Maksimum %2,06 karbon içeren demir-karbon alaşımları “çelik” olarak adlandırılır. Çelikler, günümüzde en yaygın kullanılan malzeme grubunu oluşturmaktadır. Yalın karbonlu olabilecekleri gibi, çeşitli özelliklerin geliştirilebilmesi için bazı alaşım elementleri de içerebilirler. Çelik bünyesinde bulunan elementler; özellikleri iyileştirmek için kasıtlı olarak katılan alaşım elementleri ve bunun aksine özelliklere olumsuz etki ettiği için yapıdan uzaklaştırılmak istenen elementler olmak üzere ikiye ayrılır.
Çeliklerin alaşım elementleri ve bu elementlerin etkileri şunlardır:
Karbon (C)
Çeliklerin temel alaşım elementi olan karbon, çeliklerin üretim işlemleri sırasında yapıdaki yerini alır ve malzemenin mekanik özelliklerini en çok etkileyen faktördür. Karbon, çeliğin akma ve çekme dayanımını artırırken; yüzde uzamasını, şekillenebilirliğini ve kaynak kabiliyetini azaltır. İşlenebilirliğin ön planda olduğu çeliklerde karbon miktarı düşük tutulmalı, dayanım değerlerinin yüksek olması gerektiği durumlarda ise karbon içeriği yüksek olmalıdır.
Mavi Gevreklik: Düşük karbonlu yumuşak çeliklerin şekillendirilmesi sırasında meydana gelebilecek en önemli problemdir. Yumuşak çelikler 270-350 °C arasında şekillendirilirlerse, küçük çaplı karbon (ve/veya azot) atomları hızlı bir şekilde yayınır. Yayınan atomlar dislokasyonları kilitleyerek malzemenin akma sınırı noktasını yükseltir ve malzemenin daha gevrek davranmasına yol açar. Bu sıcaklık aralığında çeliğin aldığı renk mavi olduğu için bu olaya “mavi gevreklik” denir.
Mangan (Mn)
Mangan da karbon gibi üretim işlemlerinde çelik yapısında yer alan ve çeliğin dayanımını artıran bir elementtir. Sertleşebilme ve kaynak kabiliyetini artırır; aynı zamanda östenit kararlaştırıcıdır. Manganın en önemli özelliği, kükürtle birleşerek MnS bileşiğini oluşturması ve sıcak kırılganlığa neden olan demir-sülfür (FeS) bileşiğinin oluşumunu engellemesidir.
Silisyum (Si)
Silisyum, oksijen giderici olarak kullanıldığı için çelik içinde yer alır. Çeliğin akma ve çekme dayanımı ile elastikiyetini artırır. Çelik yapısındaki silisyum miktarı azaldıkça tufal yapma oranı artar.
- Ucuz bir alaşım elementidir ve yüksek elastikiyet gerektiren yay çeliklerinde yaygın olarak kullanılır. Ayrıca elektriksel akım zayiatını önler.
- Silisyum miktarı yüksek olan filmaşinlerin çok küçük çaplara indirilmesi zordur. Silisyum, tel haline getirilme aşamasında malzemeyi sertleştirerek kopmalara neden olur. Bu nedenle filmaşinlerde düşük silisyum tercih edilir.
Fosfor (P)
Fosfor, çeliğin akma ve çekme dayanımını artırırken; yüzde uzamayı ve eğme özelliklerini ciddi şekilde kötüleştirir ve soğuk kırılganlık yaratır. Diğer yandan talaşlı şekillendirme kabiliyetini artırır. Üretim işlemlerinden kalan istenmeyen bir element olduğu için yapıdan mümkün olduğunca uzaklaştırılır. Kaliteli ıslah çeliklerinde maksimum fosfor miktarı %0,045, asal ıslah çeliklerinde ise %0,035‘tir.
Kükürt (S)
Akma ve çekme dayanımına etkisi yok denecek kadar azdır; fakat malzemenin tokluğunu, sünekliğini ve yüzde uzamasını önemli ölçüde azaltır. Ayrıca kaynaklanabilirliği olumsuz etkiler. Kükürt demirle birleşerek FeS fazını oluşturur. Düşük ergime sıcaklığına sahip olan bu faz, haddeleme sıcaklığında ergiyerek sıcak kırılganlığa sebep olur (bu etki mangan ile önlenir).
- Üretimden kalan istenmeyen bir elementtir ve yapıdan uzaklaştırılması gerekir. Sadece talaşlı şekillendirilmeye uygun otomat çeliklerinde kükürt miktarı kasıtlı olarak yüksek tutulur.
- Kaliteli ıslah çeliklerinde maksimum kükürt miktarı %0,045, asal ıslah çeliklerinde ise %0,035‘tir.
Krom (Cr)
Paslanmaz çeliklerin temel alaşım elementidir. Korozyon ve oksidasyon direnci sağlar, sertleşebilme kabiliyetini artırır ve yüksek karbonlu çeliklerde aşınma direncini yükseltir.
- Krom, karbon ile tane sınırlarında birleşerek Cr23C6 bileşiğini oluşturur. Bu bileşik, paslanmaz çeliklerde tane sınırlarındaki krom miktarını paslanmazlık sınırı olan %12‘nin altına çeker. Yüksek sıcaklıklarda karbon yayınımının hızlanmasıyla kolayca meydana gelir ve kaynaklı paslanmaz çeliklerde, kaynak dikişi yakınlarında bozulmalara (korozyona) neden olur.
Nikel (Ni)
Nikel, darbe tokluğunu ve tavlı çeliklerde dayanımı artırır. Östenitik paslanmaz çeliklerin kromdan sonraki ikinci en önemli alaşım elementidir (bu çeliklerde nikel miktarı %7-20 arasındadır). Östenit kararlaştırıcı bir elementtir; bu sayede östenitik paslanmaz çeliklerin oda sıcaklığında bile kafes yapısı KYM (Kübik Yüzey Merkezli) olarak kalır. KYM kafes yapısı malzemeye yüksek şekillendirilebilme özelliği kazandırır.
Molibden (Mo)
Tane büyümesini önler ve sertleşebilme kabiliyetini artırır. Meneviş gevrekliğini giderir. (Meneviş sıcaklığından yavaş soğumalarda bazı alaşımların tane sınırlarında karbür çökelmesi meydana gelir ve kırılganlık oluşur; molibden bu olumsuz etkiyi ortadan kaldırır).
- Çeliklerin sürünme dayanımını ve aşınma direncini yükseltir. Alaşımlı takım çeliklerinde önemlidir.
- Paslanmaz çeliklerde özellikle oyuklanma korozyonunu (pitting) engellediği için korozyon direncini ciddi oranda artırır.
- Bazı mikro alaşımlı çeliklerde nitrür veya karbonitrür oluşturan alaşım elementi olarak kullanılır.
Kobalt (Co)
Alaşımlı takım çeliklerinde kullanılan bir elementtir. Takım çeliklerinin sıcakta sertliğini muhafaza etmesi amacıyla katılır.
Tungsten (W)
Aşınma direncini artıran ve sıcakta sertliğin muhafazasını sağlayan bir alaşım elementidir. Başta hız çelikleri olmak üzere alaşımlı takım çeliklerinde yaygın olarak kullanılır.
Vanadyum (V)
Tane küçültücü etki göstererek çeliklerin akma ve çekme dayanımlarını oldukça artırır. Sertleşebilme kabiliyetini yükseltir; menevişleme ve ikinci sertleşme işlemlerinde olumlu etkileri vardır.
- Tane küçültücü ve karbür yapıcı etkisiyle, mikro alaşımlı çeliklerde niyobyum ve titanyum ile birlikte kullanılır. Mikro alaşımlı çeliklerde alaşım elementleri toplamı %0,25‘i geçmez. Bu elementler; tekli, ikili veya üçlü kompozisyonlar halinde mikro yapı içerisinde oluşturdukları karbonitrür çökeltileri ile tane boyutunu inceltir ve çökelti sertleşmesi mekanizmasıyla dayanımı artırırlar.
Titanyum (Ti)
Vanadyuma benzer şekilde tane küçültücü etkisi vardır, ancak bu etkisi vanadyumdan daha güçlüdür. Mikro alaşımlı çeliklerde mikro alaşım elementi olarak, paslanmaz çeliklerde ise krom karbürün olumsuz etkisini (tane sınırı korozyonu) giderebilmek için karbür oluşturucu element olarak kullanılır.
Niyobyum (Nb)
Mikro alaşımlı çeliklerde tane küçültme etkisi en yüksek olan elementtir. Paslanmaz çeliklerde titanyumun yaptığı etkinin aynısını yapar; titanyumla birlikte veya tek başına kullanılabilir.
Alüminyum (Al)
Oksijen gidermek için kullanılır. Akma dayanımını ve darbe tokluğunu artırıcı etki gösterir.
- Yüksek alüminyum miktarı sürekli dökümlerde nozül tıkanmalarına sebep olur. Bu olumsuz durumu iyileştirmek için alaşımlamadan sonra CaSi (tel veya toz halinde) potaya eklenerek alüminyum tanelerinin küçültülmesi sağlanır.
- Aynı zamanda tane küçültücü etkisi vardır ve nitrasyon çeliklerinin temel alaşım elementidir. Bazı mikro alaşımlı çeliklerde nitrür ve karbonitrür oluşturucu olarak kullanılır.
Kalay (Sn)
Akma ve çekme dayanımlarını pek etkilemez ancak sıcak haddelemede sorunlar yaratır. Düşük ergime sıcaklığına sahip bileşikler oluşturarak haddeleme sırasında kopmalara neden olur.
Bakır (Cu)
Akma ve çekme dayanımını artırırken, yüzde uzamayı ve şekillenebilirliği azaltır. Soğuk çekilebilirliği olumsuz etkiler; bu nedenle filmaşinlerdeki bakır oranının olabildiğince düşük olması istenir. Korozyon direncini yükselten bir etki gösterir.
Kurşun (Pb)
Haddelenebilirliği azaltır; haddeleme esnasında kopmalara neden olur ve yüzey kalitesini olumsuz etkiler. Sürekli dökümlerde de sorunlara sebebiyet verir. Ancak kurşun, çeliklerin talaşlı şekillendirme kabiliyetini büyük oranda artırdığı için otomat çeliklerinde alaşım elementi olarak kullanılır.
Azot (N)
İstenmeyen bir elementtir. Azot kırılganlığına neden olur ve eğme özelliklerini çok kötüleştirir.
Hidrojen (H)
Hidrojen gevrekliğine neden olur ve azottan daha tehlikelidir. Malzemenin elastikiyetini belirgin şekilde azaltır.
Alaşım elementlerinin çelik üzerindeki etkisini özetlemek gerekirse:
