Ugljenični čelik
Ugljenični čelik je metalna legura, kombinacija dva elementa, gvožđa (Fe) i ugljenika (C), gdje su ostali elementi prisutni u takvim odnosima da ne utiču na osobine legure. Od legirajućih elementa, u ugljeničnom čeliku jedino su dozvoljeni: magnezijum (maksimalno 1,65%), silicijum (maksimalno 0,60%) i bakar (maksimalno 0,60%). Čelik sa niskim sadržajem ugljenika ima iste osobine kao gvožđe. Kako se sadržaj ugljenika povećava, metal postaje tvrđi i čvršći, ali manje duktilan i teži za zavarivanje. Visok sadržaj ugljenika snižava tačku topljenja čelika, kao i, generalno, njegovu temperaturnu otpornosti.
| Faze legura gvožđa |
|---|
|
Austenit (γ-gvožđe; čvrsto) |
| Vrste čelika |
|
Ugljenični čelik (do 2,1% ugljenika) |
| Ostali materijali na bazi gvožđa |
|
Liveno gvožđe (>2,1% ugljenika) |
Vrste ugljeničnog čelika
urediTipični sadržaji ugljenika su:
- Niskougljenični čelik: otprilike 0,05 do 0,29% sadržaja ugljenika (npr. čelik AISI 1018). Niskougljenični čelici imaju relativno nisku vrijednost zatezne čvrstoće, ali su jeftini i kovni; površinska čvrstoća se može povećati putem karburizacije.
- Čelik sa srednjim sadržajem ugljenika: otprilike 0,30 do 0,59% sadržaja ugljenika (npr. čelik AISI 1040). Posjeduje dobru i duktilnost i čvrstoću, te je jako otporan na habanje; koristi se za velike dijelove.
- Visokougljenični čelici: otprilike 0,6 do 0,99% sadržaja ugljenika. Vrlo čvrst, te se koristi za opruge i žice visoke čvrstoće.
- Ultra visokougljenični čelik: otprilike 1,0 do 2,0% sadržaja ugljenika. Ovi čelici se termalno obrađuju do veoma visoko čvrstoće. Koriste se u posebne svrhe: za noževe, osovine i bušilice. Većina čelika sa preko 1,2% sadržaja ugljenika se prave metodama praškaste metalurgije, te obično spadaju u kategoriju visoko legiranih ugljeničnih čelika.
Čelik se može termalno obrađivati, što omogućava da se dijelovi proizvode dok su još u mekom stanju. Ako je prisutno dovoljno ugljenika, legura može očvrsnuti, te se tako povećava jačina, otpornost za habanje, kao i otpornost na udar. Čelici se obrađuju i metodom hladnog valjanja, tj. oblikovanje metala putem deformacija na niskoj metastabilnoj temperaturi.
Metalurgija
urediNiskougljenični čelik je najčešći oblik čelika, jer je njegova cijena relativno niska, a materijalu daje osobine koje su prihvatljive za mnoge primjene. Niskougljenični čelik ima niski sadržaj ugljenika (do 0,3% C), te zbog toga nije ekstremno ni krhak niti duktilan. Kovljiv postaje kada se zagrije. Koristi se kada su potrebne velike količine čelika, npr. kao konstrukcioni čelik. Gustoća ovog metala je 7.861,093 kg/m³ (0,284 lb/in³), zatezna čvrstoća je maksimalno 500 MPa (72.500 psi), a jungov modul elastičnosti mu iznosi 210 GPa.
Ugljenični čelici, koji dobro podnose termalnu obradu, imaju saržaj ugljenika u rasponu od 0,30 do 1,70%, u zavisnosti od težine. Tragovi raznih drugih elemenata mogu imati značajan efekt na kvalitet rezultujućeg čelika. Tragovi sumpora smatraju se nečistoćom u čeliku. Niskolegirani ugljenični čelik, kao što je A36, sadrži oko 0,05% sumpora, a topi se na oko 1426 do 1538 °C (2600–2800 °F). Magnezijum se često dodaje kako bi se poboljšala čvrstoća niskolegiranih ugljeničnih čelika. Ovi dodaci čine materijal niskolegiranim čelikom po nekim definicijama, ali AISI-eva definicija ugljeničnih čelika dozvoljava do 1,65% mangezijuma, u zavisnosti od težine.
Očvrsnuti čelik ili kaljeni čelik se obično odnosi na naglo hlađeni čelik (naglim hlađenjem poboljšavaju se osobine čvrstoće).
Termalna obrada
uredi
Svrha termalne obrade ugljeničnog čelika je promijena mehaničkih osobina čelika, najčešće duktilnosti, čvrstoće jačine i otpornosti na udar. Važno je napomenuti da se blago promijene i eletrična i termalna provodljivost. Kod većine tehnika za očvršćavanje čelika, modul elastičnosti (Jungov modul elastičnosti) nikada se ne mijenja.
- Sferoidizacija: Sferoidit se formira kada se ugljenični čelik zagrije na otprilike 700 °C na preko 30 sati. Sferoidit se može formirati i pri nižim temperaturama, ali potrebno vrijeme za to drastično se povećava, pošto je to difuzioni proces. Razultat je struktura od iglica ili sfera cementita unutar primarne strukture (ferit ili perlit, u zavisnosti sa koje je strane eutektoid koji posmatrate). Svrha mu je da omekša viskougljenične čelike, te da omogući lakše oblikovanje. Ovo je najmekša i najduktilnija forma čelika. Slika iznad pokazuje gdje se sferoidizacija najčešće odvija.
- Potpuno kaljenje: Ugljenični čelik se zagrijava za oko 40 °C više od Ac3 ili Ac1 za 1 sat; ovo osigurava da se sav ferit transformiše u austenit (iako se cementit može održati ako je sadržaj ugljenika veći od eutektoida). Čelik se, zatim, mora polako hladiti, za 38 °C (100 °F) po satu. Najčešće se hladi zajedno sa peći, gdje se peć ugasi sa čelikom koji je još unutar nje. Ovo rezultuje grubom perlitnom strukturom. Potpuno kaljeni čelik je mekan i duktilan. Samo sferoidizirani čelik je mekši i duktilniji.
- Normalizacija: Ugljenični čelik se zagrijava za oko 55 °C više od Ac3 ili Acm na 1 sat; ovo omogućava da se čelik u potpunosti transformiše u austenit. Čelik se, zatim, hladi zrakom, sa opadanjem temperature za 38 °C (100 °F) po minuti. Ovo rezultuje finom, uniformnom perlitnom strukturom. Normalizovani čelik ima veću jačinu od kaljenog čelika; ima relativno visoku jačinu i duktilnost.
Literatura
uredi- http://mf.unze.ba/
- Oberg, E. et al., (1996). "Machinery's Handbook," 25th ed., Industrial Press Inc.
- Smith, W.F. & Hashemi, J. (2006). "Foundations of Materials Science and Engineering," 4th ed., McGraw-Hill.
