Kompozisyon |
Demir Karbon |
---|---|
Renk | Gri |
Keşif tarihi | 1865 |
Gencin modülü | 210 gigapaskal |
---|
Bir çelik a, bir metal alaşımı esas olarak aşağıdakilerden oluşan demir ve karbon (karbon ağırlıkça%% 0.02 ile 2 arasında oranlarda).
Esasen alaşıma çeliğin özelliklerini veren karbon içeriğidir. Dökme demirler ve ferroalaşımlar gibi çelik olmayan başka demir bazlı alaşımlar da vardır .
Çelik, mekanik veya kimyasal streslere veya her ikisinin kombinasyonuna dayanacak şekilde tasarlanmıştır.
Bu streslere dayanmak için, karbonun yanı sıra bileşimine kimyasal elementler de eklenebilir. Bu elementlere ekleme elementleri denir, ana elementler manganez (Mn), krom (Cr), nikel (Ni), molibden (Mo) 'dur.
Çelikte bulunan kimyasal elementler üç kategoriye ayrılabilir:
Karbon içeriğinin çeliğin özellikleri üzerinde önemli (ve oldukça karmaşık) bir etkisi vardır:% 0,008'in altında, alaşım oldukça yumuşaktır ve biz "demir" den bahsediyoruz; % 2.1'in üzerinde, alaşımın erime sıcaklığını ve mekanik özelliklerini derinden değiştiren demir / demir karbür veya demir / grafit ötektik alanına giriyoruz ve dökme demirden bahsediyoruz .
Bu iki değer arasında, karbon içeriğindeki artış , alaşımın sertliğini iyileştirme ve kopmada uzamasını azaltma eğilimindedir ; "geleneksel sınıflandırmaya" göre "yumuşak, yarı yumuşak, yarı sert, sert veya ekstra sert" çeliklerden söz ediyoruz.
Sertlik | Karbon içeriği (%) |
---|---|
Ekstra yumuşak çelik | <0.15 |
Yumuşak çelik | 0.15 - 0.25 |
Yarı yumuşak çelik | 0.25 - 0.40 |
Yarı sert çelik | 0.40 - 0.60 |
Sert çelik | 0.60 - 0.70 |
Ekstra sert çelik | > 0.70 |
Metalurji üzerine biraz eski ders kitaplarında, çeliğin tanımı olarak karbonun% 0,2 ile% 1,7 arasında değiştiği bir demir-karbon alaşımı bulunabilir; akım sınırı demir / karbon ikili diyagramından oluşturulmuştur. Bununla birlikte, sinterleme ile elde edilen bu sınırların üzerinde karbon konsantrasyonuna sahip çelikler (ledeburitik çelikler) vardır .
Çeliklerin özellikleri de metalik diğer elementlerin eklenmesiyle değiştirilir ve biz "alaşımlı" çeliklerden bahsediyoruz. Karakteristikleri , malzemenin yüzeyinde veya merkezinde yer alan ısıl işlemlerle (özellikle su verme veya sementasyon ) büyük ölçüde iyileştirilebilir ; daha sonra "işlenmiş" çeliklerden bahsediyoruz.
Bu çeşitli potansiyellere ek olarak ve diğer metal alaşımları ile karşılaştırıldığında, çeliklerin ana ilgi alanı, bir yandan temel mekanik özelliklerdeki yüksek değerlerin birikiminde yatmaktadır:
Öte yandan, demir cevheri yeryüzünde bol miktarda bulunduğundan (kabuğun yaklaşık% 5'i) ve indirgenmesi oldukça basit olduğundan (yüksek sıcaklıkta karbon ekleyerek ) , üretim maliyetleri nispeten ılımlı kalmaktadır . Son olarak, hurda metal sektörü sayesinde çelikler pratik olarak tamamen geri dönüştürülebilir .
Bununla birlikte, bazı dezavantajlara, özellikle de korozyona karşı zayıf dirençlerine sahip oldukları kabul edilebilir , ancak bunlar ya çeşitli yüzey işlemleriyle ( boyama , parlatma , çinko kaplama , sıcak daldırma galvanizleme , vb.) Ya da " paslanmaz " denilen çeliğin kaliteleri . Ek olarak, çeliklerin kalıplanması zordur ve bu nedenle karmaşık şekillerin büyük parçaları (örneğin makine şasileri) için önerilmez. Daha sonra yazı tiplerini tercih ederiz . Son olarak, yüksek yoğunlukları cezalandırıcı olduğunda (örneğin havacılık sektöründe), daha pahalı olma dezavantajına sahip daha hafif malzemelere (alüminyum bazlı alaşımlar , titanyum , kompozitler vb.) Yöneliyoruz.
Fiyat önemli bir seçim kriteri olduğunda, neredeyse tüm teknik uygulama alanlarında çelikler tercih edilmeye devam ediyor: kamu ekipmanı (köprüler ve yollar, sinyalizasyon), kimya, petrokimya, ilaç ve nükleer endüstri (basınçlı ekipman, alev etkisine maruz ekipman, depolama kapasiteleri , çeşitli konteynerler), gıda endüstrisi (paketleme ve depolama), bina (bağlantı parçaları, çerçeveler, demir işleri, donanım), mekanik ve termal endüstri (motorlar, türbinler, kompresörler), otomotiv (üstyapı, ekipman), demiryolu, havacılık ve havacılık, denizcilik inşaat, tıbbi (aletler, cihazlar ve protezler), mekanik bileşenler (vidalar, yaylar, kablolar, yataklar, dişliler), vurucu aletler (çekiçler, keskiler, kalıplar) ve kesici aletler (kesiciler, matkaplar, uç tutucu), mobilya, tasarım ve ev aletleri vb.
Demir Yaş uyarlanması ile karakterize edilir , yüksek fırın demir azalmasına neden olmaktadır. Bu yüksek fırın , en iyi parçalarının seçilmesi ve ardından cürufu çıkarmak için kırılması gereken heterojen bir demir, çelik ve cüruf karışımı olan bir büyüteç üretir .
Rüzgârın itilmesi ile yanma körüklenir ve metalin erime sıcaklığına ulaşılır. Metal, pota boşaltılarak çıkarılır : bu, yüksek fırında üretimdir . Daha sonra dökme demir elde edilir, sıvı demir odun kömürü ile temas halinde karbon alır . Aslında, yüksek fırının potasında iki tamamlayıcı olay meydana gelir: demir, odun kömürü ile temas ettiğinde karbon ile yüklenir ve bu da erime noktasını düşürür. Daha sonra bu erimiş metal, odun kömürü çözülerek karbonca zenginleştirilmeye devam eder. İlk dökümler Savaşan Devletler döneminde (-453 ile -221 arasında) Çinliler tarafından yapıldı . Ayrıca çelik elde etmek için dökme demirin karbonunu hava ile reaksiyona sokarak nasıl yakacaklarını da bilirler. Bu dolaylı bir süreçtir çünkü çelik üretimi, dökme demir elde edildikten sonra gerçekleşir. Avrupa ve Asya'da, Antik Çağ'da, demir, yanma gazları ve odun kömürü ( karbonlama çeliği ) ile yeniden yakıt doldurularak da üretildi .
Réaumur , 1722'de çok sayıda deney yaparak ve gözlemlerinin sonuçlarını yayınlayarak modern çelik endüstrisini kurdu : Çeliğin dökme demir ile saf demir arasında bir ara durum olduğunu, ancak zamanın bilgisi olduğunu ilk teorileştiren oydu. bilimsel olarak kesin olmasına izin vermez. Metalurjinin bilimsel hale gelmesi 1786 yılına kadar değildi : o yıl, Lavoisier, Berthollet , Monge ve Vandermonde okulundan üç Fransız bilim adamı , Kraliyet Bilimler Akademisi'ne üç tür demir ürünü tanımladıkları bir Mémoire sur le fer sundu : demir , dökme demir ve çelik. Çelik daha sonra , yüksek fırından dökme demirin rafine edilmesiyle üretilen demirden elde edilir . Çelik demirden daha dirençlidir ve dökme demirden daha az kırılgandır, ancak onu elde etmek için her ara dönüşüm maliyetini arttırır.
Sanayi devrimi imalat ve çelik içine dökme demir dönüştürülmesi için yeni yöntemlerin geliştirilmesine sayesinde görünür. 1856'da Bessemer süreci , doğrudan dökme demirden çelik üretmeyi başardı. Thomas ve Gilchrist tarafından iyileştirilmesi , genelleştirilmesine izin verir. Bu keşifler, kaliteli çeliğin seri üretimine yol açtı (o an için). Son olarak, ikinci yarısına doğru XIX inci yüzyılda, Dimitri Çernov çelik polimorfik dönüşümleri keşfetti ve bilim daha durum zanaat metalurjisi geçen ikili diyagram demir / karbon kurar.
İçerdikleri karbonun kütle yüzdesine göre birkaç çeşit çelik vardır:
% 2.11'lik sınır, ötektik ( ledeburitis ) etki bölgesine karşılık gelir ; bununla birlikte, bazı ledeburitik çelikler vardır.
Çeliklerin termodinamik dengede kristal yapısı , konsantrasyonlarına (esas olarak karbon ve aynı zamanda diğer alaşım elementleri) ve sıcaklığa bağlıdır. Denge dışı yapılara da sahip olunabilir (örneğin, bir su verme durumunda ).
Saf demirin yapısı sıcaklığa bağlıdır:
Demir + karbonun yapısı , sıcaklığa ve karbon içeriğine bağlı olarak daha karmaşık bir şekilde gelişir. Kurallar, birinin ötektoidin "etki bölgesi" dışında (% 0 ile% 0,022 arasında),% 0,022 ile% 0,77 arasında (hipoötektoid) veya% 0,77 ile% 2,11 arasında (hipereutektoid; bunun ötesinde) olmasına bağlı olarak farklılık gösterir. , dökme demirdir). Demir-karbon diyagramı çalışmasına bakın.
Basitleştirilmiş bir şekilde,% 0,022 ile% 2,11 arasındaki bir karbon için:
Alaşımsız (karbon) çelikler, kütlece% 2,11'e kadar karbon içerebilir. Bazı alaşımlı çelikler, sözde "gamajenik" elementler ekleyerek daha fazla karbon içerebilir.
Çeliğin farklı mikro yapıları:
Demir, alaşıma çelik adını verdiği için karbon çok önemlidir. Çeliğin mekanik özellikleri üzerindeki etkisi baskındır. Örneğin, sertlik özelliğinin iyileştirilmesi ile ilgili olarak, karbon ilavesi, manganez ilavesinden otuz kat daha etkilidir.
Alüminyum : mükemmel oksijen giderici. Oksijenle birleştiğinde, östenitik fazda tane büyümesini azaltır. Belli bir eşiğin ötesinde, çeliği sıcak daldırma galvaniz için uygunsuz hale getirebilir.
Krom : Çeliğe sıcağa ve oksidasyona (refrakter çelikler) mekanik direnç özelliği kazandıran katkı maddesidir. Ayrıca,% 12 ila 13'ten fazla bir içerikte bulunduğunda (karbon içeriğine bağlı olarak) korozyon direncinde belirleyici bir rol oynar. % 0,5 ile% 9 arasında eklendiğinde, ortam sıcaklığının üzerindeki sıcaklıklarda (krom alaşımlı çelikler ailesi) sertleşebilirliği ve mekanik özelliklerin korunmasını artırır . Alfajen rolü vardır.
Kobalt : birçok manyetik alaşımda kullanılır. Tavlamada yumuşamaya karşı dirence neden olur.
Manganez : işlenebilirliği artıran sülfitler oluşturur. Sertleşebilirliği orta derecede artırır.
Molibden : aşırı ısınma sıcaklığını, yüksek sıcaklık direncini ve sürünme direncini artırır. Sertleşebilirliği artırır.
Nikel : Yüksek krom içeriğine sahip çelikleri östenitik (gamajenik rol) yapar. Tavlamadan sonra orta veya yüksek sertleşebilirliğe (mevcut diğer elementlere bağlı olarak), düşük östenitleme sıcaklığına ve yüksek tokluğa sahip çelikler üretmek için kullanılır. Düşük sıcaklıklarda sünek çeliklerin (kriyojenik tankların inşası için% 9 Ni çeliği , LNG tankerlerinin yapımı için " Invar " olarak adlandırılan% 36 Ni çeliği ve hassas ölçüm aletleri) üretimi için mükemmel bir alaşım elementidir .
Niyobyum : titanyumla aynı avantaj, ancak çok daha az uçucu. Kaynak alanında bu nedenle dolgu metallerinin yerini alır.
Fosfor : sertleşebilirliği büyük ölçüde artırır. Korozyona karşı direnci artırır. Gelir kırılganlığına katkıda bulunabilir.
Silikon : Manyetik bir çeliğin üretimi için gerekli kristal yönünü destekler, elektrik direncini artırır. Bazı refrakter çeliklerin oksidasyona karşı direncini artırır. Oksijen giderici eleman olarak kullanılır.
Titanyum : yüksek karbürojenik güç (niyobyum gibi) ve bu nedenle martensitin sertliğini azaltır. Karbonu yüksek sıcaklıkta çözelti içinde tutar ve bu nedenle paslanmaz çeliklerin taneler arası korozyon riskini azaltır (TiC, Cr 23 C 6'dan önce oluşur ve bu nedenle tane sınırında krom tükenmesini önler).
Tungsten : Temperlenmiş, temperlenmiş çeliklerin yüksek sıcaklık sertliğini iyileştirir. Molibden ile büyük ölçüde aynı işlevler.
Vanadyum : sertleşebilirliği artırır. Aşırı ısınma sıcaklığını artırın. Tavlama ile yumuşamaya karşı dirence neden olur (belirgin ikincil sertleşme etkisi).
Külçenin soğuması üzerine çelik, östenitik durumda katılaşır. 727 ° C'de soğutma sırasında , östenit ya ferrit + perlit ya da perlit + sementit olarak ayrışır . Soğutma hızı ve alaşım elementleri, elde edilen yapı ve dolayısıyla çeliğin özellikleri üzerinde büyük bir öneme sahiptir. Aslında :
Genel olarak:
Bazı kimyasal elementler, karbürleri oluşturmak için karbonu "yakalayabilir" (örneğin, titanyum veya alüminyum). Böylece sementit oluşumunu engellerler.
Çeliğin yapısı termomekanik işlemlerle değiştirilebilir :
Toz metalürjisi çelik tozu sıkıştırılması ve erime sıcaklığının altında ısıtma oluşur, ama yeterli böylece tahıl olduğu ( "kaynaklanmış" sinterleme ). Bu, çeliğin yapısını ve yüzey durumunu kontrol etmeyi mümkün kılar (özellikle büzülme veya büzülme olmaz ), ancak gözeneklilik sağlar .
Düşük alaşımlı, düşük karbonlu çelikler ve bunun tersine çok sayıda alaşım elementi içeren çelikler vardır (örneğin, tipik bir paslanmaz çelik kütlece% 8 nikel ve% 18 krom içerir).
Her ülkenin kendi çelikleri belirleme yöntemi vardır. Karşıdaki diyagram EN 10027-1 ve -2 standartlarına göre Avrupa tanımlamasını göstermektedir. Bu standart dört kategoriyi ayırt eder:
Kaynaklı konstrüksiyon, işleme, bükme vb. İçin tasarlanmıştır . Biz ayırt ediyoruz:
Bu çeliklerin tasarımına değeri ve ardından kullanım tipini belirten harfi içeren en az elastik sınır ( R, e ) olarak ifade megapaskal (MPa) yüklenmiştir. Unutmayın ki bu düşük kalınlık değeridir, kalınlıkla birlikte direnç azalır.
Dökme çelik ise, tanımlamadan önce G harfi gelir. Tanımlama ek göstergelerle (saflık, özel uygulama, vb. ) Tamamlanabilir .
Örnekler:
Manganez içeriği% 1'den azdır ve hiçbir ilave element kütlece% 5'i geçmez. Bileşimleri daha kesin ve daha saftır ve önceden tanımlanan kullanımlara karşılık gelir.
Ortak uygulamaları matkaplar ( matkaplar ), yaylar , tahrik milleri , kalıplar ( kalıplar ) vb.
Tanımlamaları, C harfini ve ardından karbon içeriğinin 100 ile çarpılmasını içerir. Dökme çelikse, atamadan önce G harfi gelir.
Örnekler:
Manganez içeriği% 1'den fazladır ve hiçbir ilave element kütlece% 5'i geçmemelidir. Yüksek mukavemet gerektiren uygulamalarda kullanılırlar.
Standart gösterime örnekler:
En az bir ekleme elemanı kütlece% 5'i aşıyor, çok özel kullanımlar için tasarlanmış, takım çelikleri, refrakterler, maraging (çok yüksek direnç, havacılıkta ve su altı gövdelerinin imalatında kullanılır . -Denizler), Hadfields (çok yüksek aşınma direnç), Invar (düşük genleşme katsayısı ).
Standart gösterime bir örnek "X2CrNi18-9" (bu paslanmaz çeliktir ).
Özel yüksek hızlı çelikler (ARS veya yüksek hız çelikleri , HSS) bu ailenin bir parçasıdır.
Paslanmaz çeliklerBu çelikler korozyona , sıcak oksidasyona ve sürünmeye (geri dönüşü olmayan deformasyona) karşı büyük bir dirence sahiptir . Esasen paslanmazlık özelliği kazandıran bir element olan krom ve iyi mekanik özellikler sağlayan bir element olan nikel ile alaşımlanırlar . Paslanmaz çelikler dört aileye ayrılır: ferritik, östenitik, martensitik ve östeno-ferritik. Östenitik paslanmaz çelikler en yumuşak olanlardır ve bu özelliği çok düşük sıcaklıklarda ( −200 ° C ) korurlar .
Uygulamaları çok yönlüdür: kimyasallar , nükleer , gıda , aynı zamanda çatal bıçak takımı ve ev aletleri. Bu çelikler en az% 10,5 krom ve% 1,2'den az karbon içerir .
Çok fazlı çeliklerBu çelikler, kompozit prensiplerine göre tasarlanmıştır : termal ve mekanik işlemlerle, malzeme yerel olarak belirli alaşım elementleri ile zenginleştirilir . Daha sonra, sert fazlar ve sünek fazların bir karışımı elde edilir , bunların kombinasyonu daha iyi mekanik özellikler elde etmeyi mümkün kılar. Örneğin alıntı yapabiliriz:
Çelik, esas olarak demirden oluşan bir alaşımdır, bu nedenle yoğunluğu , kimyasal bileşimi ve ısıl işlemlerine bağlı olarak demirinkine (7.32 ila 7.86) göre değişir. Östenitik bir paslanmaz çeliğin yoğunluğu, kristal yapı nedeniyle tipik olarak 8'in biraz üzerindedir. Örneğin, bir AISI 304 tipi paslanmaz çeliğin (X2CrNi18-10) yoğunluğu yaklaşık 8.02'dir.
Çelikler , bileşimlerine bakılmaksızın Young modülü yaklaşık 200 GPa'dır (200 milyar paskal ). Diğer özellikler, bileşimlerine, termomekanik işleme ve maruz kaldıkları yüzey işlemlerine bağlı olarak büyük ölçüde değişir .
Termal genleşme katsayısı çelik olan 11.7 x 10 -6 ° C -1 .
Termomekanik tedavi şu derlemedir:
Yüzey işleme, bir dış çelik katmanının kimyasal bileşimini veya yapısını değiştirmeyi içerir. Bu olabilir :
Ayrıntılı aşınma önleyici işlemler makalesine de bakın .
Çeliklerin kaynaklanabilirliği, karbon içeriği ile ters orantılıdır. Değil çeliğin tüm sınıflarda aynı kaynaklanabilirliğine sahiptir ve (üzerinde makalesine bakın kaynaklanabilirliğe farklı derecelerde görüntülemek kaynak ). Bazı çelikler de doğası gereği kaynaklanamaz. Bir çeliğin kaynaklanabilir olması için, çelik üreticilerinin sonraki uygulamayı optimize etmek için geliştirme aşamasından itibaren ürettikleri çeliklerin kaynaklanabilirliğine dikkat etmeleri önemlidir.
Örneğin, ASME ( American Society of Mechanical Engineers ) kodunun , basınçlı ekipman yapımı için özel hacminde, geçici olarak kaynaklanmış geçici bir parça olarak bile kullanılan bir çeliğin uygunluk sertifikasını gerektirdiği belirtilmelidir. söz konusu koda tabi bir çalışmada "kaynaklanabilir çeliğin" kalitesinden açıkça bahsedilmektedir.
Çelik üretim maliyetini en az yedi faktör belirler:
İlk altı gereksinimin etkisi, baz fiyatın% 50'sinden fazlasında ton başına birkaç on avro etkisine sahip olabilir (taban fiyat, standarda uygun ve herhangi bir seçenek olmaksızın standart çeliğin fiyatıdır), dolayısıyla Herhangi bir sipariş vermeden önce, teknik sözleşme ve / veya idari gerekliliklere uygun olarak hazırlanmış bir teknik satın alma şartnamesine göre satıcıya veya çelik üreticisine ("dövme" veya "dökümhane" olarak da bilinir) danışmanın önemi . 7 inci nokta ise hiçbir rasyonel sınırı vardır.
Yeni tip özel çelikler , örneğin kemiğin yapıcı prensibini taklit ederek biyo-esinlenebilir . Böylece 2016-2017'de araştırmacılar kemiği taklit eden bir çelik ürettiler . Kemik içinde, nano ölçekli kolajen lifleri , katmanları farklı yönlere yönlendirilmiş katmanlı bir yapı oluşturur. Milimetre ölçeklerinde kemik, çatlakların her yöne ve herhangi bir noktadan yayılmasını önleyerek onu güçlendiren bir kafes (sıralı set) şeklinde organize edilmiş bir kırıntı yapısına sahiptir . Of metalürji içeren bir nano-yapılı çelik üretmek için ilham alaşımlar (farklı sertlik ile) farklı olabilir. Orada yayılmak için, bir çatlak karmaşık bir yolu takip etmeli ve birçok direncin üstesinden gelmelidir, çünkü düzeneğin esnek nano parçaları, mikro çatlakları ortaya çıktıktan hemen sonra bile kapatabilen, tekrarlanan stres enerjisini emer.
Hafif çelikler (muhtemelen " 3D baskılı "), çatlaklara veya daha doğrusu riskli çatlakların yayılmasına karşı daha dirençli hale getirmek istediğimiz köprüler, robotlar, uzay araçları veya denizaltılar veya kara araçları veya yapıları oluşturmak için mümkün hale geliyor. bütünün.
“% 2'den fazla karbon içeren demir-karbon alaşımları, dökme demirleri oluşturur. "
- Philibert vd. , Cevherden malzemeye metalurji (Dunod, 2002), s. 660
“Dökme demirler,% 2'den fazla miktarda demir ve karbon alaşımlarıdır. "
- Hazard vd. , Mémotech - Metalik yapılar (Casteilla, 2000), s. 14
Ancak, benimsenen değerler, genellikle üreticiler tarafından kullanılan içeriklere veya laboratuvarda elde edilen diyagramların değerlerine bağlı olarak yazarlara göre% 1,67 ile% 2,11 arasında değişmektedir.