Çelik

Çelik, demir elementi ile genellikle %0,02 ila %2,1 oranlarında değişen karbon miktarının bileşiminden meydana gelen bir alaşımdır. Çelik alaşımındaki karbon miktarları çeliğin sınıflandırılmasında etkin rol oynar. Karbon genel olarak demir'in alaşımlayıcı maddesi olsa da demir elementini alaşımlamada magnezyum, krom, vanadyum ve tungsten gibi farklı elementler de kullanılabilir. Karbon ve diğer elementler demir atomundaki kristal kafeslerin kayarak birbirini geçmesini engelleyerek sertleşme aracı rolü üstlenirler. Alaşımlayıcı elementlerin, çelik içerisindeki, değişen miktarları ve mevcut bulundukları formlar (çözünen elementler, çökelti evresi) oluşan çelikte sertlik, süneklilik ve gerilme noktası gibi özellikleri kontrol eder. Karbon miktarı yüksek olan çelikler demirden daha sert ve güçlü olmasına rağmen daha az sünektirler.Yüksek çekme mukavemeti ve düşük maliyeti nedeniyle çelik, binalarda, altyapıda, aletlerde, gemilerde, trenlerde, arabalarda, makinelerde, elektrikli cihazlarda ve silahlarda kullanılmaktadır.  Demir, çeliğin ana metalidir.  Sıcaklığa bağlı olarak, iki kübik kristal yapı (allotropik form) alabilir: hacim merkezli kübik ve yüzey merkezli kübik.  Demirin allotroplarının, başta karbon olmak üzere alaşım elementleriyle etkileşimi, çeliğe ve dökme demire benzersiz özellikler kazandırır.Yüksek karbon içeren alaşımlar, düşük erime noktaları ve dökme kabiliyetleri nedeniyle dökme demir olarak bilinirler. Çelik ayrıca az miktarda karbon içeren fakat demir cüruflarını da kapsayan dövme demir olarak da ayırt edilir. İki ayırt edici faktör de çeliklerin pas önleyiciliklerini artırır ve daha iyi kaynaklanabilirlik sağlar.Her ne kadar Rönesans'tan uzun süre önceleri çelik çeşitli etkisiz metotlarla üretilmişse de 17. yüzyılda icat edilen daha etkili üretimlerden sonra kullanımı yaygın bir hâl aldı. 19. yüzyılın ortalarında Bessemer değiştirgeci'nin icadıyla çelik pahalı olmayan seri üretim materyali olmaya başladı. İlerleme sürecinde ilave edilen temel oksijen ile çelik yapımı gibi mükemmelleştirmeler üretimin maliyetini düşürürken metalin kalitesini arttırdı. Günümüzde, her yıl 1300 milyon ton üretimi ile, çelik dünyada en çok kullanılan ortak malzemelerden birisidir. Binalarda, altyapı üretiminde, aletlerde, gemilerde, otomobillerde, makinelerde, aksesuarlarda ve silahlarda ana malzemedir. Modern çelik çeşitli standartlar kuruluşları tarafından çeşitli özelliklerine göre sınıflandırılır.Demir, birçok metal gibi, yeryüzü kabuğunda oksijen veya sülfür gibi diğer elementlerle kombine olmuş halde, sadece cevher şeklinde bulunur. Standart demirin içerdiği mineraller arasında Fe2O3 demir oksit (esmer renkte olan doğal demir oksidineden ibaret bir maden filizi) ve FeS2 pirit (budala altını) vardır. Demir, oksijenin uzaklaştırılması ve cevherin kimyasal açıdan tercih edilen eşi karbon ile birleştirilmesi ile cevherden çekilir. Bu süreç, ilk olarak kalay (yaklaşık olarak erime noktası ) ve bakır (yaklaşık olarak erime noktası ) gibi erime noktası düşük metallerde tatbiki yapılmış ve madeni tasfiye etme işlemi olarak bilinmektedir. Karşılaştırma yapılırsa dökme demirin yaklaşık olarakcivarında eridiği görülür.Bütün bu sıcaklıklara Bronz Çağı'ndan bu yana uygulanan eski metotlarla ulaşmak mümkündür. Oksijen oranının kendi kendini hızlıca 800 °C nin civarına yükseltmesinden beri, madenin tasfiyesi işleminin düşük oksijen ortamında  yer alması önemlidir.Bakır ve Kalaya benzemeyen sıvı demir Karbonu kolayca çözer. Maden tasfiye işlemi çelik adı verilen yüksek Karbon içeren alaşım pik demir olarak sonuçlanır. Fazla gelen Karbon ve diğer katkı maddeleri bir sonraki basamakta uzaklaştırılır.Çeliklerin fiziksel ve mekanik özellikleri, içlerinde bulunan karbon yüzdesine göre değişir. Karbon yüzdelerine göre çelikler üç grupta toplanır;Düşük karbonlu çelikler: Bileşimlerinde en çok %0,2 oranında karbon içeren düşük karbonlu çelikler yumuşak, çekme mukavemetleri düşük, sertleştirilebilme yetenekleri çok az, kaynak olma özellikleri çok iyidir.Orta karbonlu çelikler: Bileşimlerinde &0,2-0,6 arasında içeren orta karbonlu çeliklerin çekme mukavemetleri düşük ancak yumuşak çeliklere göre yüksektir. Sertleştirilebilme yetenekleri ve kaynak olma özelliği orta derecededir.Yüksek karbonlu çelikler: Bileşimlerinde %0,6-2 arasında karbon içeren çeliklerdir. İçerdikleri karbon miktarına göre sertten çok serte doğru bir özellik gösterirler. Çekme mukavemetleri diğer çeliklere göre daha fazla olup, sertleştirilebilme yetenekleri çok iyi fakat, kaynak olma özellikleri çok zayıftır.Paslanmaz çelikler, günümüz çelik sektörünün üzerine yoğunlaştığı ve en çok kullanılan çelik türüdür. Çeşitli paslanmaz çelik nitelik ve standartları bulunmaktadır. Genel olarak paslanmaz çelikler %10 ile %25 arasında Cr (krom) içerirler. Krom, çeliğin yüzeyine çıkarak kromoksit tabakası oluşturur ve demirin oksitlenmesini engeller. Bu kromoksit tabakası çok ince bir film olarak oluşup malzemenin mekanik özelliklerinde herhangi bir kötü etki yaratmaz. Ayrıca alaşım elementi olarak Ni (nikel) de kullanılır. Nikel paslanmaz özelliğini iyileştirir ve iyi bir korozyon direnci sağlar. Paslanmaz çelikler neredeyse tüm sanayi kollarında kullanılmaktadır.