Čelik

Definicija: Materijal koji, prema masi, sadrži više gvožđa od bilo kog pojedinačnog elementa, u kojem je sadržaj ugljenika obično manji od 2% i koji sadrži druge elemente. Ograničeni broj hrom-čelika može da sadrži više od 2% ugljenika, ali 2% ugljenika je obično granica razdvajanja između čelika i livenog gvožđa.

Fizičko-hemijske osobine: Specifična težina = 7850 kg/m3

Alotropske modifikacije gvožđa:α-gvožđe (PROSTCK - Prostorno centrirana kubna rešetka) γ- gvožđe (POVCK - Površinski centrirana kubna rešetka) δ- gvožđe (PROSTCK - Prostorno centrirana kubna rešetka) ξ- gvožđe (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

UVOD

Čelik je metastabilno 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.

Definicija

 

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 gvožđ a (Fe) i ugljenika (C) koja sadrži manje od 2,06% (masenih %) ugljenika. Sa stanovišta hemije i termodinamike čelik je u stvari metastabilna legura gvožđ a (Fe) i cementita - karbida gvožđa 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.Ako je maseni udeo ugljenika između 2,06% i 4,3% onda govorimo o leguri pod imenom Gvožđe.

OSOBINE

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.

Kako uticati na osobine čelika (legranje)

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:- legiranje- termička obrada- plastična prerada (valjanje, izvlačenje, itd.)

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

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 "suprostavljeno" delujućih legirajućih elemenata daje željenu mikrostrukturu. Legiranje čelika daje samo osnovu za postizanje željenih osobina u toku termičke obrade i plastične prerade

Aluminijum (Al)

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

stvaranje ferita.

Aluminijum je najjače i najčešće primenjivano dezoksidativno 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 proces "aliranja" (nanošenje aluminijuma u površinskom sloju) može se 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)

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.

Difuziono 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)

TTopljenja = 2300°C

Bor ima vrlo izražen uticaj na absorpciju neutrona što ga čini veoma pogodnim za legiranje čelika koji se koristi pri izgradnji nuklearnih reaktora.Austenitni nerđajući 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 zateznu čvrstoću.Bor kao legirajući element generalno smanjuje sposobnost zavarivanja čelika.

Berilijum (Be)

TTopljenja = 1280°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)

TTopljenja = 3450C.

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

Kalcijum (Ca)

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)

TTopljenja = 775°C

Sam, ali najčešće u kombinaciji sa lantanom, neodijumom, prazeodijumom i ostalim elementima koji pripadaju grupi metala retke zemlje deluje kao snažan dezoksidant. 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)

TTopljenja = 1492°C Ne stvara karbide <=> Favorizuje izdvajanje grafita.

Otežava 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 materijalima koji služe za izradu nuklearnih reaktora.

HromCr)

TTopljenja = 1920°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 uticaj 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 karakteristike 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 (?-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.

Bakar (Cu)

TTopljenja = 1083°C. Nepoželjan (štetan) legirajući element.

Bakar se vrlo retko koristi kao legirajući element (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" sastavljeno 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 prerede čelika na povišenim temparaturama (kovanja, valjanja, izvlačenja ...), 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 temparaturama.Granica tečenja i odnos granice 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 atmosferske uticaje. Kod visoko legiranih čelika maseni udeo bakra iznad 1% povećava njihovu otpornost na dejstvo kiselina (pogotovo hlorovodonične i sumporne kiseline).

Vodonik (H)

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 materijala.Unutar čelika vodonik se okuplja u blizini greški u materijalu (dislokacije, nemetalni uključci, ...) . 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)

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)

TTopljenja = 1221°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 mangansulfid (MnS) stvaranje štetnog gvožđasulfida (FeS). Dugo je vremena problem stvaranja gvožđasulfida što uzrokuje takozvanu pojavu loma u crvenom ili (crveni lom) bio nerešiv. Problem je bio u tome što gvožđesulfid ima veoma nisku tačku topljenja tako da ostaje u tečnoj fazi pri očvršćavanju čelika. To dovodi do toga da kao poslednja tečna faza gvožđesulfid očvrsne po granicama zrna. Kako je gvožđesulfid 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   gvožđusulfidu , mangansulfid je teško topivo jedinjenje, tako da se u vidu nemetalnih uključaka izdvaja unutar zrna, što povoljno utiče na mehaničke osobine materijala. Ta osobina je posebo 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 na pr. deformaciono plastično površinski ojačati uz istovremeno očuvanje duktilne centralne zone profila, što ovu grupu čelika čini izuzetno otpornim na habanje. Takav raspored, meka (duktilna) centralna zona i tvrd površinski sloj, daju ovom materijalu izuzetne ekspoatacione mehaničke osobine. Čelici sa preko 18% masenih udela mangana ostaju čak i posle relativno visokog stepena plastične deformacije nemagnetični. Ova grupa čelika se često pod nazivom specijalni čelici koristi za izradu odgovornih delova koji rade u uslovima niskih temperatura.Managn povećava toplotni koeficijent širenja, a pri tom smanjuje toplotnu i električnu provodnost čelika.

Molibden (Mo)

TTopljenja = 2622°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 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 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)

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 štetan i kao koristan legirajući element. Štetne su pojave taloženja koje dovode do sniženja sposobnosti izvlačenja,  a u procesu starenja izazivaju takozvani lom u plavom (pri preredi u oblasti temperatura plavog usijanja - 300 do 350°C), kao 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)

TNbTopljenja = 1960°C, TTaTopljenja = 3030°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 kao 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 absorpcije 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)

TTopljenja = 1453°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 čelik za cementaciju i čelik za poboljšanje.Zbog snažnog širenja γ-oblasti 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)

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)

TTopljenja = 327,4°C

Olovo u principu nije stvarni 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)

TTopljenja = 44°C. Nepoželjan (štetan) legirajući element izuzetno snažnog legirajućeg

uticaja. Snažno sužava γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C.

Postoji samo jedna grupa 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 niskog 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 foafora, 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 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 stanju, 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 povećati i granicu tečenja.

Kiseonik (O)

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)

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 u 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)

TTopljenja = 1414°C. Sužava snažno γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C <=> Favorizuje

stvaranje ferita.

Silicijum je jako i vrlo 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 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)

TTopljenja = 1727°C. Izražena težnja ka stvaranju karbida.

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

Vanadijum (V)

TTopljenja = 1726°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 (zbog 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 kod alatnih čelika za rad na visokim temperaturama. Dolegiran u čelika za opruge vanadijum vodi povećanju granice elastičnosti.

Volfram (W)

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 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.

Kalaj (Sn)

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

Cirkonijum (Zr)

TTopljenja = 1860°C

Izražena težnja ka stvaranju karbida. Sužava γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C.

Cirkonijum se ponaša kao snažno dezoksidativno 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.

Termička obrada

ŽarenjeŽarenje je postupak termičke obrade čelika, koji se sastoji od zagrevanja čelika na određenoj temperaturi, držanja na ovoj temperaturi i zatim sporog hlađenja.

          Meko žarenje               Mekim žarenjem se postiže omekšavanje čelika, radi lakše dalje mehaničke obrade, a takođe se  dobija zrnasta perlitna ili neka druga tražena mikrostruktura. Nakon izvršene vruće prerade mnogi čelici su previše tvrdi, za dalju mehaničku obradu. Takve čelike moramo zbog same sposobnosti za obradu omekšati mekim žarenjemPored lakše mehaničke obrade, povećava se sposobnost plastične deformacije, što je od velike važnosti za sve vrste hladne prerade (hladno valjanje, izvlačenje, hladno  vučenje).   

           Izotermalno žarenje 

Izotermalnim žarenjem postiže se ravnomerniji kvalitet, dok je vreme žarenja znatno kraće. Izotermalno žarenje se dosta primenjuje kod brzoreznih čelika i kod nekih vrsta legiranih čelika, kod kojih se ukupno vreme žarenja može skratiti na jednu trećinu uz jednak ili bolji kvalitet. Izotermalno žarenje zamenjuje normalizaciju i kao takvo najčešće se izvodi kod legiranih čelika kod kojih bi obična normalizacija mogla prouzrokovati već nastanak martenzita ili bajinita.

           Žarenje za rastvaranje sekundarnog cementita 

Kod nadeutektoidnih čelika ponekad je sekundarni cementit prisutan u veoma nepovoljnom obliku mreže, što može prouzrokovati krtost.Za rastvaranje cementitne mreže moramom čelik žariti na temperaturi koja nam osigurava da postignemo čist austenit. Nakon rastvaranja sekundarnog cementita u austenitu moramo sprečiti ponovno izlučivanje u nepovoljnom obliku brzim ohlađivanjem čelika do temperature ispod 700°C.

           Visoko žarenje na krupno zrno (za bolju obradivost)            Žarenje na krupno zrno primenjuje se kod mekih čelika s niskim sadržajem ugljenika. Temperaturno područje visokog žarenje je 100 do 200°C iznad gornje tačke preobražaja Ac3. Izotermički preobražaj je veoma pogodno izvršiti na temperaturi koja omogućava preobražaj  u najkraćem vremenu. Posle presferoidizacije može se čelik hladiti na vazduhu. Sa ovim žarenjem dobijamo diferenciranu strukturu ferita i perlita.

Za čelike sa manjim i srednjim sadržajem ugljenika meko žareno stanje nije uvek povoljno za obradu skidanjem strugotine. Zbog njihove male čvrstoće kod ovih čelika dolazi do lepljenja strugotine pri obradi, a time i lošeg kvaliteta obrađene površine. Za ove čelike, pored feritno perlitna struktura sa lamelarnim perlitom, koja se takođe dobija i normalizacijom, povoljno je to što se kod žarenja dobija još i krupno zrno. Za mehaničku obradu skidanjem strugotine krupno zrno se pokazalo kao vrlo povoljno i omogućava najbolju izdržljivost alata. Visoko žarenje upotrebljava se za proizvode koji se dosta mehanički obrađuju. Ako se od proizvoda zahtevaju i dobra mehanička svojstva, moramo posle završetka mehaničke obrade, deo normalizovati ili poboljšati da bismo dobili fino zrnu strukturu.  

           Difuziono žarenje ili žarenje na homogenizaciju

Pod difuzionim žarenjem se podrazumeva dugotrajno žarenje na visokim temperaturama u cilju izjednačavanja lokalnih razlika koncetracija pojedinih hemijskih elemenata i izjednačavanja segregacija, koje su nastale pri očvršćavanju čelika. Difuziono žarenje vrlo dugo traje i vrši se kod temperatura visoko iznad Ac3  u blizini solidus temperature čelika. Temperaturni interval difuzionog žarenja je u području 1050 do 1300°C u zavisnosti od vrste čelika. Više temperature primenjuju se kod niskougljeničnih čelika .Difuzionim žarenjem čelika nastaje vrlo grubo zrno. To grubo zrno moramo smanjiti pomoću naredne vruće prerade ili prekristalizacije, koju treba često i više puta ponoviti.Ovo žarenje dolazi u obzir samo u posebnim slučajevima zbog nedostataka, koje uzrokuje dugotrajno držanje čelika na vrlo visokim temperaturama. Zbog navedenih nedostataka posle žarenja izvodi se naknadno još normalizacija za poboljšanje mehaničkih svojstava.

           Rekristalizacija 

U toku hladne prerade (valjanje, vučenje ili kovanje u hladnom stanju) dolazi do povećanja tvrdoće, čvrstoće i granice razvlačenja dok se izduženje, kontrakcija i žilavost jako smanjuju. Deformisanje kristalnih zrna prouzrokuje krtost čelika.Mehanička otvrdnjavanja, promene fizičkih svojstava i deformacije strukture, koje prouzrokuje hladna deformacija, možemo delimično ili potpuno otkloniti žarenjem na odgovarajućoj temperaturi za rekristalizaciju.Za rekristalizaciju je potrebno prekoračenje nekog određenog kritičnog stepena deformacije. Za različite stepene prerade potrebno je utvrditi i odgovarajuće uslove rekristalizacije, pa možemo reći da svaki stepen deformacije ima određenu tipičnu kritičnu temperaturu rekristalizacije. 

           Žarenje u cilju otklanjanja unutrašnjeg naprezanja 

Žarenje u cilju uklanjanja ili smanjenja unutrašnjih naprezanja vrši se u svakom

slučaju zagrevanjem do temperature ispod tačke preobražaja Ac1  ,a najčešće između 550 i 650°C, laganim ohlađivanjem nakon zadržavanja 1 do 2 sata na temperaturi, posle izjednačavanja temperature po čitavom preseku. U ovom procesu se smanjuju, odnosno izjednačavaju unutrašnja naprezanja koja ostaju u čeliku kao posledica prethodne mehaničke ilil termičke obrade. Žarenje u cilju smanjenja unutrašnjih naprezanja ne izaziva nikakve druge strukturne promene niti promene osobina čelika. Zbog toga moramo za ovo žarenje čelika izabrati temperaturno područje, u kojem prema dijagramu stanja ne prelazimo nijednu liniju preobražaja. Za uspeh ovog žarenja od odlučujuće važnosti je lagano ohlađivanje.

Normalizacija

Normalizacija je postupak žarenja sa potpunom prekristalizacijom, koja se postiže zagrevanjem čelika na temperaturi iznad Ac3  i potom hlađenja na vazduhu. Normalizacija čelika je postupak termičke obrade koji čelik dovodi iz nenormalnog u normalno stanje. Cilj normalizacije je poboljšanje mehaničkih osobina na osnovu sitnijeg zrna i ravnomernije strukture, poboljšanje obradivosti kao i priprema strukture za naredne operacije termičke obrade. Za razliku od žarenja u procesu normalizacije vrše se bitne strukturne promene. Normalizacija se sprovodi samo kod podeutektoidnih čelika, dok se eutektoidni i nadeutektoidni čelici normalizuju samo u izuzetnim slučajevima.

Normalizacija kod čeličnih odlivaka odstranjuje grubu livenu strukturu koja je za postizanje dobrih mehaničkih osobina veoma nepoželjna.Često moramo normalizovati i kovani i valjani čelik, ako nakon vruće prerade ima bilo kakvu nenormalnu ili grubozrnastu strukturu, koja mu ne daje tražene mehaničke osobine. Normalizacijom se bitno poboljšavaju mehaničke osobine, a naročito žilavost čelika. Kod nekih čelika se normalizacijom postiže takvo poboljšanje mehaničkih osobina da ovo predstavlja i završnu termičku obradu. Još češće normalizacija predstavlja neku vrstu prethodne termičke obrade sa zadatkom da pripremi strukturu radi uspešnijeg i ravnomernijeg kaljenja.Kod visokougljeničnih, a naročito legiranih  čelika normalizacijom se dobija relativno velika tvrdoća, koja ne omogućava dobru obradivost, dok neke vrste niskougljeničnih čelika baš za poboljšanje obradivosti moramo normalizovati.Kod niskougljeničnih čelika normalna meko žarena struktura sa zrnastim perlitom je isuviše mekana za obradu skidanjem strugotine ili brušenjem. Pri obradi ovih čelika postoji opasnost nalepljivanja strugotine na alate. Usled toga ne može se postići čista i glatka obrađena površina, što naročito važi za brušenje. Za dobru obradivost, a istovremeno dobar kvalitet obrađene površine niskougljenični čelici naročito oni za cementaciju, treba da imaju feritno-perlitnu lamelarnu strukturu, koja se dobija normalizacijom.   

Čelici, koji se upotrebljavaju bez naknadnog poboljšavanja po pravilu se normalizuju, da bi dobili što bolja svojstva: čvrstoću, plastičnost i žilavost.

Gašenje      

Gašenje je postupak termičke obrade nerđajućih, vatrootpornih i nekih drugih vrsta austenitnih čelika, kao i nekih vrsta čisto feritnih čelika.Gašenje ima za cilj homogenizaciju, postizanje čistih monofaznih struktura i rastvaranje karbida ili drugih strukturnih faza.Nakon gašenja austenitni čelici dobijaju minimalnu tvrdoću i maksimalnu žilavost.

Kaljenje

Kaljenje je postupak termičke obrade, koji se sastoji iz zagrevanja čelika na temperaturi 30 do 50°C iznad kritične tačke Ac3  (ili Ac1 kod eutektoidnih i nadeutektoidnih čelika), držanja na ovoj temperaturi i brzog hlađenja u vodi, ulju, vazduhu ili nekom drugom sredstvu za kaljenje. Hlađenje se mora vršiti tolikom brzinom, da se postigne na površini ili po čitavom preseku znatno povećavanje tvrdoće, po pravilu putem stvaranja martenzitne strukture.

U zavisnosti od vrste čelika, dimenzije komada i rashladnog sredstva kaljenje može biti: - po čitavom preseku, ako je tvrdoća približno jednaka na površinskom sloju kao i u jezgru,- plitkom kaljenju, ako je okaljen samo površinski sloj, dok je jezgro mekano,- kaljenju na određenu dubinu, kada se kali određena dubina površinskog sloja

Otpuštanje

Otpuštanje se mora izvršiti odmah nakon kaljenja ili u što kraćem vremenu nakon kaljenja. Otpuštanje je obavezno i neposredno pripada kaljenju. Zbog toga mnogi kaljenje i otpuštanje tretiraju kao jedan postupak termičke obrade.Otpuštanje je zagrevanje čelika nakon kaljenja na određenu temperaturu, koja je uvek ispod preobražajne temperature Ac1. Posle odgovarajućeg vremena zadržavanja na temperaturi otpuštanja čelik se opet ohladi do sobne temperature. Ohlađivanje s temperature otpuštanja može biti lagano ili brzo u zavisnosti od sklonosti čelika krtosti kod otpuštanja. Karakteristično za ovaj postupak je to, da se u čeliku ne vrši nikakav preobražaj strukture, nego samo u izvesnoj meri dolazi do otpuštanja naprezanja i strukture nastale kod kaljenja čelika.Čelik sa martenzitnom strukturom, u kaljenom stanju, zbog velike tvrdoće, krtosti i unutrašnjih naprezanja praktično nije upotrebljiv ni za alate niti za konstrukcije delova. Zbog toga treba pomoću otpuštanja u kaljenom čeliku smanjiti unutrašnja

naprezanja i tvrdoću, a istovremeno povećati žilavost. Zajedno sa opadanjem tvrdoće pri otpuštanju se smanjuje i čvrstoća i granica razvlačenja, a povećava žilavost, izduženje i kontrakcija. Ove promene utoliko su veće, ukoliko je viša temperatura otpuštanja. Efekat otpuštanja na visokim temperaturama u blizini Ac1 približava se efektu žarenja. 

Poboljšanje

Poboljšanje je postupak termičke obrade čelika, koji se sastoji iz kaljenja i otpuštanja na relativno visokoj temperaturi, koje se često približavaju temperaturama mekog žarenja. S obzirom na upotrebljena rashladna sredstva pri kaljenju govorimo o poboljšenju u vodi, ulju ili na vazduhu. Pri poboljšanju u čeliku dobijamo uglavnom sorbitnu ili troostitnu strukturu. Poboljšanje se, uglavnom primenjuje u termičkoj obradi konstrukcionih i nekih alatnih čelika, a ima za cilj poboljšanje mehaničkih osobina, a naročito žilavosti.

Vrste čelika

Prema EN 10020:2000 čelici se dele na: - Nelegirani čelici- Nerđajući čelici- Legirani čelici

Danas je registrovano negde oko 3000 različitih vrsta čelika. Dalje grupisanje na podgrupe vrši se prema legurajućim elementima, mikrostrukturi, mehaničkim osobinama, nameni i slično

Nelegirani čelici

Nelegirani čelici su one vrste čelika u kojima nije dostignuta nijedna od graničnih vrednosti navedenih u tabeli 1.                            

Ugljenični čelik (do 2,1% ugljenika) je 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 njegovu temperaturnu otpornost.Ugljenični čelik se deli na:

Niskougljenični čelik: otprilike 0,05 do 0,29% sadržaja ugljenika. Niskougljenični čelici imaju relativno nisku vrednost zatezne čvrstoće, ali su jeftini i kovni..

Čelik sa srednjim sadržajem ugljenika: otprilike 0,30 do 0.59% sadržaja ugljenika. Poseduje dobru i duktilnost i čvrstoću, te je jako otporan na habanje.

Visokougljenični čelik: 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 toplotno obrađuju do veoma visoko čvrstoće. 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 toplotno obrađivati, što omogućava da se delovi proizvode dok su još u mekom stanju. Ako je prisutno dovoljno ugljenika, legura može očvrsnuti, te se tako povećava jačina, otpornost na habanje, kao i otpornost na udar. Čelici se obrađuju i metodom hladnog valjanja, tj. oblikovanje metala putem deformacija na niskoj metastabilnoj temperaturi.

Nerđajući čelici

Nerđajući čelici su čelici koji sadrže najmanje 10,5% hroma i najviše 1,2% ugljenika

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.  

Simbol Utvrđeni element Granična vrednost u masenim %

Al Aluminijum 0,30B Bor 0,0008 Bi Bizmut 0,10Co Kobalt 0,30Cr Hrom 0,30Cu Bakar 0,40La Lantanidi (svaki pojedinačno) 0,10Mn Mangan 1,65 a)Mo Molibden 0,08Nb Niobijum 0,06Ni Nikal 0,30Pb Olovo 0,40Se Selen 0,10Si Silicijum 0,60

Te Telur 0,10Ti Titan 0,05V Vanadijum 0,10W Volfram 0,30Zr Cirkonijum 0,05

- Ostali (osim ugljenika, fosfora, sumpora i azota) pojedinačno 0,10

a) Kada je utvrđen samo najveći sadržaj mangana, granična vrednost je 1,80% 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 nerđajići čelik, koji svoju optpornost na koroziju duguje u prvom redu hromu.

Podela čelika prema oblastima primene

- Betonski čelici- Čelici za cementaciju - Čelici za poboljšanje - Čelici za obradu na automatima - Čelici za površinsko kaljenje - Čelici za nitriranje - Čelici za upotrebu kod povišenih temperatura - Vatrootporni čelici - Čelici sa povećanom otpornošću prema atmosferskoj koroziji - Nerđajući čelici - Nerđajući i hemijski postojani čelici - Čelici otporni prema habanju- Čelici otporni na starenje- Alatni čelici

- ugljeničnil- legirani ( za rad u hladnom stanju; za rad u vrućem stanju)- brzorezni

- Čelici za posude pod pritiskom  - Čelici za opruge - Čelici za kotrljajne ležaje - Čelici za ventile motora- Čelici za lance