Çelik

Bir de demiri indirdik: onda hem çetin bir sertlik, hem de İnsanlar için bir çok menfaatler vardır.

(Hadîd, 57/25)

Günümüz endüstrisinde en geniş kullanım alanı bulan mühendislik malzemeleri, demir esaslı alaşımlardır. Demir, üretim şekli itibariyle yapısında daima karbon bulundurur. Ayrıca mangan ve silisyum da bulunur. Bu elementler kullanılacak malzemenin özelliğine göre azaltılır veya dışarıdan ilave edilebilir. İhîiva ettikleri karbon miktarına göre demirler üç gruba ayrılır:

%0.02'den az karbon ihtiva eden saf demir, % 0.02 - % 2.06 karbon ihtiva eden çelik ve % 2.06 - % 4.5 karbon ihtiva eden dökme demir. Demir, içerisinde ağırlık olarak en çok % 6.67 oranında karbon bulundurabilmekte ise de % 4.5'ten fazla karbon ihtiva eden bir malzemenin kullanım alanı hemen hemen yoktur.

Çelik yapma işlemi hamdemirdeki karbon ve diğer elementlerin miktarını azaltma işlemidir. Sonuçta bir miktar kükürt ve fosfor çelikte artık olarak kalır. Kükürt ve fosforun tesirini ortadan kaldırmak gayesiyle bir miktar mangan ve silisyum ilave edilir.

Saf demir belirli sıcaklık aralıklarında farklı kristal yapılı fazlarda bulunur. Buna allotropi denir. Demir alaşımlandırıldığında bu allotropik yapısını muhafaza eder, ancak dönüşüm sıcaklıkları alaşımlandırma durumuna göre değişir. Saf demirin kristal yapısı üzerinde yapılan çalışmalar, 910-1400 °C arasındaki sıcaklıklarda hacim merkezli kübik, bunun altındaki ve üstündeki sıcaklıklarda ise yüzey merkezli kübik yapılı olduğunu göstermiştir. Demir ayrıca 768 C'nin üstündeki sıcaklıklarda manyetik özelliğini kaybeder.

Demirin en önemli ve en geniş uygulama alanına sahip alaşımı karbonla yaptığı alaşımdır. Alaşımdaki karbon miktarının alaşım cinsi ve yapısına etkisi denge diyagramı olarak adlandırılan bir diyagramdan izlenebilir (Şekil-1). Bu diyagramlar her alaşım cinsi için farklıdır. Diyagram, alaşımı oluşturan elementlerin belli ağırlıklarda karıştırılıp eritildikten sonra, oda sıcaklığına ininceye kadar yavaş olarak soğutulması sırasında oluşan iç yapıları göstermektedir. Aynı durum oda sıcaklığından ergimeye kadar da incelenebilir. Fakat bu durumda bazı noktalarda farklılıklar görülmektedir.

ÇELİĞE SU VERME

Çeliğin sertleştirilmesi işlemi insanlığın bildiği ve uyguladığı en eski tekniklerden biridir. Sertleştirme işlemi yapılan çelik parça, ısıtıldıktan sonra suya sokulduğu için bu teknik, "çeliğe su verme" olarak da bilinmektedir. Çeliğin su ile olan bu ilgisinden dolayı sertleştirme esnasında içine su aldığı, tekrar ısıtıldığında içindeki bu suyu dışarı çıkararak yumuşadığı zannedilmiştir. Atadan görme usullerle çelik sertleştirme işleri ile uğraşan pek çok kişi çeliğin içine su girdiğine inanır. Su verilen çelikte meydana gelen, çok az bir hacim büyümesi de bu inanışa sebep olmuş olabilir. Malzeme bilimindeki gelişmeler sayesinde sertleşmenin suyun çeliğin içine girmesi ile olmadığı, çeliğin kristal yapısındaki değişikliklerin sertliğe sebep olduğu anlaşılmıştır.

Daha önce çeliğin farklı sıcaklıklarda farklı kristal yapısında olduğundan bahsedilmişti. Her iki kristal yapı da, makina parçasının kırılmadan şekil verilmesine müsaittir. Şekil değiştirme özelliği atomların birbiri üzerinde kaymasından kaynaklanmaktadır. Dönüşüm sıcaklığının üstüne kadar ısıtılan çelik tekrar yavaş olarak soğutulursa yine hacim merkezli kübik yapı oluşur. Çok hızlı soğutulduğunda ise, hacim merkezli kübik kristal yerine, martenzit diye adlandırılan dikdörtgenler prizması şeklinde bir kristal yapı oluşur. Böyle bir kristal yapıda atomlar birbirlerinin üzerinde kayamazlar. Bu yapıdaki çelik eğilip bükülemez, yani sertleşir. Çok zorlanırsa kırılır.

Çeliğin sertleşmesinde suyun tesiri çeliğin hızlı soğumasını sağlamaktır. Çeliğin soğuması başka bir ortamda sağlandığında yine sertleşme meydana gelir. Yüksek alaşımlı çelikler yağda veya havada soğutma ile sertleşebilir. Çeliğin sertleşmesinde alaşım elementlerinin, bilhassa karbonun önemi büyüktür. Mesela inşaat demiri olarak bilinen % 0.2 oranında karbon ihtiva eden çelik sertleştirilemezken karbon oranı % 0.5'den fazla olan çelik sertleşebilir özelliktedir.

Su verme ile çeliğin daha mukavim ve sert olmasını sağlayan mekanizma, yalnızca martenzit dönüşümü değil aynı zamanda daha küçük tane yapılı malzeme elde edilmesidir. Malzeme, su verme sıcaklığına çıkarılıp hızla soğutulunca martenzit oluşmasının yanında tane boyutları da küçülür. Aynı kimyevî kompozisyonlu iki çelikten daha Küçük tane boyutuna sahip olanı daha mukavemetlidir. Su verme işlemi tekrar edildikçe daha küçük tane boyutu elde edilir. İki su verme arasında sıcakta bir dövme işlemi yapılırsa tane boyutları daha da küçülür. Böylece malzemeden daha yüksek mukavemetli malzeme elde edilmiş olur. Çifte su verilmiş Osmanlı kılıcının sırrı da bu olsa gerektir.

ÇEŞİTLİ ÇELİKLER

Makina parçaları yalnız oda sıcaklığında ve nötr ortamda çalışmazlar, zaman zaman yüksek sıcaklık ve korozyon özelliği olan ortamlarda da çalışmaları gerekir. Halbuki alaşımsız çelikler, özelliklerini yüksek sıcaklıklarda kaybederler. Bu zorluk, çelik içine katılan bazı alaşım elementleri ile ortadan kaldırılmaya çalışılır. Bunlar, önem sırasına göre krom, nikel, mangan, alüminyum, bakır, titanyum, tantal, vanadyum, wolfram, kobalt şeklinde sayılabilir. Mesela krom oksitlenmeye karşı, molibden H₂SO₄, HNO₃ gibi asitlere karşı, bakır HCL'e karşı, alüminyum yüksek sıcaklıkta oksitlenmeye karşı, wolfram-krom-vanadyum yüksek sıcaklıkta darbeli çalışma şartlarında, ayrıca wolfram ve kobalt yüksek sıcaklıkta, sürtünme şartlarında kullanılmaktadır. Ayrıca çeşitli elementler, çeliğin kolay şekillendirilmesi, kolay talaş kaldırılmasını sağlamaktadır.

Çeliğin poliformluk ve alaşımlandırma özelliğinden faydalanılarak çok çeşitli mekanik, fizikî, elektrikî, elektro-kimyevî özellikte çelik malzeme üretilmiştir. Dünyada kullanılan 2000'den fazla çelik çeşidi vardır. Bu çelikler sahip oldukları özelliklere göre makinaların ve yapıların farklı yerlerinde kullanılmaktadır. Bütün bunlar, demire verilmiş olan kristal yapısını değiştirebilme özelliği sayesinde olmaktadır.