Ugljični čelik

Ugljični čelik je čelik sa masenim udjelom ugljika do 2,1%. Američki institut za željezo i čelike (AISI) daje definiciju ugljičnog čelika:

Čelik se smatra ugljičnim kada:

• nije određen minimalan sadržaj, niti se zahtijeva, za hrom, kobalt, molibden, nikl, niobij, titanij, volfram, vanadij ili cirkonij, ili bilo koji drugi element da se doda kako bi se dobili traženi legirajući efekti;
• specificirani sadržaj za bakar ne prelazi 0,4 procenata;
• ili najveći sadržaj specificiran za bilo koji od navedenih elemenata ne prelazi navedene procente: mangan 1,65, silicij 0,60, bakar 0,60.

Termin "ugljični čelik" također se može koristiti kao referenca za čelik koji nije nehrđajući čelik; u ovaj naziv može se svrstati ugljični legirani čelici.

Kako raste procenat sadržaja ugljika, čelik ima mogućnost postati tvrđim i otpornijim kroz termičku obradu; ipak, postaje manje duktilan. Bez obzira na termičku obradu, viši sadržaj ugljika smanjuje zavarivost. Kod ugljičnih čelika, veći udjeli ugljika smanjuju tačku topljenja.

Vrste ugljičnog čelika

Tipični sadržaji ugljika su:

• Niskougljični čelik: otprilike 0,05 do 0,29% sadržaja ugljika (npr. čelik AISI 1018). Niskougljični čelici imaju relativnu nisku vrijednost zatezne čvrstoće, ali su jeftini i kovljivi; površinska čvrstoća se može povećati putem karburizacije.
• Čelik sa srednjim sadržajem ugljika: otprilike 0,30 do 0.59% sadržaja ugljika (npr. čelik AISI 1040). Posjeduje dobru i duktilnost i čvrstoću, te je jako otporan na habanje; koristi se za velike dijelove.
• Visokougljični čelici: otprilike 0,6 do 0,99% sadržaja ugljika. Vrlo čvrst, te se koristi za opruge i žice visoke čvrstoće.
• Ultra visokougljični čelik: otprilike 1,0 do 2,0% sadržaja ugljika. Ovi čelici se termalno obrađuju do veoma visoko čvrstoće. Koriste se u posebne svrhe: za noževe, osovine i bušilice. Većina čelika sa preko 1,2% sadržaja ugljika se prave metodama praškaste metalurgije, te obično spadaju u kategoriju visoko legiranih ugljičnih čelika.

Čelik se može termalno obrađivati, što omogućava da se dijelovi proizvode dok su još u mehkom stanju. Ako je prisutno dovoljno ugljika, legura može očvrsnuti, te se tako povećava jačina, otpornost za habanje, kao i otpornost na udar. Čelici se obrađuju i metodom hladnog valjanja, tj. oblikovanje metala putem deformacija na niskoj metastabilnoj temperaturi.

Metalurgija

Niskougljični čelik je najčešći oblik čelika, jer je njegova cijena relativno niska, a materijalu daje osobine koje su prihvatljive za mnoge primjene. Niskougljični čelik ima niski sadržaj ugljika (do 0,3% C), te zbog toga nije ekstremno ni krhak niti duktilan. Kovljiv postaje kada se zagrije. Koristi se kada su potrenne velike količine čelika, npr. kao konstrukcioni čelik. Gustoća ovog metala je 7.861,093 kg/m³ (0,284 lb/in³), zatezna čvrstoća je maksimalno 500 MPa (72.500 psi), a Youngov modul elastičnosti mu iznosi 210 GPa.

Ugljični čelici, koji dobro podnose termalnu obradu, imaju saržaj ugljika u rasponu od 0,30 do 1,70%, u zavisnosti od težine. Tagovi raznih drugih elemenata može imati značajan efekt na kvalitet rezultirajućeg čelika. Tragovi sumpora smatraju se nečistoćom u čeliku. Niskolegirani ugljični čelik, kao što je A36, sadrži okot 0,05% sumpora, a topi se na oko 1426 do 1538 °C (2600–2800 °F). Magnezijum se često dodaje kako bi se poboljšala čvrstoća niskolegiranih ugljičnih čelika. Ovi dodaci čine materijal niskolegiranim čelikom po nekim definicijama, ali AISI-jeva definicija ugljičnih čelika dozvoljava do 1,65% mangezija, u zavisnosti od težinet.

Očvrnuti čelik se obično odnosi na naglo hlađeni čelik (naglim hlađenjem poboljšavaju se osobine čvrstoće).

Termalna obrada

Fazni dijagram Fe-C, pokazuje temperaturu i udjele ugljika za određene vrste termalne obrade.

Svrha termalne obrade ugljičnog čelika je promijena mehaničkih osobina čelika, najčešće duktilnosti, čvrstoće jačine i otpornosti na udar. Važno je napomenuti da se blago promijene i eletrična i termalna provodljivost. Kod većine tehnika za očvršćavanje čelika, modul elastičnosti (Youngov modul elastičnosti) nikada se ne mijenja.

• Sferoidizacija: Sferoidit se formira kada se ugljični čelik zagrije na otprilike 700 °C na preko 30 sati. Sferoidit se može formirati i pri nižim temperaturama, ali potrebno vrijeme za to drastično se povaćava, pošto je to difuzioni proces. Razultat je struktura od iglica ili sfera cementita unutar primarne strukture (ferit ili perlit, u zavisnosti sa koje je strane eutektoid koji posmatrate). Svrha mu je da omekša viskougljične čelike, te da omogući lakše oblikovanje. Ovo je najmekša i najduktilnija forma čelika. Slika iznad pokazuje gdje se sferoidizacija najčešće odvija.

• Potpuno kaljenje: Ugljični čelik se zagrijava za oko 40 °C više od Ac₃ ili Ac₁ za 1 sat; ovo osigurava da e sav ferit transformiše u austenit (iako se cementit može održati ako je sadržaj ugljika veći od eutektoida). Čelik se, zatim, mora polahko hladiti, za 38 °C (100 °F) po satu. Najčešće se hladi zajedno sa peći, gdje se peć ugasi sa čelikom koji je još unutar nje. Ovo rezultira grubom perlitnom strukturom. Potpuno kaljeni čelik je mekan i duktilan. Samo sferoidizirani čelik je mekši i duktilniji.

• Normalizacija: Ugljični čelik se zagrijava za oko 55 °C više od Ac₃ ili Ac_m na 1 sat; ovo omogućava da se čelik u potpunosti transformiše u austenit. Čelik se, zatim, hladi zrakom, sa opadanjem temperature za 38 °C (100 °F) po minuti. Ovo rezultira sa finom, uniformnom perlitnom strukturom. Normalizirani čelik ima veću jačinu od kaljenog čelika; ima relativno visoku jačinu i dutilnost.

Također pogledajte

• Čelik
• Termička obrada

Literatura

• Oberg, E. et al., (1996). "Machinery's Handbook," 25th ed., Industrial Press Inc.
• Smith, W.F. & Hashemi, J. (2006). "Foundations of Materials Science and Engineering," 4th ed., McGraw-Hill.