vidi sliku 1.). Zanimljivo je naglasiti da su mnogi korisni materijali, koje ekstenzivno koristimo, zapravo metastabilni. Dijamant je, na primer, metastabilna modifikacija ugljenika dok je termodinamički stabilna alotropska modifikacija grafit.

Ako je maseni udeo ugljenika između 2,11% i 4,3% onda govorimo o leguri pod imenom Gvožđe.

Osobine[uredi]

Slika 2. Spoj estetike, elegancije i izdržljivosti (engl. The Iron Bridge, Ironbridge, UK), sagrađen od livenog gvožđa 1779. godine.
Slika 3. Ajfelova kula ili Ajfelov toranj (fr. la Tour Eiffel) - Spoj estetike, elegancije i izdržljivosti, sagrađena od „pudlovanog“ čelika 1889. godine.

Neverovatan raspon i fleksibilnost osobina (uz pomoć legiranja, termičke obrade i plastične prerade) kao i relativno niska cena proizvodnje čine ga i dalje najrasprostranjenije korišćenim metalnim materijalom.

Čelik, na primer, može biti vrlo mek i kao takav izuzetno pogodan za duboko izvlačenje (pravljenje limenki, konzervi i td.). Nasuprot tome čelik može biti vrlo tvrd i krt kao na primer kod martenzitnih čelika koji se koriste za sečiva. Pred modernu proizvodnju čelika postavljaju se vrlo visoki zahtevi, koji najčešće uključuju optimalnu kombinaciju osobina kao što su zatezna čvrstoća sa jedne i duktilnost, odnosno deformabilitet sa druge. Pored toga mora se stalno voditi računa o isplativosti proizvodnje što je posledica neprestane promene cena legirajućih elemenata (na pr. Nikla).

Najvažniji legirajući element u čeliku je ugljenik. On se u čeliku nalazi u obliku jedinjenja pod imenom cementit, Fe3C. Povišeni maseni udeo ugljenika čini čelik čvršćim, ali u isto vreme krtim materijaliom. U zavisnosti od udela ugljenika i temperature na kojoj se uzorak čelika nalazi na faznom dijagramu se mogu uočiti sledeći mikrokonstituenti: Austenit, Ferit, Primarni-, Sekundarni-, cementit kao i mikrostrukture (mešavine faza): Perlit, Ledeburit. Ako se čelik naglo ohladi, tako da se difuzioni procesi (na prvom mestu difuzija ugljenika) ne odviju do kraja, onda se u strukturi čelika pojavljuju nove mikrostrukture koje su većinom presićene ugljenikom. Ako se ubrzano hlađene odvija iz austenitne oblasti mogu se javiti finolamelirane mikrostrukture Sorbit ili Trosit) kao i igličati/zrnasti Beinit ili igličasti Martenzit.

Specifična težina čelika je skoro ista kao specifična težina čistog gvožđa i iznosi oko 7.850 kg/m³.

Kako uticati na osobine čelika (legiranje)[uredi]

Osobine čelika kao što su tvrdoća, duktilnost, zatezna čvrstoća... mogu se kreirati i kontrolisati u veoma širokom spektru, što čelik čini osnovnim metalnim konstrukcionim materijalom. Tri osnovne metode, koje se naravno mogu međusobno kombinovati, u cilju postizanja željenih osobina čelika su:

Legirajući elementi i njihov uticaj na osobine čelika (poređani po abecednom redu)[uredi]

Legirajući elementi u čeliku se rezlikuju po tome da li stabilizuju stvaranje karbida, austenita ili ferita, odnosno sa kojim ciljem su legirani. Svaki element daje čeliku određeni niz karakteristika specfičnih samo njemu. Postoje vrste čelika gde samo karakteristična kombinacija „suprotstavljeno“ delijućih legirajućih elemenata daje željenu mikrostrukturu. Legiranje čelika daje samo osnovu za postizanje željenih osobina u toku termičke obrade i plastične prerade.

Legirajući elementi u čeliku se dele u principu u dve grupe:

Aluminijum (Al)[uredi]

  • TTopljenja = 658°C.
  • Sužava snažno γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C <=> Favorizuje stvaranje ferita.

Aluminijum je najjače i najčešće primenjivano dozoksidativno sredstvo. Pored toga aluminijum snažno utiče na koncentraciju rastvorenog azota u čeliku i kao takav utiče na osetljivost legure na proces starenja. Već u malim koncetnracijama favorizuje usitnjavanje zrna što kasnije značajno utiče na mehaničke osobine. Kako aluminijum zajedno sa azotom gradi nitride visoke trvdoće, veoma je široko korišćen kao legirajući element u čelicima za nitriranje.

Aluminijum povećava vatrostalnost (vatrootpornost) čelika i kao takav je često korišćen kod legiranja feritskih vatrostalnih čelika. Kroz procesu „aliranja“ (nanošenje aluminijuma u površinskom sloju) može se čak i kod visoko ugljenični čelika poboljšati vatrostalnost.

Zbog vrlo snažnog uticaja na povećanje koercitivne sile aluminijum se koristi u gvožđe-kobalt-aluminijum čeliku od koga se prave permanentni (stalni) magneti.

Arsen (As)[uredi]

  • TTopljenja = 817°C (pod pritiskom).
  • Sužava γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C.
  • Sklonost ka stvaranju segregacija - Izuzetno štetna pojava pri livenju čelika.
  • Nepoželjan legirajući element.

Difiziono žarenje, inače jedini način uklanjanja segregacija u čeliku, je još teže u slučaju arsena nego što je to slučaj kod, na primer, fosfora. Pored toga povećava krtost materijala posle procesa otpuštanja, snižava drastično zateznu čvrstoću i sposobnost zavarivanja.

Bor (B)[uredi]

  • TTopljenja = 2.300°C

Bor ima vrlo izražen uticaj na apsorpciju neutrona što ga čini veoma pogodnim za legiranje čelika koji se koristi pri izgradnji nuklearnih reaktora.

Austenitni 18/8 CrNi-čelici legirani borom u procesu taložnog ojačavanja postižu povećanu granicu tečenja i zateznu čvtstoću, s tim što istovremeno slabi njihova Koroziona postojanost. Mikrokonstituenti izdvojeni u procesu taložnog ojačavanja povećavaju zateznu čvrstoću visoko vatrostalnih čelika u području izuzetno visokih temperatura.

Kod čelika negarantovanog sastava i kod ugljeničnih čelika bor kao legirajući element poboljšava prokaljivost a samim tim zateznu čvrstoću.

Bor kao legirajući element generalno smanjuje sposobnost zavarivanja čelika.

Berilijum (Be)[uredi]

  • TTopljenja = 1.280°C.
  • Snažno širi γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C.

Bakar-berilijum-legure se koriste za izradu visokokvalitetnih opruga za časovnike koje ne pokazuju skoro nikakvu sposobnost magnetizacije kao i veću dinamičku čvrstoću nego odgovarajuće opruge napravljene od čelika. Nikl-berilijum-legure su veoma koroziono postojane i koriste se za izradu hiruških instrumenata. U čeliku, pored toga što snažno širi γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C, berilijum može onemogućiti taložno ojačavanje što u pomenutom slučaju vodi padu zatezne čvrstoće. Pored toga poseduje veliki afinitet prema kiseoniku (dezoksidirajuće svojstvo) i prema sumporu.

Ugljenik (C)[uredi]

  • TTopljenja = 3.450°C.
  • Snažno širi γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C.

Ugljenik je najvažniji i najuticajniji legirajući element u čeliku. Pored ugljenika svaki nelegirani čelik sadrži silicijum, mangan, fosfor i sumpor, čije je prisustvo posledica samog procesa proizvodnje čelika. Dodavanje drugih legirajućih elemenata u cilju postizanja određenih osobina čelika, kao i dolegiranje silicijuma i mangana vodi ka dobijanju legiranog čelika. Sa povećanjem masenog udela ugljenika raste zatezna čvrstoća i tvrdoća čelika, dok se sposobnost izvlačenja, kovnost, zavarljivost i mašinska obradljivost smanjuju.

Koroziona otpornost u odnosu na vodu, kiseline i vrele gasove skoro i da ne zavisi od masenog udela ugljenika.

Kalcijum (Ca)[uredi]

  • TTopljenja = 850°C

Zajedno sa silicijumom u formi siliko-kalcijuma upotrebljava se u procesu proizvodnje pri dezoksidaciji čelika. U principu kalcijum povećava vatrostalnost.

Cer (Ce)[uredi]

  • TTopljenja = 775°C

Sam, ali najčešće u kombinaciji sa lantanom, neodijumom, prazeodijumom i ostalim elementima koji pripadaju grupi metala retke zemlje deluje kao snažan dezoksidans. Zbog svog izuzetno velikog aktiviteta prema kiseoniku i sumporu služi kao sredstvo za postizanje visoke čistoće čelika.

Poboljšava kod visokolegiranih čelika sposobnost obrade na povišenim temparaturama dok kod vatrostalnih čelika potpomaže vatrostalnost.

Gvožđe-cer-legura sa oko 70% cera naziva se pirofor (veštački kremen).

Dodaje se i kao legirajući element u nodularnom livu

Kobalt (Co)[uredi]

  • TTopljenja = 1.492°C
  • Ne stavra karbide <=> Favorizuje izdvajanje grafita.

Orežava rast zrna, poboljšava otpornost u odnosu na krtost pri procesu otpuštanja kao i zateznu čvrstoću na povišenim temparaturama. Zbog toga se koristi kao legirajući element kod brzoreznih čelika i alatnih čelika za rad u toplom, kao i za proizvodnju drugih vatrostalnih i visoko vatrostalnih legura.

Povećava remanenciju, koercitivnu silu i toplotnu provodnost, zato se često primenjuje kao osnovni legirajući element za visokokvalitetene stalne magnete (čelične ili od drugih legura).

Pod uticajem neutronskog zračenja stvara se intenzivno izotop 60Co, zbog toga je Kobalt nepoželjan kao legurajući element u matrijalima koji služe za izradu nuklearnih reaktora.

Hrom (Cr)[uredi]

  • Ttopljenja = 1.920°C.
  • Izražena težnja ka stvaranju karbida.
  • Snažno sužava γ- a širi α-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C.

Hrom kao legirajući element daje čeliku sposobnost kaljenja u ulju, odnosno na vazduhu, preko uticaja na kritičnu brzinu kaljenja, što povećava prokaljivost čelika i sposobnost poboljšanja. Sklonost ka krtom lomu se smanjuje dodatkom hroma, mada je uticah na sposobnost izvlačenja relativno slab. Sposobnost zavarivanja (zavarljivost) raste sa povećanjem masenog udela hroma u leguri. Zatezna čvrstoća čelika raste 80-100 N/mm2 po masenom procentu hroma.

Hrom ima izuzetnu sklonost ka stvaranju karbida koji dalje pozitivno utiču na mehaničke karakteristika čelika (na pr. otpornost na habanje), ali negativno utiče na korozionu postojanost.

Iako snažno sužava γ-a širi α-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C, hrom stabilizuje austenit (γ-oblast) u hrom-mangan-, odnosno hrom-nikl-nerđajućim čelicima.

Hrom kao legirajući element snižava toplotnu i električnu provodnost čelika.

Ako imamo visko sadržaj ugljenika u čeliku i istivremeno sadržaj hroma do 3% (masena %) povećavaju se istovremeno remanencija, koercitivna sila.

Kod nerđajućih čelika sadržaj hroma preko 12% daje materijalu pozitivni elektrohemijski potencijal, materijal postaje „plemenitiji“, što ga čini otpornim na delovanje elektrolita, a istovremeno se stvara površinski sloj Cr-oksida, koji dodatno štiti materijal od korozivne sredine.

Bakar (Cu)[uredi]

  • TTopljenja = 1.083°C.
  • Nepoželjan (štetan) legirajući element.

Bakar se vrlo retko ciljno legira (samo kod nekih posebnih vrsta čelika), inače je u principu vrlo nepoželjan u čeliku. Poseban problem predstavlja u čeličanama koje proizvode čelik u elektrolučnim pećima gde se njegov udeo u leguri može vrlo teško kontrolistai, s obzirom da metalni otpad ima vrlo širok spektar udela bakra. Kada je u pitanju „staro gvožđe“, što je često sinonim za čelični otpad, u Evropskoj uniji postoje 9 klasa čeličnog otpada podeljenih prema „čistoći“ čelika. Zbog visoke cene čelika koji pripadaju višim klasama čistoće, čeličane su primorane da prave tzv. „čelični meni“ sastavljenog od optimalne kombinacije čeličnog otpada i optimalne cene tone čelika.

Štetno dejstvo bakra ispoljava se naročito pri visokim temperaturama. Najštetnije dejstvo bakra ispoljava se tokom platične prerede čelika na povičenim temparaturama (kovanje, valjanje, izvlačenje ...), i posledica je izdvajanja bakra po granicama zrna. Izdvajanje bakra po granicama zrna povećava površinsku osetljivost materijala u toku svih vrsta plastične prerade napovišenim temparaturama.

Granica tečenja i odnos granica tečenja/zatezna čvrstoća se poboljšavaju sa porastom masenog udela bakra u čeliku. Maseni udeo preko 0,3% bakra vode povećanju tvrdoće, odnosno povećane sposobnosti kaljenja.

Uticaj na sposobnost zavarivanja nije primećen.

Kod nelegiranih i nisko legiranih čelika bakar povećava njihovu otpornost na štetene atmosferke uticaje. Kod visoko legiranih čelika maseni udeo bakra iznad 1% povećava njihovu otpornost na dejstvo kiselina (pogotovo hlorovodonične i sumporne kiseline).

Vodonik (H)[uredi]

  • TTopljenja = -262°C.
  • Nepoželjan (štetan) legirajući element.

Vodonik izaziva povećanje krtosti i smanjenje sposobnosti izvlačenja čelika a da pritom ne poboljšava vrednost granice tečenja i zatezne čvrstoće. Kod većine legirajućih elemenata, npr. sposobnost izvlačenja i zatezna čvrstoća su obrnuto korelirani.

Vodonik je pored ostalog „krivac“ za takozvani „plavi lom“ čeličnog matrijala.

Unutar čelika Vodonik se okuplja u blizini greški u materijalu (dislokacije, nemetalni uključci, ...) u atmosfere. U zavisnosti od količine vodonika u čeliku te nakupine mogu dostići takve razmere da postanu koncetrator naprezanja dovoljno veliki da na njemu krene rast prskotine koja će kasnije dovesti do loma matarijala.

Magnezijum (Mg)[uredi]

  • TTopljenja = 657°C

Magnezijum se koristi kao dezoksidans a kao sredstvo za uklanjanje neželjenog sumpora iz čelika. Kao legirajući element u dobijanju legure gvožđa pospešuje stvaranje globularnog (sfernog) grafita.

Mangan (Mn)[uredi]

  • TTopljenja = 1.221°C.
  • Snažno širi γ-oblst u faznom dijagramu Fe-Fe3C.

Mangan u čeliku na prvom mestu služi kao dezoksidacionao sredstvo. Kao sredstvo za redukovanje količine slobodnog sumpora mangan deluje tako što stvara mangansuklfid (MnS) stvaranje štetnog gvožđe-sulfida (FeS). Dugo je vremena problem stvaranja gvožđe-sulfida što uzrokuje takozvanu pojavu loma u crvenom (ili crveni lom) bio nerešiv. Problem je bio u tome što gvožđe-sulfid ima veoma nisku tačku topljenja tako da ostaje u tečnoj fazi pri očvršćavanju čelika. To dovodi do toga da kao poslednja tečna faza gvožđe-sulfid očvrsne po granicama zrna. Kako je gvožđe-sulfid vrlo krt to dovodi do loma materijala već pri plastičnoj preradi u oblasti temparatura crvenog usijanja. Odatle vodi naziv - „crveni lom“ ili lom u crvenom. Suprotno gvožđe-sulfidu, mangansuklfid je teško topivo jedinjenje, tako da se u vidu nemetalnih uključaka izdvaha unutar zrna, što povoljno utiče na mehaničke osobine materijala. Ta osobina je posebno veoma korisna kod čelika za automate koji inače imaju povećan sadržaj sumpora. Povećan sadržaj sumpora kod čelika za automate koristan je sa aspekta poboljšanja sposobnosti mašinske obrade materijala.

Mangan snažno snižava kritičnu brzinu hlađenja što povećava sposobnost kaljenja čelika. Granica tečenja i zatezna čvrstoća se povećavaju sa povišenjem masenog udela mangana. Mangan takođe povoljno utiče na kovnost, sposobnost zavarivanja kao u povećanje dubune prokaljivosti.

Maseni udeli preko 4% vode, pri sporijem hlađenju, stvaranju krte martenzitne strukture tako da se ta oblast legiranja izbegava. Čelici sa preko 12% masenih udela mangana ostaju austenitni i pri istovremeno visokom sadržaju ugljenika, jer Mangan snažno deluje na širenje γ-oblasti u faznom dijagramu Fe-Fe3C. Takvi čelici se mogu na pr. deformaciono platično povzšinski ojačati uz istovremeno očuvanje duktilne centralne zone profila, što ovu sortu čelika čini izuzetno otpornu na habanje. Takav raspored, meka (duktilna) centralna zona i tvrd površinski sloj, daju ovom materijalu izuzetne eksploatacione mehaničke osobine. Čelici sa preko 18% masenih udela mangana ostaju čak i posle relativno visokog stepena plastične deformacije nemagnetični. Ova sorta čelika se često pod nazivom specijalni čelici koristi za izradu odgovornih delova koji rade u uslovima niskih temparatura.

Managn povećava toplotni koeficijent širenja, a pritom smanjuje toplotnu i električnu provodnost čelika.

Molibden (Mo)[uredi]

  • TTopljenja = 2.622°C.
  • Izražena težnja ka stvaranju karbida.
  • Snažno sužava γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C.

Molibden se većinom legira u kombinaciji sa drugim legirajućim elementima. Molibden snažno snižava kritičnu brzinu hlađenja što povećava sposobnost kaljenja čelika. U kombinaciji sa hromom niklom i manganom, molibden smanjuje sklonost ka krtosti posle otpuštanja, pospešuje stvaranje finijeg (sitnijeg) zrna, pozitivno deluje na sposobnost zavarivanja. Granica tečenja i zatezna čvtstoća se povećavaju ps povišenjem masenog udela mangana. Granica tečenja i zatezna čvrstoća se povećavaju sa povišenjem masenog udela molibdena.

Pri većim masenim udelima molibdena dolazi do smanjenja sposobnosti mašinske obrade. Zbog izražene težnje ka stvaranju karbida poboljšava osobine brzorežućih alatnih čelika. Primenjen kod visokolegiranih čelika legirenih hromom ili kod hrom-nikl-austenitnih čelika, molibden pomaže daljem povećanju korozione postojanosti.

Dodatak molibdena kao legirajućeg elementa negativno deluje na vatrostalnost čelika.

Azot (N)[uredi]

  • TTopljenja = -210°C.
  • Snažno širi γ-oblst u faznom dijagramu Fe-Fe3C.

U zavisnosti od vrste i namene čelika azot se može posmatrati i kao šteten i kao koristan legirajući element. Štetna su pojave taloženja koje dovode do sniženja sposobnosti izvalčenja a u procesu starenja izazivaju takozvani лом у плавом (pri preredi u oblasti temperatura plavog usijanja - 300 do 350°C), ako i mogućnost pojave interkristalne naponske korozije kod nelegiranih ili niskolegiranih čelika.

Kao legirajući element azot proširuje γ-oblast i stabilizuje austenitnu strukturu, povećava kod austenitnih čelika granicu tečenja, a posebno zateznu čvrstoću kao i ostale mehaničke osobine na povišenim temperaturama.

U procesu nitriranja Azot se može naneti u tankom površinskom sloju, čime se dobija vrlo čvrst i tvrd površinski sloj, dok unutrašnjost ostaje originalno meka i žilava, čime se postižu optimalne karakteristike na primer za delove koji su izloženi snažnom dinamičkom opterćenju.

Niobijum i Tantal (Nb-Ta)[uredi]

  • TNbTopljenja = 1.960°C, TTaTopljenja = 3.030°C
  • Izražena težnja ka stvaranju karbida.
  • Snažno sužavaju γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C <=> Favorizuju stvaranje ferita.

Zbog toga što u prirodi obično idu zajedno i uz to se veoma teško razdvajaju, ova dva elementa se primenjuju u legiranju čelika ako legura niobijuma i tantala. Zbog osobine da povećavaju vatrostalnost kao i otpornost na puzanje vrlo često se koriste kao legirajući elementi za čelike koji rade u uslovima visokog pritiska i visoke temperature.

Tantal ima veoma visok stepen apsorpcije neutrona tako da za čelike koji se primenjuju za izradu nuklearnih reaktora dolazi u obzir samo tantal-niobijum-legura sa vrlo niskim masenim udelom tantala.

Nikl (Ni)[uredi]

  • TTopljenja = 1.453°C.
  • Snažno širi γ-oblst u faznom dijagramu Fe-Fe3C.

Povećava granicu tečenja i smanjuje krtost kod čelika negarantovanog sastava. U cilju povećanja žilavosti nikl se dodaje kao legirajući element u čelika za cementaciju i čelike za poboljšanje.

Zbog snažno širi γ-oblsti u faznom dijagramu Fe-Fe3C nikl služi kao stabilizator austenitne strukture u nerđajućim hrom-nikl-čelicima.

Legura gvožđa i nikla sa 36% masenih udela nikla pod komercijalnim nazivom „Invar“ poseduje najmanji koeficijent termičkog širenja i kao takva nezamenljiv je matrijal u izradi mnogih mernih instrumentata.

Antimon (Sb)[uredi]

  • TTopljenja = 630°C
  • Sužava γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C.
  • Sklonost ka stvaranju segregacija - Izuzetno štetna pojava pri livenju čelika.
  • Nepoželjan legirajući element.

Slično arsenu povećava krtost odnosno smanjuje žilavost materijala.

Olovo (Pb)[uredi]

  • TTopljenja = 327,4°C

Olovo u principu nije istinski legirajući element u čeliku, jer njegov uticaj na mehaničke osobine skoro i da ne postoji. Dodaje se u količini između 0,2 i 0,5 masenih procenata u cilju poboljšanja sposobnosti obrade mašinskom obradom. Jedna od primena olova je u izradi ležajeva gde dolazi do izražaja nizak koeficijent frikcije olova.

Fosfor (P)[uredi]

  • TTopljenja = 44°C.
  • Nepoželjan (štetan) legirajući element izuzetno snažnog legirajućeg uticaja.
  • Snažno sužava γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C.

Postoji samo jedna sorta čelika kod koje je dozvoljen relativno visok sadržaj fosfora. To su čelici za automate. Fosfor iskazuje jaku tendenciju posebno ka primarnoj segregaciji, čije se štetno prisustvo usled relativno nikog koeficijenta difuzije fosfora, kako u austenitu tako i u feritu, veoma je teško uklanja. Segregacije deluju kao slaba mesta u strukturi materijala na kojima po pravilu kreće propagacija prskotine, što za posledicu ima lom materijala. Pošto je skoro nemoguće sprečiti Segregaciju fosfora, odnosno pospešiti njegovu ravnomernu raspodelu unutar čvrstog rastvora, ostaje kao jedino rešenje maksimalno smanjenje masenog udela (od 0,03%-0,05%).

Fosfor već u malim količinama povećava osetljivost na pokavu krtosti materijala prilikom otpuštanja. Taj uticaj se povećava sa povećanjem masenog udela ugljenika. Takođe raste temperatura kaljenja, veličina zrna kao i smanjenje sposobnosti plasične deformacije. Posledica svega toga može da bude lom u hladnom kao posledica porasta krtosti materijala.

U niskolegiranim čelicima negarantovanog kvaliteta koji imaju maseni udeo ugljenika oko 0,1%, povećan sadržaj fosfora povećava korozionu postojanost u odnosu na atmosferske uticaje. Sličan uticaj ima još jedan takozvani nepoželjni legirajući element, bakar.

Dodatak fosfora može kod austenitnih čelika (CrNi-čelici) pored uticaja na procese taložnog ojačavanja može povećati i granicu tečenja.

Kiseonik (O)[uredi]

  • TTopljenja = -218,7°C.
  • Nepoželjan legirajući element.

Kiseonik pogoršava tehno-mehaničke osobine čelika kao što su žilavost sposobnost starenja. Kao i sumpor kiseonik dovodi do „loma u crvenom“ (lom u oblasti temparatura crvenog usijanja).

Sumpor (S)[uredi]

  • TTopljenja = 118°C .
  • U principu nepoželjan legirajući element veoma snažnog legirajućeg dejstva.

Sumpor pogoršava tehno-mehaničke osobine čelika u prvom redu granicu tečenja. Zasebno ili kombinaciji sa kiseonikom (pojačano dejstvo) dovodi do „loma u crvenom“ (lom u oblasti temparatura crvenog usijanja).

Ipak sumpor se dodaje kod čelika za automate u masenom udelu do maksimalno 0,3% u cilju poboljšanja sposobnosti mašinske obrade rezanjem.

Silicijum (Si)[uredi]

  • TTopljenja = 1.414°C.
  • Sužava snažno γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C <=> Favorizuje stvaranje ferita.

Silicijum je jako i vrlo često primenjivano dozoksidativno sredstvo u proizvodnji čelika. Kao legirajući element silicijum povećava čvrstoću, granicu elestičnosti i otpornost na habanje. Sposobnost da poveća granicu elestičnosti dovodi do vrlo česte primene silicijuma kao legirajućeg elementa u proizvodnji čelika za opruge.

Legiran u većim masenim udelima silicijum vodi poboljšanju vatrostalnosti i otpornosti na uticaj kiselina. Međutim visok sadržaj silicijuma utiče na smanjenje električne provodnosti i koercitivne sile.

Titan (Ti)[uredi]

  • TTopljenja = 1.727°C.
  • Izražena težnja ka stvaranju karbida.

Kao snažno dozoksidativno sredstvo u izuzetnu težnju ka stavranju karbida, titan se legira kao stabilizator u kororiono rezistentnim čelicima (nerđajući čelici).

Vanadijum (V)[uredi]

  • TTopljenja = 1726°C.
  • Izražena težnja ka stvaranju karbida.

Kao i titan poseduje izuzetnu težnju ka stavranju karbida i nitrida. Vanadijum snažno deluje na vezivanje azota u čeliku. Dodatakom vanadijuma postiže se fina sitnozrna mikrostruktura koja za posledicu ima poboljšanje mehaničkih osobina čeličnih odlivaka. Dodatak vanadijuma pozitivno delije na otpornost na habanje (znog prisustava tvrdih karbida), dobre mehaničke osobine u radu na povišenim temparaturama, kao i povoljan uticaj na proces otpuštanja. Zbog svega gore nabrojanog Vanadijum se legira kod brzoreznih alatnih čelika, alatnih čelika za rad u toplom kao i kio alatnih čelika za rad na visokim temparaturama. Dolegiran u čelike za opruge Vanadijum vodi povećanju granice elastičnosti.

Volfram (W)[uredi]

  • TTopljenja = 3380°C.
  • Izražena težnja ka stvaranju karbida.

Volfram deluje vrlo pozitivno na zateznu čvrstoću, granicu tečenja kao i na žilavost čelika.

Zbog toga što utiče na povećanje čvrstoće čelika na povišenim temparaturama, a uz to povećava i otpornost na habanje, Volfram se legira kod brzoreznih alatnih čelika kao i kod alatnih čelika za rad u toplom.

Kalaj (Sn)[uredi]

  • TTopljenja = 231,8°C.
  • Nepoželjan legirajući element veoma snažnog legirajućeg dejstva.

Cirkonijum (Zr)[uredi]

  • TTopljenja = 1860°C.
  • Izražena težnja ka stvaranju karbida.
  • Cužava γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C.

Cirkonijum se ponaša kao snažno dozoksidativno sredstvo, denitrifikaciono sredstvo i desulfuraciono sredstvo. Kod čelika za automate, koji inače imaju poželjno uvećan sadržaj sumpora, Cirkonijum deluje pozitivno na profil i sastav istaloženih sulfida što smanjuje opasnost od pojave loma u crvenom.

Vrste čelika[uredi]

Po DIN EN 10020 postoje samo dve Glavne klase čelika (naš JUS je u stvari srećom samo bio preveden DIN):

Danas je registrovano negde oko 2500 različitih vrsta čelika.

Dalje deljenje na podgrupe vrši se prema legurajućim elementima, mikrostrukturi, ili mehaničkim osobinama.

Prema sadržaju legirajućih elemenata čelici se dele na:

Nelegirani čelici[uredi]

Nelegirani čelici se dele na one koji su predviđeni za termičku obradu i one koji to nisu.

Niskolegirani čelici[uredi]

Kao niskolegirani čelici tretiraju se oni čelici sa ukupnim masenim udelom legirajućih elemenata ne manjim od 1%, ali ne većim od 5%. Ovi čelici posduju poboljšane mehaničke osobine u odnosu na nelegirane čelike.

Visokolegirani čelici[uredi]

Kao visoko legirani čelik tretira se čelik koji sadrži više od 5% legirajućih elemenata. Ovi čelici poseduju izuzetne osobine u zavisnosti koja kombinacija legirajućih elemenata je primenjena. Tipičan primer je nerđajući čelik, koji svoju optpornost na koroziju duguje u prvom redu Hromu.

Podela čelika prema oblastima primene[uredi]

Čelik, materijal koji zadovoljava ekstremne kriterijume.
Kontinuirano livenje čelika.
Toplo valjani čelični profil.

Proizvodnja čelika[uredi]

vidi: Proizvodnja čelika

Industrijski i istorijski značaj[uredi]

Proizvodnja čelika u srednjem veku.

Proizvodnja gvožđa počinje već u 2. milenijumu pre Hrista u nekadašnjem carstvu Hetita, dok su prvi zapisi o proizvodnji čelika datirani u periodu početka 1. milenijuma pre Hrista.

Rude i njihova zastupljenost u zemljinoj kori[uredi]

Iako je u zemljinoj kori Železo zastupljeno sam oko 5% sastav i rasprostranjenost železnih ruda je takav da ne može da pokrije trenutne potrebe čovečanstva. Pogotovu ne nakon privrednog buma u Aziji čije su se posledice počele osećati u drugoj polovini 2003. godine.

Alternativni materijali[uredi]

Postoji generalna težnja da se čelik zameni u većini mesta gde se trenutno primenjuje, a razlog je njegova velika specifična težina. Težnja da se upotrebe metalni materijali kao što su Al, Mg, Ti i njihove legure ili kompozitni materijali (većinom na bazi ugljeničnih vlakana) otežana je činjenicom da ni jedan (za sada) poznati materijal nema tako idealan odnos (osobine+felksibilnost)/cena kao čelik. Ako je suditi po trenutnom stanju na tržištu, sada i u bližoj budućnosti, čelik je (i biće) superioran materijal za najširu upotrebu. Kao primer problema u zameni čelika drugim materijalom može poslužiti proizvodnja audijevog modela A3. Većinom od aluminijuma izrađen A3 (se izuzetkom šasije i vitalnih delova motora koji su napravljeni od čelika), iako izuzetan automobil, imao je u startu problem. Bio je izuzetno skup za svoju klasu. Ali, to nije sve. Reparatura u saobraćaju havarisanih A2 je nekoliko puta skuplja od konvencionalne reparature od čelika napravljenih automobila. Kao posledica svega A3, iako izuzetan po svojim osobinama, se više ne proizvodi.

Ekološki aspekt[uredi]

Zbog svoje izuzetne pogodnosti za recikliranje čelik je sa stanovišta Ekologije skoro savršen materijal.

Vidi još[uredi]

Literatura[uredi]

  • Ljubomir Nedeljković, „Metalurgija čelika“, Skripta, Tehnološko-Metalurški Fakultet u Beogradu, 1985
  • Ljubomir Nedeljković, „Metalurgija specijalnih čelika“, Skripta, Tehnološko-Metalurški Fakultet u Beogradu, 1985
  • H. Schuman, H. Oettel, "Metallografie", WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2005
  • Stalschluessel-Taschenbuch, Verlag Stalschluessel Wegst GmbH, Marbach, 2001

Sa drugih Vikimedijinih projekata :

Spoljašnje veze[uredi]