Čelik

Za druge upotrebe, pogledajte Čelik (višeznačna odrednica).

Čelik (tur. çelik) je metastabilno kristalizovana Fe-C (Fe-Fe₃C) legura sa sadržajem ugljenika manjim od 2,11%. 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:

• obojeni metali (engl. Non-Ferrous Alloys) na bazi Al, Mg, Ti, i Zr,
• legure teško topivih metala (engl. Refractory Metal Alloys) na bazi Mo, W, Co, i Ta,
• platinske legure na bazi Pt, Pd, Rh, Ru, i Ir,
• specijalne legure (engl. Special Alloys) i
• super legure (engl. Superalloys).

Lična karta:
Ime: čelik Datum rođenja: početak 1. veka p. n. e. Godišnja proizvodnja: 1,13 milijardi tona (u 2005. godini)
Fizičko-hemijske osobine:
Specifična težina: 7850 kg/m³
Alotropske modifikacije železa:
α-železo (PROSTCK — Prostorno centrirana kubna rešetka) γ-železo (POVCK — Površinski centrirana kubna rešetka) δ-železo (PROSTCK — Prostorno centrirana kubna rešetka) ξ-železo (HGR — Haksagonalna gustosložena rešetka)
Mikrokonstituenti u čeliku i gvožđu:
Austenit Beinit Martenzit Cementit (Fe-karbid; Fe3C) Ledeburit (eutektička faza sa 4,3% ugljenika karakteristična samo za gvožđe) Ferit Perlit

Čelični most

Definicija

Slika 1. Metastabilni 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 liveno gvožđe.

Osobine

Slika 2. Most u Ujedinjenom Kraljevstvu (engl. The Iron Bridge, Ironbridge, UK); sagrađen od livenog gvožđa 1779. 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 sl.). 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 strane. Pored toga mora se stalno voditi računa o isplativosti proizvodnje što je posledica neprestane promene cena legirajućih elemenata (npr. nikl).

Slika 3. Ajfelova kula (franc. La Tour Eiffel), spoj estetike, elegancije i izdržljivosti; sagrađena od „pudlovanog” čelika 1889. godine

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 krtijim materijalom. U zavisnosti od udela ugljenika i temperature na kojoj se uzorak čelika nalazi, na faznom dijagramu mogu se uočiti sledeći mikrokonstituenti: austenit, ferit, primarni cementit, sekundarni cementit, kao i mikrostrukture (mešavine faza): perlit i 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 igličasti/zrnasti beinit ili igličasti martenzit.

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

Kako uticati na osobine čelika (legiranje)

Osobine čelika kao što su tvrdoća, duktilnost, zatezna čvrstoća i dr. 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:

• legiranje,
• termička obrada (žarenje, kaljenje, poboljšanje, tzv. Tempkor-metoda itd.) i
• plastična prerada (valjanje, izvlačenje itd.).

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

Legirajući elementi u čeliku se razlikuju po tome da li stabilizuju stvaranje karbida, austenita ili ferita, odnosno sa kojim ciljem su legirani. Svaki element daje čeliku određeni niz karakteristika specifičnih samo njemu. Postoje vrste čelika gde samo karakteristična kombinacija „suprotstavljeno” delujućih 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:

• alfageni elementi (stabilizuju ferit): Mo, Si, V, Nb, Ti, Al, W, i
• gamageni elementi (stabilizuju austenit): Ni, Mn, C, N, Cu.

Aluminijum (Al)

• t_topljenja = 660 °C
• snažno sužava γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe₃C i 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 koncentracijama favorizuje usitnjavanje zrna što kasnije značajno utiče na mehaničke osobine. Kako aluminijum zajedno sa azotom gradi nitride visoke tvrdoće, 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 proces „aliranja” (nanošenje aluminijuma u površinskom sloju), može čak i kod visoko ugljeničnih 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)

• t_topljenja = 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

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

Bor (B)

• t_topljenja = 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 čvrstoću, 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 i zateznu čvrstoću. Bor kao legirajući element generalno smanjuje sposobnost zavarivanja čelika.

Berilijum (Be)

• t_topljenja = 1.287 °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 hirurških 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)

• t_topljenja = 3.500 °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)

• t_topljenja = 842 °C

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

Cerijum (Ce)

• t_topljenja = 795 °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. Kod visokolegiranih čelika poboljšava sposobnost obrade na povišenim temperaturama dok kod vatrostalnih čelika potpomaže vatrostalnost. Gvožđe-cerijum-legura sa oko 70% cera naziva se pirofor (veštački kremen). Dodaje se i kao legirajući element u nodularnom livu.

Kobalt (Co)

• t_topljenja = 1,495 °C
• ne stvara karbide i Favorizuje izdvajanje grafita

Otežava rast zrna, poboljšava otpornost u odnosu na krtost pri procesu otpuštanja, kao i zateznu čvrstoću na povišenim temperaturama. 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, a zato se često primenjuje kao osnovni legirajući element za visokokvalitetne stalne magnete (čelične ili od drugih legura). Pod uticajem neutronskog zračenja intenzivno se stvara izotop ⁶⁰Co. zbog čega je kobalt nepoželjan kao legirajući element u materijalima koji služe za izradu nuklearnih reaktora.

Hrom (Cr)

• t_topljenja = 1.907 °C
• izražena težnja ka stvaranju karbida
• snažno sužava γ-oblast, 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 uticaj na sposobnost izvlačenja relativno slab. Sposobnost zavarivanja (zavarljivost) raste sa povećanjem masenog udela hroma u leguri. Zatezna čvrstoća čelika raste od 80 N/mm² do 100 N/mm² po masenom procentu hroma. Hrom ima izuzetnu sklonost ka stvaranju karbida, koji dalje pozitivno utiču na mehaničke karakteristika čelika (npr. otpornost na habanje), ali negativno utiče na korozionu postojanost. Iako snažno sužava γ-oblast, a širi α-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe₃C, hrom stabilizuje austenit (γ-oblast) u hrom-mangan-, od. hrom-nikl-nerđajućim čelicima. Hrom kao legirajući element snižava toplotnu i električnu provodnost čelika. Ako imamo visok sadržaj ugljenika u čeliku i istovremeno sadržaj hroma do 3% (masena %) povećavaju se istovremeno remanencija i 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)

• t_topljenja = 1.085 °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 kontrolisati, s obzirom na to 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 postoji 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” sastavljen 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 plastične prerade čelika na povišenim temperaturama (kovanje, valjanje, izvlačenje i sl.), i posledica je izdvajanja bakra po granicama zrna. Izdvajanje bakra po granicama zrna povećava površinsku osetljivost materijala u toku svih vrsta plastične prerade na povišenim temperaturama. Granica tečenja i odnos granica tečenja / zatezna čvrstoća poboljšavaju se sa porastom masenog udela bakra u čeliku. Maseni udeo preko 0,3% bakra vodi povećanju tvrdoće, odnosno povećane sposobnosti kaljenja. Uticaj na sposobnost zavarivanja nije primećen. Kod nelegiranih i nisko legiranih čelika bakar povećava njihovu otpornost na štetne atmosferske uticaje. Kod visoko legiranih čelika maseni udeo bakra iznad 1% povećava njihovu otpornost na dejstvo kiselina (pogotovo hlorovodonične i sumporne kiseline).

Vodonik (H)

• t_topljenja = −259 °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, sposobnost izvlačenja i zatezna čvrstoća su obrnuto korelirani. Vodonik je — pored ostalog — „krivac” za takozvani „plavi lom” čeličnog materijala. Unutar čelika vodonik se okuplja u blizini grešaka u materijalu (dislokacija, nemetalni uključci i sl.). U zavisnosti od količine vodonika u čeliku, te nakupine mogu dostići takve razmere da postanu koncentrator naprezanja dovoljno velik da na njemu krene rast prskotine, koja će kasnije dovesti do loma materijala.

Magnezijum (Mg)

• t_topljenja = 650 °C

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

Mangan (Mn)

• t_topljenja = 1.246 °C
• snažno širi γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe₃C

Mangan u čeliku na prvom mestu služi kao dezoksidaciono sredstvo. Kao sredstvo za redukovanje količine slobodnog sumpora, mangan deluje tako što stvara mangan sulfid (MnS), ali i štetni gvožđe sulfid (FeS). Dugo je vremena problem stvaranja gvožđe sulfida (što uzrokuje takozvanu pojavu „loma u crvenom” (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 temperatura crvenog usijanja. Odatle vodi naziv — „crveni lom” ili „lom u crvenom”. Suprotno gvožđe sulfidu, mangan sulfid je teško topivo jedinjenje, tako da se u vidu nemetalnih uključaka izdvaja 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 i povećanje dubine 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 deformaciono plastično površinski ojačati uz istovremeno očuvanje duktilne centralne zone profila, što ovu sortu čelika čini izuzetno otpornom 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 temperatura. Mangan povećava toplotni koeficijent širenja, a pritom smanjuje toplotnu i električnu provodnost čelika.

Molibden (Mo)

• t_topljenja = 2.623 °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 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 brzoreznih alatnih čelika. Primenjen kod visokolegiranih čelika legiranih 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)

• t_topljenja = −210 °C
• snažno širi γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe₃C

U zavisnosti od vrste i namene čelika azot se može posmatrati i kao štetan i kao koristan legirajući element. Štetne su pojave taloženja koje vode do sniženja sposobnosti izvlačenja, a u procesu starenja izazivaju takozvani „lom u plavom” (pri preradi u oblasti temperatura plavog usijanja — od 300 °C do 350 °C), ako ne i mogućnost pojave interkristalne naponske korozije kod nelegiranih ili niskolegiranih čelika. Kao legirajući element azot proširuje γ-oblast i stabilizuje austenitnu strukturu, povećava granicu tečenja kod austenitnih čelika, 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 veoma čvrst i tvrd površinski sloj, dok unutrašnjost ostaje originalno meka i žilava, čime se postižu optimalne karakteristike za delove koji su izloženi snažnom dinamičkom opterećenju.

Niobijum (Nb) i tantal (Ta)

• t_{topljenja (Nb)} = 2.477 °C, t_{topljenja (Ta)} = 3.017 °C
• izražena težnja ka stvaranju karbida
• snažno sužavaju γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe₃C i 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 kao legura niobijuma i tantala. Zbog osobine da povećavaju vatrostalnost kao i otpornost na puzanje veoma 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 veoma niskim masenim udelom tantala.

Nikl (Ni)

• t_topljenja = 1.455 °C
• snažno širi γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe₃C

Nikl povećava granicu tečenja i smanjuje krtost kod čelika negarantovanog sastava. U cilju povećanja žilavosti, nikl se dodaje kao legirajući element kod čelika za cementaciju i čelika za poboljšanje. Zbog toga što snažno širi γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe₃C, nikl služi kao stabilizator austenitne strukture kod nerđajućih hrom-nikl-čelika. Legura gvožđa i nikla sa 36% masenog udela nikla, pod komercijalnim nazivom Invar, poseduje najmanji koeficijent termičkog širenja i — kao takva — nezamenljiv je materijal u izradi mnogih mernih instrumenata.

Kiseonik (O)

• t_topljenja = −219 °C
• nepoželjan legirajući element

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

Fosfor (P)

• t_topljenja = 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 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, kao jedino rešenje ostaje maksimalno smanjenje masenog udela (od 0,03% do 0,05%). Fosfor već u malim količinama povećava osetljivost na pojavu krtosti materijala prilikom otpuštanja. Taj uticaj se povećava sa povećanjem masenog udela ugljenika. Takođe raste temperatura kaljenja, veličina zrna, kao i smanjenje sposobnosti plastične 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 tzv. nepoželjni legirajući element — bakar. Dodatak fosfora kod austenitnih čelika (CrNi-čelici) — pored uticaja na procese taložnog ojačavanja — može povećati i granicu tečenja.

Olovo (Pb)

• t_topljenja = 327 °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 mašinske obrade. Jedna od primena olova je u izradi ležajeva, gde dolazi do izražaja nizak koeficijent trenja (frikcije) olova.

Sumpor (S)

• t_topljenja = 115 °C
• u principu nepoželjan legirajući element veoma snažnog legirajućeg dejstva

Sumpor pogoršava tehničko-mehaničke osobine čelika, u prvom redu granicu tečenja. Zasebno ili u kombinaciji sa kiseonikom (pojačano dejstvo) dovodi do „loma u crvenom” (lom u oblasti temperatura crvenog usijanja). Sumpor se ipak dodaje kod čelika za automate u masenom udelu do maksimalno 0,3%, u cilju poboljšanja sposobnosti mašinske obrade rezanjem.

Antimon (Sb)

• t_topljenja = 631 °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.

Silicijum (Si)

• t_topljenja = 1.414 °C
• snažno sužava γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe₃C i Favorizuje stvaranje ferita

Silicijum je jako i veoma često primenjivano dezoksidativno sredstvo u proizvodnji čelika. Kao legirajući element silicijum povećava čvrstoću, granicu elastičnosti i otpornost na habanje. Sposobnost da poveća granicu elastičnosti dovodi do veoma 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.

Kalaj (Sn)

• t_topljenja = 232 °C
• nepoželjan legirajući element veoma snažnog legirajućeg dejstva

Titanijum (Ti)

• t_topljenja = 1.668 °C
• izražena težnja ka stvaranju karbida

Kao snažno dezoksidativno sredstvo sa izuzetnom težnjom ka stvaranju karbida, titanijum se legira kao stabilizator u koroziono-rezistentnim čelicima (nerđajući čelici).

Vanadijum (V)

• t_topljenja = 1910 °C
• izražena težnja ka stvaranju karbida

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

Volfram (W)

• t_topljenja = 3.422 °C
• izražena težnja ka stvaranju karbida

Volfram deluje veoma pozitivno na zateznu čvrstoću, granicu tečenja, kao i na žilavost čelika. Zbog toga što utiče na povećanje čvrstoće čelika na povišenim temperaturama — a uz to povećava i otpornost na habanje — volfram se legira kod brzoreznih alatnih čelika, kao i kod alatnih čelika za rad u toplom.

Cirkonijum (Zr)

• t_topljenja = 1.855 °C
• izražena težnja ka stvaranju karbida
• sužava γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe₃C

Cirkonijum se ponaša kao snažno dezoksidativno, denitrifikaciono 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

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

• kvalitetni čelici (engl. Quality Steels (QS)) i
• specijalni (plemeniti) čelici (engl. Special Steels (SS)).

Danas je registrovano negde oko 2.500 različitih vrsta čelika.

Dalje deljenje na podgrupe vrši se prema legirajućim elementima, mikrostrukturi i mehaničkim osobinama.

Podela čelika prema sadržaju legirajućih elemenata

Prema sadržaju legirajućih elemenata čelici se dele na:

• nelegirane čelike,
• niskolegirane čelike i
• visokolegirane čelike.

Nelegirani čelici

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

Niskolegirani čelici

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

Visokolegirani čelici

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 otpornost na koroziju duguje — u prvom redu — hromu.

Podela čelika prema oblastima primene

Čelik, materijal koji zadovoljava ekstremne kriterijume

Kontinuirano livenje čelika

Toplo valjani čelični profil

Prema sadržaju legirajućih elemenata čelici se dele na:

• čelike za automate,
• betonske čelike,
• čelike za cementaciju,
• čelike za opruge,
• TRIP čelike (engl. Transformation-Induced Plasticity (TRIP) Steels),
• HSLA čelike (engl. High Strength Low Alloy (HSLA) Steels),
• Nerđajuće čelike
  • feritni čelici (minimalno 10% Cr) i
  • austenitni čelici (Cr+Ni; nemagnetični na sobnoj temperaturi),
• čelike za nitriranje,
• čelike otporne na uticaj kiselina,
• čelike za duboko izvlačenje,
• čelike za poboljšanje,
• alatne čelike
  • brzorezni čelici,
• čelike za izradu sečiva
  • damaskijski čelik (poznat kao čelik od koga su pravljene sablje Damaskije, poznate po svojim izuzetnim svojstvima kao što su fleksibilnost i čvrstoća; damaskijski čelik u stvari nije čelik u pravom smislu reči, već kompozitni materijal sastavljen od više vrsta čelika u procesu kovanja) i dr.

Proizvodnja čelika

Proizvodnja čelika u srednjem veku

Glavni članak: Proizvodnja čelika

Industrijski i istorijski značaj

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

Iako je u zemljinoj kori železo zastupljeno samo oko 5%, sastav i rasprostranjenost železnih ruda je takva da ne može da pokrije trenutne potrebe čovečanstva, a pogotovo ne nakon „privrednog buma” u Aziji, čije su se posledice počele osećati u drugoj polovini 2003. godine.

Alternativni materijali

Postoji generalna težnja da se čelik zameni u većini mesta gde se trenutno primenjuje, a razlog je njegova velika specifična masa. 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+fleksibilnost)/(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 problem u startu. 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 navedenog, A3 — iako izuzetan po svojim osobinama — više se ne proizvodi.

Ekološki aspekt

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

Vidi još

• Eutektoid
• Martenzit
• Vrste čelika — Opis, skraćenice i standardi (JUS/DIN)
• Železo(II)-oksid
• Železo(III)-oksid
• Kriza industrije čelika
• Industrija čelika

Literatura

• 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.

Spoljašnje veze

• Tehnologija čelika (Televizija Zvezda - Zvanični rutjub kanal)
• (jezik: engleski) Steeluniversity.org
• (jezik: engleski) Worldsteel.org
• (jezik: engleski) Cooking with Steel! (wastedtalent.ca)
• (jezik: engleski) Fe-Fe₃C fazni dijagram (sv.vt.edu)
• (jezik: engleski) ТТТ dijagram (sv.vt.edu)
• (jezik: nemački) Uticaj legirajućih elemenata na osobine čelika (stahl.profzone.ch)
• (jezik: engleski) Kolekcija slika i filmova o austenitu i feritu; izuzetno edukativno (msm.cam.ac.uk)