Location via proxy:   [ UP ]  
[Report a bug]   [Manage cookies]                
Wikipedia

Čelik

legura željeza i ugljika s ostalim elemenatima
Za druga značenja, pogledajte Čelik (višeznačna odrednica).

Čelik je legura željeza i ugljika s ostalim elemenatima, te se općenito koristi u građevini i drugim granama zbog svoje visoke zatezne čvrstoće i niske cijene. Bazni metal, željezo, u mogućnosti je poprimiti dva kristalna oblika (alotropske forme), od kojih su: zapreminski centrirana kristalna rešetka (ZCK) i plošno (površinski) centrirana kristalna rešetka (PCK), zavisno o njegovoj temperaturi. To je interakcija onih alotropa s legirajućim elementima, primarno ugljikom, što daje čeliku i gvožđu čitav spektar jedinstvenih osobina. U zapreminski centriranoj kristalnoj rešetci, tu je i dodatni atom željeza u centru svake rešetke, a kod plošno centrirane rešetke postoji po jedan u centru svakog od šest površina kocke. Ugljik, drugi elementi i dodaci unutar željeza djeluju kao nosioci tvrdoće, koji sprječavaju kretanje dislokacija koje se inače pojavljuju u kristalnoj strukturi atoma željeza.

Čelična sajla koja se koristi u rudnicima uglja.

Ugljik kod tipičnih čeličnih legura može doprinijeti do 2,1% težine. Različiti iznosi legirajućih elemenata, njihovo prisustvo u čeliku bilo kao rastvorivih elemenata ili kao precipitacionih faza, usporavaju kretanje tih dislokacija koje čine željezo relativno duktilnim i slabim, te time kontroliše svoje kvalitete poput tvrdoće, duktilnosti, kao i zatezne čvrstoće rezultujućeg čelika. Čvrstoća čelika u odnosu na čisto željezo je moguća samo na račun duktilnosti željeza, čega željezo ima na pretek.

Iako je čelik bio proizvođen u plitkim pećima hiljadama godina, upotreba čelika je proširena ekstremno nakon efikasnije proizvodne metode koja je izumljena u 17. vijeku s proizvodnjom blister čelika, a zatim čeličnog liva. S pronalaskom Bessemer procesa sredinom 19. vijeka, nova era masovne proizvodnje čelika je započela. Pojavio se i Siemens-Martinov proces, a zatim Gilchrist-Thomasov proces koji je poboljšao kvalitet čelika. Sa ovim izumima, mehki čelik je zamijenio kovano željezo.

Dalje poboljšanje u procesu, poput LD postupka, u velikoj mjeri je zamijenilo ranije metode daljnjim spuštanjem cijene proizvodnje i povećanjem kvaliteta proizvoda. Danas, čelik je jedan od najčešćih materijala na svijetu, s više od 1,3 milijarde tona proizvodnje godišnje. To je glavna komponenta u zgradama, infrastrukturi, alatima, brodovima, automobilima, mašinama, aparatima i u oružju. Moderni čelik se općenito označava različitim oznakama koje definiraju organizacije za standarde.

Definicija

uredi

Sadržaj ugljika u čeliku se uglavnom kreće između 0,002% i 2,1% u odnosu na ukupni (maseni) sastav. Ove vrijednosti variraju u zavisnosti od legirajućih elemenata poput mangana, hroma, nikla, volframa, ugljika itd. U osnovi, čelik je legura željezo-ugljik koja ne prolazi eutektičku reakciju. Za razliku od toga, gvožđe prolazi eutektičku reakciju. Premali sadržaj ugljika ostavlja (čisto) željezo mehkim, duktilnim i sa slabim mehaničkim osobinama. Sadržaj ugljika veći nego što je kod čelika formira leguru, poznatu kao sirovo gvožđe, koje je krhko (nije kovljivo). Dok je željezo legirano ugljikom nazvano ugljičnim čelikom, legirani čelik je čelik s ostalim legirajućim elementima koji su namjerno dodati da modificiraju osobine čelika. Najčešći legirajući elementi su: mangan, nikl, hrom, molibden, bor, titanij, vanadij, volfram, kobalt i niobij.[1] Dodatni elementi su također važni u čeliku: fosfor, sumpor, silicij, a postoje i tragovi kisika, dušika i bakra, koji se često smatraju neželjenim.

Legure s višim udjelom ugljika od 2,1%, zavisno od udjela ostalih elemenata i eventualno obrade, poznate su kao gvožđe. Gvožđe nije kovno čak ni kad je vruće, ali se može formirati livenjem jer ima nižu tačku topljenja nego čelik i dobra svojstva livkosti.[1] Određeni sastavi gvožđa, zadržavajući ekonomiju topljenja i livenja, mogu se termički obrađivati kako bi se napravio kovano gvožđe ili duktilno gvožđe. Čelik se također razlikuje od kovanog gvožđa (danas zastarjelog), koje može sadržavati male količine ugljka, ali velike količine šljake.

Osobine

uredi
 
Željezo-ugljik fazni dijagram, prikazuje stanja potrebna za formiranje različitih faza.

Željezo se obično može naći u zemljinoj kori u formi ruda, obično kao željezni oksid, kao magnetit, hematit itd. Željezo se ekstraktuje iz željezne rude uklanjanjem kisika kroz kombinaciju s poželjnim hemijskim partnerom, kao što je ugljik koji se gubi u atmosferu kao ugljik-dioksid. Ovaj proces, poznat kao topljenje, bio je primjenjivan na metale sa nižim tačkama topljenja, kao kalaj, koji se topi na oko 250 °C i bakar, koji se topi na oko 1100 °C i kombinacija, bronza, koja je tečna na manje od 1083 °C. U usporedbi, gvožđe se topi na oko 1375 °C.[2] Male količine željeza su topljene u drevnim vremenima, u čvrstom stanju, zagrijavanjem rude zakopane u ugljenoj vatri i spajanjem grudvi zajedno pomoću čekića, cijeđenjem ga od nečistoća. Pažljivo se sadržaj ugljika mogao kontrolirati pomjeranjem toga oko vatre.

Sve ove temperature mogu se dostići drevnim metodama koje su korištene od bronzanog doba. S obzirom na to da se stopa oksidacije željeza naglo povećava iza 800 °C, važno je da se topljenje desi u okolini s malo kisika. Za razliku od bakra i kalaja, tečno ili čvrsto željezo rastvara ugljik prilično lahko. Topljenje, korištenjem uglljika da smanji željezne okside, rezultira legurom (sirovo gvožđe) koja zadržava previše ugljika da bi se nazvala čelikom.[2] Ovaj višak ugljika i drugih nečistoća se uklanja u narednom koraku.

Ostali materijali se često dodaju u smjesu željezo/ugljik da proizvedu čelik željenih osobina. Nikl i mangan u čeliku doprinose zateznoj čvrstoći i prave austenitnu formu rastvora stabilnijom, hrom povećava tvrdoću i tačku topljenja, dok vanadij također povećava tvrdoću ali čini da bude manje sklon zamoru materijala.[3]

Da se spriječi korozija, najmanje 11% hroma se dodaje u čelik tako da se tvrdi oksid formira ma površini metala; ovo je poznato kao nehrđajući čelik. Volfram ometa formiranje cementita, dopuštajući martenzitu da se prvenstveno formira pri nižim brzinama kaljenja, što rezultira brzoreznim čelikom. U drugu ruku, sumpor, dušik i fosfor čine čelik više krhkim, tako da se ovi često pronađeni elementi moraju ukloniti iz otopine čelika tokom procesa.[3]

Gustoća čelika varira zavisno od legirajućih elemenata, ali često opseže između 7.750 i 8.050 kg/m3.[4]

Čak i u uskom rasponu koncentracija mješavine ugljika i željeza koja čini čelik, može se formirati različit broj metalurških struktura s veoma različitim osobinama. Razumijevanje takvih osobina je uvjet za pravljenje kvalitenog čelika. Na sobnoj temperaturi, najstabilnija forma čistog željeza je zapreminski centrirana kristalna rešetka (ZCK), struktura zvana alfa željezo ili α-željezo. To je veoma mehak metal koji može razrijediti samo malu koncentraciju ugljika, ne višu od 0,005% na 0 °C i 0,021% mase na 723 °C. Uključak ugljika u alfa željezu zove se ferit. Na 910 °C čisto željezo se transformira u površinski centriranu kristalnu rešetku (PCK), zvanu gama željezo ili γ-željezo. Uključak ugljika u gama željezu se zove austenit. PCK struktura austenita može rastvoriti znatno više ugljika, čak i do 2,1%[5] (38 puta više od ferita) ugljika na 1148 °C, što odražava gornji sadržaj ugljika kod čelika, iza čega se nalazi gvožđe.[6] Kada se ugljik izdvaja iz rastvora sa željezom, formira veoma tvrd, ali krhak materijal zvani cementit (Fe3C).

Kada se čelici s tačno 0,8% ugljika (poznati kao eutektoidni čelik) ohlade, austenitna faza (PCK) smjese teži da se vrati u feritnu fazu (ZCK). Ugljik se više ne uklapa unutar PCK austenitne strukture, što dovodi do viška ugljika. Jedan način da ugljik napusti austenit jeste da se precipitira van rastvora kao cementit, ostavljajući iza sebe okolnu fazu ZCK željeza zvanog ferit koji može zadržati ugljik u rastvoru. To dvoje, ferit i cementit, precipitiraju istovremeno proizvodeći slojevitu strukturu zvanu perlit. U hipereutektioidnom sastavu (većem od 0,8% ugljika), ugljik će prvi precipitirati van kao veliki uključci cementita na granicama austenitnih zrna, te onda kada je sastav ostavljen iza eutektoid, formira se struktura perlita. Za čelike koji imaju manje od 0,8% ugljika (hipoeutektoid), ferit će se prvi formirati, dok preostali sastav ne bude 0,8% pri kojem će se formirati perlitna struktura. Na granicama se neće formirati veliki uključci cementita.[7] Gore navedeno pretpostavlja da je proces hlađenja vrlo spor, što omogućava dovoljno vremena da ugljik migrira.

Kako je brzina hlađenja povećana, ugljik će imati manje vremena da migrira kako bi formirao karbid na granicama zrna, ali će imati povećane količine perlita finije i finije strukture između zrna; otuda karbid se šire rasipa i djeluje da spriječi klizanje grešaka u tim zrnima, što rezultira otvrdnjavanjem čelika. Na veoma visokim brzinama hlađenja koje proizvodi kaljenje, ugljik nema vremena za migraciju, ali je zaključan u PCK austenita i formira martenzit. Martenzit je vrlo zategnut i napet prezasićeni oblik ugljika i željeza i izuzetno je tvrd, ali krhak. Zavisno od udjela ugljika, martenzitna faza poprima različite forme. Ispod 0,2% ugljika, dobija feritnu ZCK kristalnu formu, ali sa više udjela ugljika dobija zapreminski centriranu tetragonalnu (ZCT) strukturu. Osim toga, ne postoji promjena u sastavu, tako da atomi uglavnom zadržavaju svoje susjede.[8]

Martenzit ima nižu gustoću (širi se) u odnosu na austenit, tako da transformacija izmežđu njih rezultira u promjeni zapremine. U ovom slučaju, dešava se ekspanzija. Unutarnji naponi od ove ekspanzije općenito uzimaju oblik kompresije na kristalima martenzita i napetost na preostalom feritu, sa većom količinom smicanja na oba konstituenta. Ako je kaljenje urađeno propisno, mogu se javiti unutarnji naponi tako da se dio polomi pri hlađenju. Na samom kraju, to uzrokuje mikroskopske nesavršenosti. Uobičajeno je da se naprsline kaljenja formiraju kada je čelik gašen, iako ne moraju uvijek biti vidljive.[9]

Termička obrada

uredi

Postoji više načina procesa termičke obrade dostupnih za čelik. Najčešći su opuštanje, gašenje i kaljenje. Termička obrada je efektivna na sastave iznad eutektoidnih sastava (hipereutektoid). Hipoeutektoidni čelik ne otvrdnjava od termičke obrade. Opuštanje je proces zagrijavanja čelika na dovoljno visoku temperaturu da se smanje unutarnji lokalni naponi. To ne stvara opće omekšavanje proizvoda, nego samo lokalno ublažava deformacije i napone zaključane unutar materijala. Ovaj proces ide kroz 3 faze: oporavak, rekristalizaciju, i rast zrna. Temperatura potrebna da opusti određeni čelik zavisi od tipa opuštanja koje treba postići, kao i od sadržaja legure.[10]

Gašenje i kaljenje prvo uključuju zagrijavanje čelika do austenitne faze, a zatim gašenje u vodi ili ulju. Ovo naglo hlađenje rezultira tvrdoj, ali krhkoj martenzitnoj strukturi.[8] Čelik se zatim kali, što je samo specijalizirani tip opuštanja, kako bi se smanjila krhkost. U ovom procesu opuštanja (kaljenja), proces transformira nešto martenzita u cementit, ili sferoidit i stoga smanjuje unutrašnja naprezanja i nedostatke. Rezultat je duktilniji čelik otporan na lomove.[11]

Proizvodnja

uredi
 
Sačma željezne rude za proizvodnju čelika.

Kada je željezo istopljeno iz svoje rude, sadrži više ugljika nego što je poželjno. Da bi postao čelikom, mora se reprocesirati da smanji ugljik na pravu mjeru, u kom momentu ostali elementi mogu biti dodani. U prošlosti, postrojenja za čelik su bacala proizvode od sirovog gvožđa u ingote koji bi se spremali dok se ne bi koristili u daljem procesu rafiniranja što rezultira gotovim proizvodom. U savremenim postrojenjima, početni proizvod je blizak finalnom sastavu i neprekidno se lije u duge ploče, reže i oblikuje u šipke i cijevi, te termički obrađuje da se proizvede gotov proizvod. Danas samo mali dio je livenje u ingote. Približno 96% čelika se neprekidno lije, dok se samo 4% proizvodi u ingotima.[12]

Ingoti se tada zagrijavaju u rupama za natapanje i vruće valjaju u ploče, klade ili komade. Ploče su vruće ili hladno valjane u lim ili ploče. Trupci su vruće ili hladno valjane u šipke, štapove i žice. Komadi su toplo ili hladno valjani u konstrukcijski čelik, kao I-grede i pruge. U modernim čeličanama ovi procesi se često javljaju u jednoj proizvodnoj liniji, sa rudama koje ulaze i gotovim čeličnim proizvodima koji izlaze.[13] Ponekad nakon finalnog valjanja čelika obrađuje se termički radi čvrstoće, mada ovo je relativno rijetko.[14]

Historija

uredi

Drevni čelik

uredi

Čelik je bio poznat u antici, i vjerovatno je proizvođen u plitkim pećima i loncima.[15][16]

Najranija znana proizvodnja čelika su komadi gvožđarije iskopani iz arheološkog nalazišta u Anadoliji (Kaman-Kalehoyuk) i stari su skoro 4.000, datirajući od 1800. p.n.e.[17][18] Horacije identificira čelična oružja kao falkata na Pirenejskom poluostrvu, dok su nordijski čelik koristili rimski vojnici.[19]

Reputacija Wootz čelika u Južnoj Indiji značajno je porasla u odnosu na ostatak svijeta.[16] Južnoindijski i sredozemni izvori uključujući Aleksandra Velikog (3. vijek p.n.e) navode prezentaciju i izvoze Grcima 100 talenata u vrijednosti takvog čelika. Područja metalne proizvodnje na Šri Lanki koristila su peći na vjetar koja su pokretali monsunski vjetrovi, sposobbni proizvesti visokougljični čelik. Velikoserijska proizvodnja Wootz čelika na Tamilakamu koristi lonce i izvore ugljika kao što je pogon "Avāram" s pojavom prije 6. vijeka p.n.e, pionirski prethodnik moderne proizvodnje čelika i metalurgije.[15][16]

Kinezi u razdoblju zaraćenih strana (403–221 p.n.e) imali su gašeno ojačan čelik,[20] dok su Kinezi u doba dinastije Han (202 p.n.e – 220 n.e.) pravili čelik topljenjem kovanog željeza zajedno sa livenim gvožđem, dobivajući krajnji proizvod čelika srednjeg udjela ugljika do 1. vijeka n.e.[21][22] Narod Haja iz istočne Afrike izumili su vrstu peći koju su koristili za pravljenje ugljičnog čelika na 1802 °C prije skoro 2.000 godina.[23][24]

Savremena izrada čelika

uredi
 
Bessemer pretvarač u Sheffieldu, Engleska.

Od 17. vijeka prvi koraci u evropskoj proizvodnji čelika bili su topljenje željezne rude u sirovo gvožđe u visokim pećima.[25] Prvobitno koristeći ugalj, savremene metode koriste koks, koji se ispostavio ekonomičniji.[26][27][28]

Procesi počev od željeznih šipki

uredi

U ovim procesima sirovo gvožđe je bilo rafinirano u rafinerijskim kovačnicama da se porizvede kovano gvožđe, koje se dalje koristilo u proizvodnji čelika.[25]

Proizvodnja čelika procesom cementacije opisana je u spisu objavljenom u Pragu 1574. godine i korištena je u Nürnbergu od 1601. godine. Sličan proces za površinsko otvrdnjavanje čelika oklopa i turpija opisan je u knjizi objavljenom u Napulju 1589. godine. Proces je predstavljen u Engleskoj oko 1614. godine i koristio ju je za proizvodnju takvog čelika Basil Brooke u Coalbrookdaleu tokom 1610tih.[29]

Sirovine za ovaj proces su bile šipke željeza. Tokom 17. vijeka shvaćeno je da najbolji čelik dolazi iz oregrounds željeza iz regije sjeverno od Stockholma, Švedska. Ovo je i dalje bio čest izvor sirovine u 19. vijeku, skoro dugo koliko je i sam proces korišten.[30][31]

Čelični liv je čelik koji se topi u loncu umjesto da se kuje, sa rezultatom veće homogenosti. Većina prethodnih peći ne može dostići dovoljno visoke temperature da se topi čelik. Rana moderna industrija čeličnog liva rezultirala je sa izumom Benjamina Huntsmana tokom 1740tih. Blister čelik (napravljen kao iznad) bio je topljen u retorte ili u topionice, a sirovo (obično) u ingote.[31][32]

Procesi počev od sirovog gvožđa

uredi
 
Siemens-Martinova peć za čelik u Brandenburgovom muzeju industrije.
 
Istopljeni čelik bijele boje izljeva se iz elektrolučne peći.

Savremena era u proizvodnji čelika počela je sa uvođenjem Henry Bessemerovog "Bessemer procesa" 1855. godine i sirovine kao sirovo gvožđe.[33] Njegova mu je metoda omogućila proizvodnju čelika u velikim količinama jeftino, tako da je mehki čelik došao u upotrebu za većinu upotreba gdje se ranije koristilo kovano gvožđe.[34] Gilchrist-Thomasov proces (ili osnovni Bessemerov proces) bilo je poboljšanje za Bessemerov proces, napravljen oblaganjem pretvarača sa baznim materijalom kako bi se uklonio fosfor.

Naredni proces pravljenja čelika u 19. vijeku bio je Siemens-Martinov proces, koji je upotpunio Bessemerov proces.[31] Sastojao se od zajedničkog topljenja željeznih šipki (ili čeličnog otpada) sa sirovim gvožđem.

Ove metode proizvodnje čelika bile su proglašene zastarjelima pojavom Linz-Donawitzovog procesa, koji je razvijen tokom 1950tih, kao i ostalih metoda proizvodnje pomoću kisika. Linz-Donawitzov proces je superiorniji u odnosu na prethodne metode proizvodnje čelika zbog kisika koji se pumpao u pećima ograničenih nečistoća, posebno dušika, koji je prethodno korišten iz zraka.[35] Danas, elektrolučna peć jeste česta metoda reprocesiranja starog gvožđa da bi se napravio novi čelik. Mogu se koristiti također i za pretvaranje sirovog gvožđa u čelik, ali koriste dosta elektične energije (oko 440 kWh po toni), pa su tako općenito jedino ekonomični gdje postoji bogat izvor jeftinog elektricitta.[36]

Industrija čelika

uredi
 
Proizvodnja čelika (u milionima tona) po državama (2007. godina)
 
Tvornica čelika u Ujedinjenom Kraljevstvu.

Često je danas govoriti o "željezu i industriji čelika" bilo da se radi o jednom entitetu, ali historijski oni su bili odvojeni proizvodi. Industrija čelika se često smatra za pokazatelja ekonomskog razvoja, zbog kritične uloge koju igra čelik u infrastrukturi i općenito ekonomskom razvoju.[37]

Godine 1980, postojalo je više od 500.000 čeličana u SAD-u. Do 2000, broj čeličana pao je na 224.000.[38]

Ekonomski procvat u Kini i Indiji uzrokovao je masovan porast u potražnji čelika zadnjih godina. Između 2000. i 2005, potražnja za čelikom u svijetu porasla je za 6%. Od 2000, nekoliko indijskih[39] i kineskih fabrika čelika dobilo je prepoznatljivost, kao što su Tata Steel (koja je kupila Corus Group u 2007.), Shanghai Baosteel Group Corporation i Shagang Group. ArcelorMittal je ipak svjetski najveći proizvođač čelika.

Godine 2005, British Geological Survey tvrdi da je Kina bila top proizvođač sa skoro 1/3 svjetskog udjela; Japan, Rusija i SAD su slijedili respektivno.[40]

Godine 2008, čelikom se počelo trgovati kao robom na London Metal Exchangeu. Krajem 2008, čelična industrija se suočila sa oštrim padom dovodeći do mnogih rezova.[41]

Svjetska industrija čelika je imala vrhunac 2007. godine. Te godine, ThyssenKrupp je utrošio $12 milijardi da sagradi dvije najveće moderne fabrike čelika u svijetu, u mjestima Calvert i Sepetiba, Rio de Janeiro, Brazil. Svjetska ekonomska kriza počevši 2008, ipak, naglo je smanjila potražnju i nove konstrukcije, tako da su cijene čelika pale. ThyssenKrupp je izgubio $11 miliajrdi na svoje dvije fabrike, koje su prodavale čelik ispod cijene proizvodnje.

Recikliranje

uredi

Čelik je jedan od svjetskih najviše recikliranih materijala, sa stopom reciklaže od preko 60% na globalnom nivou;[42] u Sjedinjenim Državama, preko 82 miliona tona je reciklirano u 2008. godini, sa sveukupnom stopom reciklaže od 83%.[43]

Savremeni čelik

uredi
 
Bethlehem Steel u Betlehemu bio je jedan od najvećih svjetskih proizvođača čelika prije zatvaranja 2003. godine i pretvaranjem u kasino.

Ugljični čelik

uredi

Savremeni čelici su napravljeni sa različitim kombinacijama legirajućih metala kako bi se upotpunile svrhe.[3] Ugljični čelik, sastavljen jednostavno iz željeza i ugljika, uzima 90% proizvodnje čelika.[1] Niskolegirani čelik je legiran sa ostalim elementima, obično s molibdenom, manganom, hromom ili niklom, u količini do 10% težine kako bi se popravila prokaljivost debljih dijelova.[1] Visokočvrsti niskolegirani čelik ima male dodatke (često < 2% težine) ostalih elemenata, obično 1,5% mangan, da omogući dodatnu čvrstoću za skroman rast cijene.[44]

Nedavne CAFE regulacije doprinijele su pojavi novih varijanti čelika poznatih kao napredni visokočvrsti čelik (AHSS). Ovaj materijal je i jak i duktilan tako da strukture vozila mogu održati svoje trenutne sigurnosne nivoe koristeći manje materijala. Postoji nekoliko komercijalno dostupnih nivoa AHSS-a, kao dvofazni čelik, koji se ne obrađuje termički da sadrži i feritnu i martenzitnu mikrosturkturu da proizvede fleksibilni, visokočvrsti čelik.[45] TRIP (transformacijski inducirana plastičnost) čelik primjenjuje posebno legiranje i termičku obradu da stabilizira količinu austenita na sobnoj temperaturi u normalno neaustenitnim niskolegiranim feritnim čelicima. Primjenom deformacije, austenit prolazi kroz faznu transformaciju u martenzit bez dodavanja toplote.[46] TWIP (uparivanjem inducirana plastičnost) čelik koristi poseban tip deformacije da poveća efektivnost rada koji očvršćava leguru.[47]

Ugljični čelici se često galvaniziraju, kroz toplo potapanje ili elektroplejtingom u cinku radi zaštite od hrđe.[48]

Legirani čelik

uredi

Nehrđajući čelik sadrži najmanje 11% hroma, često u kombinaciji sa niklom, radi otpornosti na koroziju. Neki nehrđajući čelici, kao feritni nehrđajući čelici su magnetični, dok su drugi, kao austenitni, nemagnetični.[49] Korozijski postojani čelici se označavaju skraćeno CRES.

Među modernijim čelicima ubraja se i alatni čelik, koji je legiran s većim količinama volframa i kobalta ili drugih elemenata radi pojačanja otvrdnjavanja rastvora. Ovo također omogućava korištenje ojačavanja precipitatima i poboljšava otpornost legure na visoke temperature.[1] Alatni čelik se općenito koristi kod sjekira, bušilica i ostalih uređaja koji trebaju oštru, dugotrajnu oštricu. Ostale legure posebne namjene uključuju čelik otporan na atmosferske utjecaje kao što je Cor-ten.[50] Maraging čelik je legiran niklom i ostalim elementima, ali za razliku od ostalih, sadrži niske sadržaje ugljika (0,01%). Ovo ga čini veoma čvrstim ali i dalje savitljivim čelikom.[51]

Eglin čelik koristi kombinaciu nekoliko različitih elemenata u različitim omjerima da bi se kreirao relativno jeftin čelik za korištenje za protivbunkerskom oružju. Hadfield čelik (prema Robertu Hadfieldu), ili manganski čelik, sadrži 12–14% mangana i ima mnogo tvrdu površinu koja sprječava trošenje.[52]

Godine 2016. iskorak u pravljenju čvrste lahke aluminijske čelične legure koja može biti povoljna u primjeni za zrakoplovstvo objavljen je od strane naučnika na Pohang univerzitetu za nauku i tehnologiju. Dodavanjem malih količina nikla nađeno je da rezultira u precipitaciji kao nanodjelići krhkih B2 intermetalnih spojeva koji su prethodno rezultirali slabošću. Rezultat je bio jeftina čvrsta lahka čelična legura — čvrsta skoro kao titanij sa 10% troška[53]— a što je odobreno za probnu proizvodnju na industrijskom nivou u POSCO, korejskom proizvođaču čelika.[54][55]

Standardi

uredi

Većina često korištenih čeličnih legura kategorizirano je u različite razrede od strane organizacija za standarde. Naprimjer, Društvo automobilskih inženjera ima serije SAE razrede čelika koji definiraju više tipova čelika.[56] Američko društvo za testiranje i materijale ima odvojen skup standarda, koji definiraju legure kao A36 čelik, najčešće korišten konstrukcijski čelik u Sjedinjenim Državama.[57]

Upotreba

uredi
 
Rola čelične vune

Čelik i gvožđe se široko koriste za konstrukciju cesti, pruga, druge infrastrukture, aparata i zgrada. Većina većih savremenih konstrukcija, kao što su stadioni i neboderi, mostovi i aerodromi, podržani su čeličnim skeletom. Čak i one sa betonskim konstrukcijama koriste čelik radi ojačanja. Dodatno, postoji raširena primjena istih u većim infrastrukturama i automobilima. Bez obzira na korištenje aluminija, čelik i gvožđe se i dalje koriste kao glavni materijali za tijelo automobila. Čelik se koristi u zavisnosti od drugih konstrukcijskih materijala, kao što su matice, ekseri, i vijci i ostali proizvodi iz domaćinstva.[58]

Ostale česte primjene uključuju brodogradnju, cijevi, rudarstvo, aeronautiku, bijelu tehniku (npr. veš-mašina), tešku opremu kao što je buldožer, uredski namjeđštaj, čeličnu vunu, alate, i oklope u obliku ličnih prsluka ili oklop vozila.

Historijska

uredi
 
Nož od ugljičnog čelika.

Prije uvođenja Bessemerovog procesa i ostalih modernih tehnika proizvodnje, čelik je bio skup i bio je korišten samo gdje nije bilo jeftinije alternative, djelimično zbog oštrih ivica noževa, žileta, mačeva i ostalih predmeta gdje je tvrda, oštra ivica bila potrebna. Također je korišten za opruge, uključujući one korištene u satove.[31]

Sa napretkom bržih i štedljivijih proizvodnih metoda, čelik je postao lakši za dobiti i mnogo jeftiniji. Zamijenio je kovano gvožđe u brojnim svrhama. Ipak, dostupnost plastike u kasnijem dijelu 20. vijeka dopustilo je ovim materijalima da smijene čelik u nekim primjenama zbog manje cijene i težine.[59] Ugljična vlakna mijenjaju čelik u nekim primjenama koje nisu osjetljive na trošak kao što je zrakoplovstvo, sportska oprema i superautomobili.

Dugi čelik

uredi
 
Čelični most
 
Čelična rešetka drži dalekovode

COR-TEN

uredi

Nehrđajući čelik

uredi
 
Posuda za sos od nehrđajućeg čelika
Glavni članak: Nehrđajući čelik

Također pogledajte

uredi

Reference

uredi
  1. ^ a b c d e Ashby, Michael F. and Jones, David R. H. (1992) [1986]. Engineering Materials 2 (with corrections izd.). Oxford: Pergamon Press. ISBN 0-08-032532-7. CS1 održavanje: nepreporučeni parametar (link) CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
  2. ^ a b Smelting. Encyclopædia Britannica. 2007. |access-date= zahtijeva |url= (pomoć)
  3. ^ a b c "Alloying of Steels". Metallurgical Consultants. 28. 6. 2006. Arhivirano s originala, 21. 2. 2007. Pristupljeno 28. 2. 2007.
  4. ^ Elert, Glenn. "Density of Steel". Pristupljeno 23. 4. 2009.
  5. ^ Izvori govore različito u odnosu na ove vrijednosti, tako da se zaokružuje na 2,1%, ipak stvarna vrijednost je više akademska, jer se čisti ugljični čelik veoma rijetko pravi sa ovim nivoom ugljika. Pogledati:
  6. ^ Smith i Hashemi 2006, str. 363.
  7. ^ Smith i Hashemi 2006, str. 365–372.
  8. ^ a b Smith i Hashemi 2006, str. 373–378.
  9. ^ "Quench hardening of steel". Arhivirano s originala, 17. 2. 2009. Pristupljeno 19. 7. 2009.
  10. ^ Smith i Hashemi 2006, str. 249.
  11. ^ Smith i Hashemi 2006, str. 388.
  12. ^ Smith i Hashemi 2006, str. 361
  13. ^ Smith i Hashemi 2006, str. 361–362.
  14. ^ Bugayev et al. 2001, str. 225
  15. ^ a b Hilda Ellis Davidson. The Sword in Anglo-Saxon England: Its Archaeology and Literature. str.20
  16. ^ a b c S. Srinivasan; S. Ranganathan. "Wootz Steel: an advanced material of the ancient world". Bangalore: Department of Metallurgy, Indian Institute of Science. Arhivirano s originala, 11. 2. 2019. Pristupljeno 2. 6. 2016.
  17. ^ Akanuma, H. (2005). "The significance of the composition of excavated iron fragments taken from Stratum III at the site of Kaman-Kalehöyük, Turkey". Anatolian Archaeological Studies. 14: 147–158.
  18. ^ "Ironware piece unearthed from Turkey found to be oldest steel". The Hindu. Chennai, India. 26. 3. 2009. Arhivirano s originala, 29. 3. 2009. Pristupljeno 27. 3. 2009.
  19. ^ "Noricus ensis," Horace, Odes, i. 16.9
  20. ^ Wagner, Donald B. (1993). Iron and Steel in Ancient China: Second Impression, With Corrections. Leiden: E.J. Brill. str. 243. ISBN 90-04-09632-9.
  21. ^ Needham, Joseph (1986). Science and Civilization in China: Volume 4, Part 3, Civil Engineering and Nautics. Taipei: Caves Books, Ltd. str. 563.
  22. ^ Gernet, 69.
  23. ^ "Civilizations in Africa: The Iron Age South of the Sahara". Washington State University. Arhivirano s originala, 19. 6. 2007. Pristupljeno 14. 8. 2007.
  24. ^ Africa's Ancient Steelmakers Arhivirano 23. 7. 2013. na Wayback Machine. Time Magazine, Sept. 25, 1978.
  25. ^ a b Tylecote, R. F. A history of metallurgy 2 edn, Institute of Materials, London 1992, pp. 95–99 and 102–105.
  26. ^ Raistrick, A. A Dynasty of Ironfounders (1953; York 1989)
  27. ^ Hyde, C. K. Technological Change and the British iron industry (Princeton 1977)
  28. ^ Trinder, B. The Industrial Revolution in Shropshire (Chichester 2000)
  29. ^ Barraclough, K. C. Steel before Bessemer: I Blister Steel: the birth of an industry (The Metals Society, London, 1984), str. 48–52.
  30. ^ King, P. W. (2003). "The Cartel in Oregrounds Iron: trading in the raw material for steel during the eighteenth century". Journal of Industrial History. 6 (1): 25–49.CS1 održavanje: ref=harv (link)
  31. ^ a b c d "Iron and steel industry". Britannica. Encyclopædia Britannica. 2007.
  32. ^ K. C. Barraclough, Steel before Bessemer: II Crucible Steel: the growth of technology (The Metals Society, London, 1984).
  33. ^ Swank, James Moore (1892). History of the Manufacture of Iron in All Ages. ISBN 0-8337-3463-6.
  34. ^ Bessemer process. 2. Encyclopædia Britannica. 2005. str. 168. |access-date= zahtijeva |url= (pomoć)
  35. ^ Basic oxygen process. Encyclopædia Britannica. 2007. |access-date= zahtijeva |url= (pomoć)
  36. ^ Jones, J.A.T. ; Bowman, B. and Lefrank, P.A. Electric Furnace Steelmaking, in The Making, Shaping and Treating of Steel, str. 525–660. R.J. Fruehan, Editor. 1998, The AISE Steel Foundation: Pittsburgh.
  37. ^ "Steel Industry". Arhivirano s originala, 18. 6. 2009. Pristupljeno 12. 7. 2009.
  38. ^ "Congressional Record V. 148, Pt. 4, April 11, 2002 to April 24, 2002". United States Government Printing Office.
  39. ^ "India's steel industry steps onto world stage". Pristupljeno 12. 7. 2009.
  40. ^ "Long-term planning needed to meet steel demand". The News. 1. 3. 2008. Arhivirano s originala, 30. 7. 2011. Pristupljeno 2. 11. 2010.
  41. ^ Uchitelle, Louis (1. 1. 2009). "Steel Industry, in Slump, Looks to Federal Stimulus". The New York Times. Pristupljeno 19. 7. 2009. CS1 održavanje: nepreporučeni parametar (link)
  42. ^ Hartman, Roy A. (2009). Recycling. Encarta. Arhivirano s originala, 14. 4. 2008.
  43. ^ Fenton, Michael D (2008). "Iron and Steel Scrap". u United States Geological Survey (ured.). Minerals Yearbook 2008, Volume 1: Metals and Minerals. Government Printing Office. ISBN 1411330153.
  44. ^ "High strength low alloy steels". Schoolscience.co.uk. Arhivirano s originala, 21. 9. 2020. Pristupljeno 14. 8. 2007.
  45. ^ "Dual-phase steel". Intota Expert Knowledge Services. Arhivirano s originala, 25. 5. 2011. Pristupljeno 1. 3. 2007.
  46. ^ Werner, Ewald. "Transformation Induced Plasticity in low alloyed TRIP-steels and microstructure response to a complex stress history". Arhivirano s originala, 23. 12. 2007. Pristupljeno 1. 3. 2007.
  47. ^ Mirko, Centi; Saliceti Stefano. "Transformation Induced Plasticity (TRIP), Twinning Induced Plasticity (TWIP) and Dual-Phase (DP) Steels". Tampere University of Technology. Arhivirano s originala, 7. 3. 2008. Pristupljeno 1. 3. 2007.
  48. ^ Galvanic protection. Encyclopædia Britannica. 2007. |access-date= zahtijeva |url= (pomoć)
  49. ^ "Steel Glossary". American Iron and Steel Institute (AISI). Pristupljeno 30. 7. 2006.
  50. ^ "Steel Interchange". American Institute of Steel Construction Inc. (AISC). Arhivirano s originala, 22. 12. 2007. Pristupljeno 28. 2. 2007.
  51. ^ "Properties of Maraging Steels". Arhivirano s originala, 25. 2. 2009. Pristupljeno 19. 7. 2009.
  52. ^ Hadfield manganese steel. Answers.com. McGraw-Hill Dictionary of Scientific and Technical Terms, McGraw-Hill Companies, Inc., 2003. Pristupljeno 28. 2. 2007.
  53. ^ Herkewitz, William (4. 2. 2015). "Scientists Invent a New Steel as Strong as Titanium ; South Korean researchers have solved a longstanding problem that stopped them from creating ultra-strong, lightweight aluminum-steel alloys". Popular Mechanics.
  54. ^ "Wings of steel: An alloy of iron and aluminium is as good as titanium, at a tenth of the cost". The Economist. 7. 2. 2015. Pristupljeno 5. 2. 2015. E02715
  55. ^ Sang-Heon Kim, Hansoo Kim & Nack J. Kim (5. 2. 2015). "Brittle intermetallic compound makes ultrastrong low-density steel with large ductility". Nature. Nature Publishing Group. 518: 77–79. doi:10.1038/nature14144. Pristupljeno 5. 2. 2015. we show that an FeAl-type brittle but hard intermetallic compound (B2) can be effectively used as a strengthening second phase in high-aluminium low-density steel, while alleviating its harmful effect on ductility by controlling its morphology and dispersion.
  56. ^ Bringas, John E. (2004). Handbook of Comparative World Steel Standards: Third Edition (PDF) (3rd. izd.). ASTM International. str. 14. ISBN 0-8031-3362-6. Arhivirano (PDF) s originala, 27. 1. 2007. Pristupljeno 12. 6. 2016.
  57. ^ Steel Construction Manual, 8th Edition, second revised edition, American Institute of Steel Construction, 1986, pog. 1, str. 1-5
  58. ^ Ochshorn, Jonathan (11. 6. 2002). "Steel in 20th Century Architecture". Encyclopedia of Twentieth Century Architecture. Pristupljeno 26. 4. 2010.
  59. ^ Materials science. Encyclopædia Britannica. 2007. |access-date= zahtijeva |url= (pomoć)

Literatura

uredi
  • Ashby, Michael F.; Jones, David Rayner Hunkin (1992). An introduction to microstructures, processing and design. Butterworth-Heinemann. CS1 održavanje: nepreporučeni parametar (link) CS1 održavanje: ref=harv (link)
  • Bugayev, K.; Konovalov, Y.; Bychkov, Y.; Tretyakov, E.; Savin, Ivan V. (2001). Iron and Steel Production. The Minerva Group, Inc. ISBN 978-0-89499-109-7. Pristupljeno 19. 7. 2009..
  • Degarmo, E. Paul; Black, J T.; Kohser, Ronald A. (2003). Materials and Processes in Manufacturing (9th izd.). Wiley. ISBN 0-471-65653-4.CS1 održavanje: ref=harv (link)
  • Gernet, Jacques (1982). A History of Chinese Civilization. Cambridge: Cambridge University Press.
  • Verein Deutscher Eisenhüttenleute (Ed.). Steel – A Handbook for Materials Research and Engineering, Volume 1: Fundamentals. Springer-Verlag Berlin, Heidelberg and Verlag Stahleisen, Düsseldorf 1992, 737 p. ISBN 3-540-52968-3, ISBN 3-514-00377-7.
  • Verein Deutscher Eisenhüttenleute (Ed.). Steel – A Handbook for Materials Research and Engineering, Volume 2: Applications. Springer-Verlag Berlin, Heidelberg and Verlag Stahleisen, Düsseldorf 1993, 839 pages, ISBN 3-540-54075-X, ISBN 3-514-00378-5.
  • Smith, William F.; Hashemi, Javad (2006). Foundations of Materials Science and Engineering (4th izd.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-295358-6.CS1 održavanje: ref=harv (link)

Također pročitajte

uredi

Vanjski linkovi

uredi
Preuzeto iz "https://bs.wikipedia.org/w/index.php?title=Čelik&oldid=3617997"