Seminarski Rad Celik

UNIVERZITET U NIŠU

Fakultet zaštite na radu

Predmet: Tehnički materijali

SEMINARSKI RAD

Tema: Čelik i njegove legure

Mentor: Student:

Niš, 2009.

SADRŽAJ

Uvod................................................................................................................................3

1. Osobine čelika.........................................................................................................4

2. Proizvodnja čelika..................................................................................................5

3. Vrste čelika..............................................................................................................5

4. Podela čelika u grupe.............................................................................................6

5. Podela čelika prema oblastima primene..............................................................9

6. Legirajući elementi i njihov uticaj na osobine čelika........................................10

7. Zaključak..............................................................................................................22

8. LITERATURA.....................................................................................................23

2

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. 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. 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.

3

Osobine čelika

Kao što smo već rekli, čelik ima neverovatan raspon i fleksibilnost osobina. 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.

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.

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 (žarenje, kaljenje, poboljšanje, Tempcore-metoda, itd.)

- plastična prerada (valjanje, izvačenje, itd.)

4

Proizvodnja čelika

Proizvodnja čelika ima za cilj dobijanje legure (gvožđa i ugljenika) željenog

hemijskog sastava i mehaničkih osobina. Postizanje željenih mehaničkih osobina zavisi od tri

međusobno povezana faktora:

- hemijskog sastava (kombinacija legirajućih elementata),

- plastične prerade i

- termičke obrade.

Proizvodnja čelika se odvija u čeličanama, koje su deo šireg postrojenja pod imenom železara.

To postrojenje se najčešće sastoji od: pogona visoke peći, čeličane i valjaonice (tople i

hladne). Pogon visoke peći nije neophodan u slučaju ako se čelik dobija iz čeličnog otpada

pomoću elektro lučnih peći. Postoje generalno dva tipa železara:

- integralna železara, ona koja poseduje postrojenje visoke peći, konvertorske čeličane i tople

i hladne valjaonice,

- ostali tipovi železara koje nemaju proizvodnju gvožđa (nemaju visoku peć).

Vrste čelika

Po DIN EN 10020 postoje samo dve Glavne klase čelika:

- Kvalitetni čelici (QS)

- Specijalni (plemeniti) čelici (SS)

Danas je registrovano negde oko 2500 različitih vrsta čelika.

Dalje grupiranje na podgrupe vrši se prema legurajućim elementima, mikrostrukturi, ili

mehaničkim osobinama.

Prema sadržaju legirajućih elemenate čelici se dele na:

- 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 posduju

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 nerđajići čelik, koji svoju optpornost

na koroziju duguje u prvom redu Hromu.

5

Podela čelika u grupe

Razvrstavanje čelika po srodnim grupama moguće je izvesti na više načina. To su:

način proizvodnje, hemijski sastav, kvalitet, mikrostruktura, namena itd.

Prema načinu proizvodnje čelici se dele na:

• Bessemerov čelik

• Thomasov čelik

• Simens-Martinov čelik

• Elektro čelik

• Čelik iz kisikovih konvertora

• čelik proizveden sekundarnom metalurškom obradom, kontrolisanom

metalurgijom.

Prema načinu dezoksidacije:

• nemirene

• poluumirene i umirene

• specijalno umireni čelici

Prema hemijskom sastavu čelici se dele na:

• nelegirane

• legirane (niskolegirani, visokolegirani)

Prema kvalitetu:

• osnovne ili komercijalne (masovne)

• kvalitetne

• plemenite

Prema nameni:

• konstrukcione

• alatne

• posebnim osobinama (antikorozioni, vatrootporni, brzorezni, itd.)

Prema načinu prerade:

• toplo valjani

• hladno valjani

• kovani

• vučeni

6

• liveni

Prema obliku proizvoda:

• šipke

• žice

• cevi

• profili

• limovi itd.

•

Gvožđe čiji sadržaj ugljenika ne prelazi 2 % može se definisati i definiše se kao čelik.

Sa većim procentom ugljenika prestaje mogućnost deformacije, pa se takvo tehničko željezo

sa preko 2 % sadržaja ugljenika naziva gvožđem.

Čelici se razlikuju i po načinu dobijanja. Tako se čelik dobijen u tečnom stanju zove

topljeni čelik, a ako je dobijen u testastom stanju, tj. ako pri dobijanju nije prekoračena tačka

topljenja čelika, zove se vareni čelik.

Na slici 1. dat je šematski prikaz opšte podele gvožđa i njegovih legura.

- ugljenični - ugljenični - ugljenični - ugljenični

- niskolegirani - niskolegirani - niskolegirani

7

Ž E L J E Z O

HEMIJSKO ČISTO ŽELJEZO (Fe) TEHNIČKO ŽELJEZO (sadrži C)

s manje od 2 % CČELIK

s više od 2 % CGVOŽĐE

Vareni čelik dobiven na temp.

ispod temp. topljenja čelika

Topljeni čelik dobiven na temp.

iznad temp. topljenja čelika

Bijelo livenogvožđe

Sivo livenogvožđe

KONSTRUKCIONI ČELIK ALATNI ČELIK

obični kvalitetni plemeniti plemeniti

- visokolegirani - visokolegirani

Konstrukcionim čelicima se nazivaju oni čelici koji se primenjuju za izradu delova

mašina, noseće konstrukcije i građevina. Konstrukcioni čelici mogu biti kako ugljenični tako i

legirani čelici. Sadržaj ugljenika u ovoj grupi čelika obično ne prelazi 0,5 - 0,6 %.

Konstrukcioni čelik treba da ima povišenu čvrstoću, plastičnost i žilavost, zajedno sa dobrim

tehnološkim svojstvima. Treba da se lako prerađuje pritiskom (valjanjem, kovanjem,

presovanjem, itd.) i rezanjem, da se dobro zavaruje, malu sklonost ka deformacijama i

obrazovanju pukotina pri kaljenju.

Obični ugljenični konstrukcioni čelici. U ovu grupu spadaju čelici koji sadrže do 0,6

% C i pri čijoj proizvodnji se obično ne stavljaju veliki zahtevi u pogledu postupaka topljenja

i livenja.

Kvalitetni ugljenični konstrukcioni čelici. Ovi čelici imaju strožije uslove prilikom

dobijanja u odnosu na obične ugljenične konstrukcione čelike. Postavlja se veći zahtev u

pogledu sastava (manji je sadržaj S, F, pojedinačno do 0,045 %), količine nemetalnih

dodataka, makro i mikro strukture.

Plemeniti ugljenični konstrukcioni čelici. Od ovih čelika se zahtevaju specijalna

svojstva pa se njihova proizvodnja mora odvijati pod strogim režimom. Sadržaj sumpora i

fosfora pojedinačno je ispod 0,035 %, a kod nekih vrsta se ograničava i nižim vrijednostima,

npr. 0,020 %.

Alatni čelici

Alatnim čelicima nazivaju se ugljenični i legirani čelici koji sadrže iznad 0,7 % C,

imaju visoku tvrdoću, čvrstoću i otpornost prema habanju i primenjuju se za izradu različitih

alata.

Podela alatnih čelika nije jednoobrazna, niti se zasniva na nekoj egzaktnoj metodologiji. Ona

je više-manje iskustvena i ima za cilj da što više olakša izbor odgovarajućeg materijala u

određenim slučajevima. Osnovna podela svih alatnih čelika može se izvršiti dvojako:

• prema hemijskom sastavu

• prema nameni

Prema hemijskom sastavu dele se na:

• ugljenične

• legirane

8

Ugljenični čelici se mogu koristiti samo za rezanje malom brzinom, jer se njihova visoka

tvrdoća jako snižava pri zagrevanju iznad 190-200 oC.

Legirani alatni čelici, dopuštaju kaljenje u ulju i toplim kupkama, što smanjuje deformisanje i

vitoperenje alata. Najčešći legirani elementi u ovim čelicima su: Cr, Mn, V, Mo, Ni, Co, itd. S

obzirom na hemijski sastav, razlikuju se glavne grupe čelika kao npr. Cr-alatni čelici, Cr-Mo-

V- alatni čelici W-alatni čelici itd.

Podela alatnih čelika prema nameni

Jedna od osnovnih podela alatnih čelika prema nameni bila bi sledeća:

• alatni čelici za rad u hladnom stanju

• alatni čelici za rad u toplom stanju

• brzorezni alatni čelici

Alatni čelici za rad u hladnom stanju upotrebljavaju se za izradu alata kojima se

obrađuju u hladnom stanju različiti materijali, kao npr.: čelik, obojeni metali, drvo, plastične

mase, papir, itd. Alatni čelici za rad u toplom stanju se upotrebljavaju za izradu alata za

obradu različitih materijala na visokim temperaturama (kovanjem, presovanjem, livenjem).

Brzorezni čelici se koriste za razne alate zbog toga što zadržavaju dovoljno visoku

tvrdoću pri rezanju metala velikom brzinom koja prouzrokuje visoke temperature (540 -600 oC) na reznom sečivu alata.

Podela čelika prema oblastima primene

• Čelici za automate

• Betonski čelici

• Čelici za cementaciju

• Čelik za opruge

• TRIP čelici (engl. TRIP Steels, TRIP - transformation-induced plasticity)

• HSLA čelici (engl. HSLA Steels - High Strength Low Alloy steels)

9

• Nerđajući čelici - Postoji kao Feritni (minimalno 10% Cr) i Austenitni (Cr+Ni).

Austenitni čelici su nemagnetični na sobnoj temperaturi.

• Čelici za nitriranje

• Čelici otpotni na uticaj kiselina

• Čelici za duboko izvačene

• Čelici za poboljšanje

• Alatni čelici

Brzorezni čelici

• Čelici za izradu sečiva

Legirajući elementi i njihov uticaj na osobine čelika

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" 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:

- 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 = 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.10

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 železo-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.

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)

T. Topljenja = 2.300°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 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)

T. Topljenja = 1.280°C.

Snažno širi γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C.

11

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)


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 = 850°C

Zajedno sa silicijumom u formi siliko-kalcijuma upotrebljava se u procesu proizvodnje pri

dezoksidaciji čelika. U principu kalcijum povećava vatrostalnost.

Cer (Ce)


Sam, ali najčešće u kombinaciji sa lantanom, neodijumom, prazeodijumom i ostalim

elementima koji pripadaju grupi metala retke zemlje deluje kao snažan dezoksidans. Zbog

12

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.

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

Dodaje se i kao legirajući element u nodularnom livu.

Kobalt (Co)

T. Topljenja = 1.492°C

Ne stavra 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 matrijalima koji služe za izradu nuklearnih reaktora.

Hrom (Cr)

T. topljenja = 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.

13

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)


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" 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 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.

14

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)

T. Topljenja = -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)


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)


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 železosulfida (FeS). Dugo je vremena problem stvaranja železosulfida što

uzrokuje takozvanu pojavu loma u crvenom (ili crveni lom) bio nerešiv. Problem je bio u

tome što železosulfid ima veoma nisku tačku topljenja tako da ostaje u tečnoj fazi pri

15

očvršćavanju čelika. To dovodi do toga da kao poslednja tečna faza železosulfid očvrsne po

granicama zrna. Kako je Železosulfid 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 železosulfidu, 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 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 čvtstića se povećavaju ps 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 istivremeno 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 eksplotacione 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 pri tom smanjuje toplotnu i električnu

provodnost čelika.

Molibden (Mo)



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

16

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)

T. Topljenja = -210°C.


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 lom u plavom (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)

T. Nb Topljenja = 1.960°C, T. Ta Topljenja = 3.030°C


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

17

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)



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 železa 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)


Sužava γ-oblast u faznom dijagramu Fe-Fe3C.

Sklonost ka stvaranju segregacija - Izuzetno štetna pojava pri livenju čelika.


Slično arsenu povećava krtost odnosno smanjuje žilavost materijala.

Olovo (Pb)

T. Topljenja = 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

18

poboljšanja sposobnosti obrade mašinskom obradom. Jedna od primena olova je u izradi

ležajeva gde dolazi do izražaja nizak koeficijent frikcije olova.

Fosfor (P)


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)

T. Topljenja = -218,7°C.


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).

19

Sumpor (S)

T. Topljenja = 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)


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)



Kao snažno dozoksidativno sredstvo u izuzetnu težnju ka stavranju karbida, titan se legira kao

stabilizator u kororiono rezistentnim čelicima (nerđajući čelici).

Vanadijum (V)



20

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)



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)

T. Topljenja = 231,8°C.

Nepoželjan legirajući element veoma snažnog legirajućeg dejstva.

Cirkonijum (Zr)



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.

21

Zaključak

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 Aluminijum, Magnezijum, Titan i njihove legure ili kompozitni materijali (većinom na

bazi ugljeničnih vlakana) otežana je činjenicom da ni jedan (za sada) poznati materijal nema

tako neverovatan raspon i fleksibilnost osobina (uz pomoć legiranja, termičke obrade i

plastične prerade) kao i relativno nisku cenu proizvodnje kao čelik. Ako je suditi po

trenutnom stanju na tržištu, sada i u bližoj budućnosti, čelik je (i biće) superioran materijal za

najširu upotrebu.

22

LITERATURA

1. www.google.rs

23

Documents

Seminarski Rad Celik