Çelik

Bir kömür ocağı sarma kulesinin çelik kablosu ⓘ

Çelik, diğer demir türlerine kıyasla mukavemetini ve kırılma direncini artırmak için tipik olarak yüzde onda birkaç karbon içeren demirden oluşan bir alaşımdır. Diğer birçok element mevcut olabilir veya eklenebilir. Korozyona ve oksidasyona dayanıklı paslanmaz çelikler tipik olarak ilave %11 krom gerektirir. Yüksek gerilme mukavemeti ve düşük maliyeti nedeniyle çelik binalarda, altyapıda, aletlerde, gemilerde, trenlerde, arabalarda, makinelerde, elektrikli aletlerde, silahlarda ve roketlerde kullanılır. Demir, çeliğin temel metalidir. Sıcaklığa bağlı olarak iki kristal formu (allotropik formlar) alabilir: gövde merkezli kübik ve yüz merkezli kübik. Demirin allotroplarının başta karbon olmak üzere alaşım elementleriyle etkileşimi çeliğe ve dökme demire benzersiz özellikler kazandırır. ⓘ

Saf demirde, kristal yapı demir atomlarının birbiri üzerinden kaymasına karşı nispeten az direnç gösterir ve bu nedenle saf demir oldukça sünektir veya yumuşaktır ve kolayca şekillendirilebilir. Çelikte, az miktarda karbon, diğer elementler ve demir içindeki kalıntılar, dislokasyonların hareketini önleyen sertleştirici maddeler olarak işlev görür. Tipik çelik alaşımlarındaki karbon, ağırlığının %2,14'üne kadar katkıda bulunabilir. Karbon ve diğer birçok alaşım elementinin miktarını değiştirmenin yanı sıra nihai çelikteki kimyasal ve fiziksel yapılarını kontrol etmek (çözünen elementler veya çökelmiş fazlar olarak), saf demiri sünek yapan dislokasyonların hareketini engeller ve böylece niteliklerini kontrol eder ve geliştirir. Bu nitelikler arasında sertlik, su verme davranışı, tavlama ihtiyacı, temperleme davranışı, akma dayanımı ve elde edilen çeliğin çekme dayanımı yer alır. Saf demire kıyasla çeliğin mukavemetindeki artış ancak demirin sünekliğinin azaltılmasıyla mümkündür. ⓘ

Çelik binlerce yıl boyunca bloomery fırınlarında üretilmiştir, ancak büyük ölçekli, endüstriyel kullanımı ancak 17. yüzyılda yüksek fırının ve pota çeliği üretiminin tanıtılmasıyla daha verimli üretim yöntemleri geliştirildikten sonra başlamıştır. Bunu açık ocak fırını ve ardından 19. yüzyılın ortalarında İngiltere'de Bessemer süreci izlemiştir. yüzyılda ortaya çıkmıştır. Bessemer sürecinin icadıyla birlikte, yeni bir seri üretim çelik çağı başladı. Dövme demirin yerini yumuşak çelik aldı. Alman devletleri 19. yüzyılda Avrupa'da büyük bir çelik gücüne sahip oldu. ⓘ

Bazik oksijenli çelik üretimi (BOS) gibi süreçteki diğer iyileştirmeler, üretim maliyetini daha da düşürerek ve nihai ürünün kalitesini artırarak büyük ölçüde önceki yöntemlerin yerini almıştır. Bugün çelik, yılda 1,6 milyar tondan fazla üretilerek dünyada en yaygın olarak üretilen malzemelerden biridir. Modern çelik genellikle çeşitli standart kuruluşları tarafından tanımlanan çeşitli kalitelerle tanımlanır. Modern çelik endüstrisi dünyanın en büyük imalat endüstrilerinden biri olmakla birlikte, küresel emisyonların %8'ine katkıda bulunarak enerji ve sera gazı emisyonlarının en yoğun olduğu endüstrilerden biridir. Bununla birlikte, çelik aynı zamanda yeniden kullanılabilir: Çelik, küresel olarak %60'ın üzerinde geri dönüşüm oranıyla dünyanın en çok geri dönüştürülen malzemelerinden biridir. ⓘ

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. ⓘ

Tanımlar ve ilgili materyaller

Demirci sanatının bu tasvirinde akkor halindeki çelik iş parçası ⓘ

Çelik ismi Proto-Germence stahliją veya stakhlijan 'çelikten yapılmış' sıfatından türemiştir ve stahlaz veya stahliją 'sağlam duran' ile ilişkilidir. ⓘ

Çeliğin karbon içeriği, sade karbon çeliği (demir-karbon alaşımları) için ağırlıkça %0.002 ile %2.14 arasındadır. Çok az karbon içeriği (saf) demiri oldukça yumuşak, sünek ve zayıf bırakır. Çelikten daha yüksek karbon içeriği, genellikle pik demir olarak adlandırılan kırılgan bir alaşım oluşturur. Alaşımlı çelik, çeliğin özelliklerini değiştirmek için diğer alaşım elementlerinin kasıtlı olarak eklendiği çeliktir. Yaygın alaşım elementleri şunlardır: manganez, nikel, krom, molibden, bor, titanyum, vanadyum, tungsten, kobalt ve niyobyum. Çoğu zaman istenmeyen olarak kabul edilen ek elementler de çelikte önemlidir: fosfor, sülfür, silikon ve eser miktarda oksijen, nitrojen ve bakır. ⓘ

Karbon içeriği %2,1'den yüksek olan sade karbon-demir alaşımları dökme demir olarak bilinir. Toz metal şekillendirme gibi modern çelik üretim teknikleriyle çok yüksek karbonlu (ve diğer alaşım malzemeli) çelikler yapmak mümkündür, ancak bunlar yaygın değildir. Dökme demir sıcakken bile dövülebilir değildir, ancak çelikten daha düşük bir erime noktasına ve iyi dökülebilirlik özelliklerine sahip olduğu için döküm yoluyla şekillendirilebilir. Dökme demirin belirli bileşimleri, eritme ve döküm ekonomilerini korurken, dövülebilir demir veya sünek demir nesneler yapmak için dökümden sonra ısıl işleme tabi tutulabilir. Çelik, az miktarda karbon ancak büyük miktarda cüruf içerebilen dövme demirden (artık büyük ölçüde modası geçmiş) ayırt edilebilir. ⓘ

Malzeme özellikleri

Farklı fazların oluşması için gerekli koşulları gösteren demir-karbon faz diyagramı. Martenzit kararlı bir faz olmadığı için gösterilmemiştir. ⓘ

Kökenleri ve üretimi

Demir, yer kabuğunda genellikle manyetit veya hematit gibi bir demir oksit olan cevher şeklinde bulunur. Demir, demir cevherinden oksijenin karbon gibi tercih edilen bir kimyasal ortakla birleşmesi yoluyla çıkarılmasıyla elde edilir ve daha sonra karbondioksit olarak atmosfere kaybedilir. Eritme olarak bilinen bu işlem ilk olarak yaklaşık 250 °C'de (482 °F) eriyen kalay ve yaklaşık 1.100 °C'de (2.010 °F) eriyen bakır gibi daha düşük erime noktalarına sahip metallere ve 1.083 °C'den (1.981 °F) daha düşük erime noktasına sahip bronz kombinasyonuna uygulanmıştır. Buna karşılık dökme demir yaklaşık 1.375 °C'de (2.507 °F) erir. Eski zamanlarda küçük miktarlarda demir, katı halde, cevherin kömür ateşinde ısıtılması ve ardından kümelerin bir çekiçle birbirine kaynaklanması ve bu sırada safsızlıkların sıkılmasıyla eritilirdi. Dikkatli bir şekilde, karbon içeriği ateşin içinde hareket ettirilerek kontrol edilebiliyordu. Bakır ve kalayın aksine, sıvı veya katı demir karbonu oldukça kolay çözer. ⓘ

Tüm bu sıcaklıklara Bronz Çağı'ndan beri kullanılan eski yöntemlerle ulaşılabiliyordu. Demirin oksidasyon hızı 800 °C'nin (1.470 °F) ötesinde hızla arttığından, eritme işleminin düşük oksijenli bir ortamda gerçekleştirilmesi önemlidir. Demir oksitleri azaltmak için karbon kullanılan eritme işlemi, çelik olarak adlandırılamayacak kadar fazla karbon içeren bir alaşımla (pik demir) sonuçlanır. Fazla karbon ve diğer safsızlıklar bir sonraki adımda giderilir. ⓘ

İstenen özelliklere sahip çelik üretmek için demir/karbon karışımına genellikle başka malzemeler eklenir. Çelikteki nikel ve manganez gerilme mukavemetine katkıda bulunur ve demir-karbon çözeltisinin östenit formunu daha kararlı hale getirir, krom sertliği ve erime sıcaklığını artırır ve vanadyum da sertliği artırırken metal yorgunluğuna daha az eğilimli hale getirir. ⓘ

Korozyonu engellemek için çeliğe en az %11 krom eklenebilir, böylece metal yüzeyinde sert bir oksit oluşur; bu paslanmaz çelik olarak bilinir. Tungsten, sementit oluşumunu yavaşlatarak karbonu demir matrisinde tutar ve martensitin tercihen daha yavaş su verme hızlarında oluşmasına izin vererek yüksek hızlı çelik elde edilmesini sağlar. Kurşun ve sülfür ilavesi tane boyutunu azaltarak çeliğin daha kolay tornalanmasını sağlar, ancak aynı zamanda daha kırılgan ve korozyona eğilimli hale getirir. Yine de bu tür alaşımlar, tokluk ve korozyon direncinin çok önemli olmadığı uygulamalarda somun, cıvata ve pul gibi bileşenler için sıklıkla kullanılır. Ancak çoğunlukla kükürt, nitrojen, fosfor ve kurşun gibi p-blok elementleri çeliği daha kırılgan hale getiren kirleticiler olarak kabul edilir ve bu nedenle işleme sırasında çelik eriyiğinden çıkarılır. ⓘ

Özellikler

Çeliğin yoğunluğu alaşım bileşenlerine göre değişir ancak genellikle 7.750 ile 8.050 kg/m³ (484 ile 503 lb/cu ft) veya 7,75 ile 8,05 g/cm³ (4,48 ile 4,65 oz/cu in) arasında değişir. ⓘ

Çeliği oluşturan karbon ve demir karışımlarının dar bir konsantrasyon aralığında bile, çok farklı özelliklere sahip birkaç farklı metalurjik yapı oluşabilir. Bu özelliklerin anlaşılması kaliteli çelik üretimi için çok önemlidir. Oda sıcaklığında, saf demirin en kararlı şekli alfa demir veya α-demir olarak adlandırılan gövde merkezli kübik (BCC) yapıdır. Oldukça yumuşak bir metaldir ve 0 °C'de (32 °F) %0,005'ten ve 723 °C'de (1.333 °F) ağırlıkça %0,021'den fazla olmamak üzere yalnızca küçük bir karbon konsantrasyonunu çözebilir. Karbonun alfa demire dahil edilmesine ferrit denir. 910 °C'de saf demir, gama demir veya γ-demir olarak adlandırılan yüz merkezli kübik (FCC) bir yapıya dönüşür. Karbonun gama demirine dahil edilmesine ostenit denir. Östenitin daha açık FCC yapısı, 1.148 °C'de (2.098 °F) %2,1'e kadar (ferritin 38 katı) karbon gibi çok daha fazla karbonu çözebilir, bu da çeliğin üst karbon içeriğini yansıtır, bunun ötesi dökme demirdir. Karbon demirle birlikte çözeltiden çıktığında sementit (Fe₃C) adı verilen çok sert ancak kırılgan bir malzeme oluşturur. ⓘ

Tam olarak %0,8 karbon içeren çelikler (ötektoid çelik olarak bilinir) soğutulduğunda, karışımın östenitik fazı (FCC) ferrit fazına (BCC) geri dönmeye çalışır. Karbon artık FCC östenit yapısına uymaz ve bu da karbon fazlalığına neden olur. Karbonun östeniti terk etmesinin bir yolu, çözeltide küçük bir karbon yüzdesi ile ferrit adı verilen BCC demirinin çevreleyen bir fazını geride bırakarak sementit olarak çözeltiden çökelmesidir. Bu ikisi, ferrit ve sementit, aynı anda çökerek sedefe benzerliğinden dolayı perlit adı verilen katmanlı bir yapı oluşturur. Bir hiperötektoid bileşimde (%0,8'den fazla karbon), tanelerdeki karbon yüzdesi ötektoid bileşime (%0,8 karbon) düşene kadar karbon ilk olarak östenit tane sınırlarında büyük sementit kalıntıları olarak çökelir ve bu noktada perlit yapısı oluşur. 0,8'den daha az karbon içeren çeliklerde (hipoötektoid), kalan bileşim %0,8 karbon oranına yükselene kadar taneler içinde önce ferrit oluşacak ve bu noktada perlit yapısı oluşacaktır. Hipoötektoid çeliğin sınırlarında büyük sementit kalıntıları oluşmayacaktır. Yukarıda, soğutma işleminin çok yavaş olduğu ve karbonun göç etmesi için yeterli zaman tanındığı varsayılmaktadır. ⓘ

Soğutma hızı arttıkça, karbonun tane sınırlarında karbür oluşturmak üzere göç etmek için daha az zamanı olacaktır, ancak taneler içinde giderek daha ince ve daha ince bir yapıya sahip giderek daha büyük miktarlarda perlit olacaktır; bu nedenle karbür daha geniş bir şekilde dağılır ve bu taneler içindeki kusurların kaymasını önleyerek çeliğin sertleşmesine neden olur. Su verme işleminin ürettiği çok yüksek soğutma hızlarında, karbonun göç edecek zamanı yoktur, ancak yüz merkezli östenit içinde kilitlenir ve martensit oluşturur. Martensit, karbon ve demirin yüksek oranda gerilmiş ve gerilmiş, aşırı doymuş bir formudur ve son derece sert ancak kırılgandır. Karbon içeriğine bağlı olarak martensitik faz farklı biçimler alır. 0,2 karbonun altında ferrit BCC kristal formunu alır, ancak daha yüksek karbon içeriğinde gövde merkezli tetragonal (BCT) bir yapı alır. Östenitten martenzite dönüşüm için termal aktivasyon enerjisi yoktur. Bileşimsel bir değişiklik olmaz, bu nedenle atomlar genellikle aynı komşularını korur. ⓘ

Martensit, östenitten daha düşük bir yoğunluğa sahiptir (soğutma sırasında genleşir), böylece aralarındaki dönüşüm hacim değişikliğine neden olur. Bu durumda genleşme meydana gelir. Bu genleşmeden kaynaklanan iç gerilmeler genellikle martenzit kristalleri üzerinde sıkıştırma ve kalan ferrit üzerinde gerilme şeklini alır ve her iki bileşen üzerinde de makul miktarda kayma meydana gelir. Su verme işlemi yanlış yapılırsa, iç gerilimler bir parçanın soğurken parçalanmasına neden olabilir. En azından, iç iş sertleşmesine ve diğer mikroskobik kusurlara neden olurlar. Her zaman görünür olmasalar da, çeliğe su verildiğinde su verme çatlaklarının oluşması yaygındır. ⓘ

Isıl işlem

Karbon çelikleri için Fe-C faz diyagramı; ısıl işlemler için A₀, A₁, A₂ ve A₃ kritik sıcaklıklarını gösterir. ⓘ

Çelik için birçok ısıl işlem türü mevcuttur. En yaygın olanları tavlama, su verme ve temperlemedir. ⓘ

Tavlama, yerel iç gerilimleri gidermek için çeliğin yeterince yüksek bir sıcaklığa ısıtılması işlemidir. Üründe genel bir yumuşama yaratmaz, sadece malzeme içinde hapsolmuş gerilimleri ve gerilmeleri lokal olarak azaltır. Tavlama üç aşamadan geçer: toparlanma, yeniden kristalleşme ve tane büyümesi. Belirli bir çeliği tavlamak için gereken sıcaklık, elde edilecek tavlama türüne ve alaşım bileşenlerine bağlıdır. ⓘ

Su verme, östenit fazını oluşturmak için çeliğin ısıtılmasını ve ardından su veya yağda söndürülmesini içerir. Bu hızlı soğutma, sert ancak kırılgan bir martensitik yapıyla sonuçlanır. Çelik daha sonra kırılganlığı azaltmak için tavlamanın özel bir türü olan temperlenir. Bu uygulamada tavlama (temperleme) işlemi martenzitin bir kısmını sementit veya sferoidite dönüştürür ve böylece iç gerilimleri ve kusurları azaltır. Sonuç olarak daha sünek ve kırılmaya karşı daha dirençli bir çelik elde edilir. ⓘ

Üretim

Çelik üretimi için demir cevheri peletleri ⓘ

Demir cevherinden eritildiğinde, arzu edilenden daha fazla karbon içerir. Çelik haline gelmesi için karbonun doğru miktara indirilmesi amacıyla yeniden işlenmesi gerekir, bu noktada diğer elementler eklenebilir. Geçmişte, çelik tesisleri ham çelik ürününü külçeler halinde döker ve bu külçeler daha sonraki arıtma işlemlerinde kullanılıncaya kadar depolanarak nihai ürün elde edilirdi. Modern tesislerde, ilk ürün nihai bileşime yakındır ve sürekli olarak uzun levhalar halinde dökülür, çubuklar ve ekstrüzyonlar halinde kesilir ve şekillendirilir ve nihai bir ürün üretmek için ısıl işleme tabi tutulur. Günümüzde çeliğin yaklaşık %96'sı sürekli olarak dökülürken, yalnızca %4'ü külçe olarak üretilmektedir. ⓘ

Külçeler daha sonra bir ıslatma çukurunda ısıtılır ve sıcak haddelenerek levhalar, kütükler veya blumlar haline getirilir. Levhalar sıcak veya soğuk haddelenerek sac veya plaka haline getirilir. Kütükler sıcak veya soğuk haddelenerek çubuk, çubuk ve tel haline getirilir. Bloomlar sıcak veya soğuk haddelenerek I-kirişler ve raylar gibi yapısal çeliklere dönüştürülür. Modern çelik fabrikalarında bu işlemler genellikle tek bir montaj hattında gerçekleşir; cevher girer ve bitmiş çelik ürünler çıkar. Bazen bir çeliğin son haddelemesinden sonra, mukavemet için ısıl işleme tabi tutulur; ancak bu nispeten nadirdir. ⓘ

Tarihçe

Orta Çağ'da çiçekçilikte eritme ⓘ

Antik Çağ

Çelik antik çağlarda biliniyordu ve bloomer ve potalarda üretiliyordu. ⓘ

Bilinen en eski çelik üretimi, Anadolu'daki bir arkeolojik alandan (Kaman-Kalehöyük) çıkarılan ve yaklaşık 4.000 yıllık, MÖ 1800'lerden kalma demir eşya parçalarında görülmektedir. Horace, İber Yarımadası'ndaki falcata gibi çelik silahları tanımlarken, Norik çeliği Roma ordusu tarafından kullanılmıştır. ⓘ

Güney Hindistan'ın Serik demirinin (wootz çeliği) ünü dünyanın geri kalanında önemli ölçüde artmıştır. Sri Lanka'daki metal üretim tesislerinde muson rüzgarlarıyla çalışan ve yüksek karbonlu çelik üretebilen rüzgar fırınları kullanılıyordu. Hindistan'da potalar kullanılarak yapılan büyük ölçekli Wootz çeliği üretimi, modern çelik üretimi ve metalürjinin öncüsü olan MÖ altıncı yüzyılda gerçekleşmiştir. ⓘ

Savaşan Devletler dönemi Çinlileri (M.Ö. 403-221) suda sertleştirilmiş çeliğe sahipken, Han hanedanlığı Çinlileri (M.Ö. 202-M.S. 220) dövme demiri dökme demirle birlikte eriterek çelik üretmiş, böylece M.S. 1. yüzyılda karbon-orta çelik elde etmişlerdir. ⓘ

Karbon çeliğinin Batı Tanzanya'da Haya halkının ataları tarafından 2000 yıl kadar önce bir fırın içindeki sıcaklıkların 1300 ila 1400 °C'ye ulaşmasını sağlayan karmaşık bir "ön ısıtma" süreciyle yapıldığına dair kanıtlar vardır. ⓘ

Wootz ve Damascus

Hindistan'da yüksek karbonlu çeliğin en erken üretimine dair kanıtlar Tamil Nadu'daki Kodumanal, Andhra Pradesh ve Karnataka'daki Golconda bölgesi ve Sri Lanka'nın Samanalawewa, Dehigaha Alakanda bölgelerinde bulunmaktadır. Bu, MÖ altıncı yüzyılda Güney Hindistan'da üretilen ve dünyaya ihraç edilen Wootz çeliği olarak biliniyordu. Sangam Tamil, Arap ve Latin literatüründe o dönemde Romalılara, Mısırlılara, Çinlilere ve Arap dünyasına ihraç edilen dünyanın en iyi çeliği olarak bahsedilen ve Serik Demiri olarak adlandırılan çelik teknolojisi bölgede MÖ 326'dan önce de mevcuttu. Sri Lanka'nın güneydoğusundaki Tissamaharama'da bulunan M.Ö. 200 yılına ait bir Tamil ticaret loncası, adaya klasik döneme ait en eski demir ve çelik eserlerinden ve üretim süreçlerinden bazılarını getirmiştir. Anuradhapura, Sri Lanka'daki Çinliler ve yerel halk da MS 5. yüzyılda Güney Hindistan'daki Chera Hanedanı Tamillerinden Wootz çeliği üretim yöntemlerini benimsemişti. Sri Lanka'da bu erken çelik üretim yöntemi, muson rüzgarları tarafından yönlendirilen ve yüksek karbonlu çelik üretebilen benzersiz bir rüzgar fırını kullanıyordu. Bu teknoloji Güney Hindistan'daki Tamillerden alındığına göre, Hindistan'da çelik teknolojisinin kökeni ihtiyatlı bir tahminle M.Ö. 400-500'lere dayandırılabilir. ⓘ

Wootz ya da Şam çeliği olarak adlandırılan, dayanıklılığı ve kenar tutma kabiliyetiyle ünlü çeliğin üretimi, bu çeliği Hindistan'dan alan Araplar tarafından İran'dan alınmış olabilir. Başlangıçta, Panopolisli Zosimos'un yazılarından anlaşıldığı üzere, çeşitli eser elementler de dahil olmak üzere birkaç farklı malzemeden üretilmiştir. M.Ö. 327 yılında Büyük İskender, mağlup Kral Porus tarafından altın ya da gümüşle değil, 30 kilo çelikle ödüllendirilmiştir. Yakın zamanda yapılan bir çalışma, yapısında karbon nanotüplerin bulunduğunu ve bunun da efsanevi niteliklerinden bazılarını açıklayabileceğini, ancak o zamanın teknolojisi göz önüne alındığında bu niteliklerin tasarımdan ziyade şans eseri üretildiğini öne sürmüştür. Demir içeren toprağın odun kullanılarak ısıtıldığı yerlerde doğal rüzgar kullanılmıştır. Eski Sinhaleler her 2 ton topraktan bir ton çelik elde etmeyi başarmışlardır ki bu o zamanlar için dikkate değer bir başarıdır. Samanalawewa'da böyle bir fırın bulundu ve arkeologlar eskilerin yaptığı gibi çelik üretebildiler. ⓘ

Saf demir ve karbonun (tipik olarak odun kömürü şeklinde) bir potada yavaşça ısıtılıp soğutulmasıyla oluşan pota çeliği, MS 9. ila 10. yüzyıllarda Merv'de üretilmiştir. 11. yüzyılda Song Çin'de iki teknik kullanılarak çelik üretildiğine dair kanıtlar vardır: düşük kaliteli, homojen olmayan çelik üreten "berganesk" bir yöntem ve soğuk bir patlama altında tekrarlanan dövme yoluyla kısmi karbondan arındırma kullanan modern Bessemer işleminin öncüsü. ⓘ

Modern çelik

Sheffield, İngiltere'de bir Bessemer dönüştürücüsü ⓘ

17. yüzyıldan bu yana Avrupa'da çelik üretiminin ilk adımı demir cevherinin yüksek fırında eritilerek pik demire dönüştürülmesidir. Başlangıçta odun kömürü kullanılırken, modern yöntemlerde daha ekonomik olduğu kanıtlanan kok kömürü kullanılmaktadır. ⓘ

Çubuk demirden başlayan süreçler

Bu işlemlerde pik demir, daha sonra çelik yapımında kullanılacak olan çubuk demiri üretmek için bir demirhanede rafine edilirdi (inceltilirdi). ⓘ

Sementasyon işlemiyle çelik üretimi 1574 yılında Prag'da yayınlanan bir risalede tarif edilmiş ve 1601 yılından itibaren Nürnberg'de kullanılmaya başlanmıştır. Zırh ve eğelerin sertleştirilmesi için benzer bir süreç 1589 yılında Napoli'de yayınlanan bir kitapta tanımlanmıştır. Süreç yaklaşık 1614 yılında İngiltere'ye tanıtılmış ve 1610'larda Coalbrookdale'de Sir Basil Brooke tarafından bu tür çelik üretmek için kullanılmıştır. ⓘ

Bu işlem için hammadde demir çubuklardı. 17. yüzyılda en iyi çeliğin İsveç'in Stockholm kentinin kuzeyindeki bir bölgenin cevherli demirinden elde edildiği anlaşıldı. Bu, neredeyse proses kullanıldığı sürece, 19. yüzyılda hala olağan hammadde kaynağıydı. ⓘ

Pota çeliği, dövülmek yerine bir potada eritilen çeliktir ve bunun sonucunda daha homojen bir yapıya sahiptir. Önceki fırınların çoğu çeliği eritmek için yeterince yüksek sıcaklıklara ulaşamıyordu. Erken modern pota çeliği endüstrisi 1740'larda Benjamin Huntsman'ın icadıyla ortaya çıkmıştır. Blister çelik (yukarıdaki gibi yapılır) bir potada veya bir fırında eritilir ve (genellikle) külçeler halinde dökülürdü. ⓘ

Pik demirden başlayan süreçler

Brandenburg Sanayi Müzesi'nde bir Siemens-Martin açık ocak fırını. ⓘ

Çelik üretiminde modern çağ, hammaddesi pik demir olan Henry Bessemer'in 1855 yılında geliştirdiği yöntemin kullanılmaya başlanmasıyla başlamıştır. Yöntemi sayesinde büyük miktarlarda ve ucuza çelik üretilebilmiş, böylece yumuşak çelik daha önce dövme demirin kullanıldığı pek çok amaç için kullanılır hale gelmiştir. Gilchrist-Thomas prosesi (ya da temel Bessemer prosesi), fosforu gidermek için konvertörün bazik bir malzeme ile kaplanmasıyla Bessemer prosesinde yapılan bir iyileştirmeydi. ⓘ

Bir diğer 19. yüzyıl çelik üretim süreci, Bessemer sürecini tamamlayan Siemens-Martin süreciydi. Çubuk demirin (veya çelik hurdasının) pik demir ile birlikte eritilmesinden oluşuyordu. ⓘ

Bir elektrik ark ocağından dökülen beyaz-sıcak çelik. ⓘ

Bu çelik üretim yöntemleri, 1952 yılında geliştirilen Linz-Donawitz bazik oksijen çelik üretimi (BOS) süreci ve diğer oksijen çelik üretim yöntemleri tarafından geçersiz hale getirilmiştir. Bazik oksijenli çelik üretimi önceki çelik üretim yöntemlerinden daha üstündür çünkü fırına pompalanan oksijen, daha önce kullanılan havadan giren başta nitrojen olmak üzere yabancı maddeleri sınırlandırır ve açık ocak sürecine kıyasla BOS sürecinden aynı miktarda çelik on ikide bir sürede üretilir. Günümüzde, elektrik ark ocakları (EAF) yeni çelik üretmek için hurda metalin yeniden işlenmesinde kullanılan yaygın bir yöntemdir. Pik demiri çeliğe dönüştürmek için de kullanılabilirler, ancak çok fazla elektrik enerjisi kullanırlar (metrik ton başına yaklaşık 440 kWh) ve bu nedenle genellikle yalnızca bol miktarda ucuz elektrik kaynağı olduğunda ekonomiktirler. ⓘ

Endüstri

2007'de ülkelere göre çelik üretimi (milyon ton olarak) ⓘ

Çeliğin altyapı ve genel ekonomik kalkınmada oynadığı kritik rol nedeniyle çelik endüstrisi genellikle ekonomik ilerlemenin bir göstergesi olarak kabul edilir. 1980 yılında ABD'de 500.000'den fazla çelik işçisi vardı. 2000 yılına gelindiğinde çelik işçilerinin sayısı 224,000'e düşmüştür. ⓘ

Çin ve Hindistan'daki ekonomik patlama çelik talebinde büyük bir artışa neden olmuştur. 2000 ve 2005 yılları arasında dünya çelik talebi %6 oranında artmıştır. 2000 yılından bu yana, Tata Steel (2007 yılında Corus Group'u satın aldı), Baosteel Group ve Shagang Group gibi birçok Hintli ve Çinli çelik firması öne çıktı. Ancak 2017 itibariyle ArcelorMittal dünyanın en büyük çelik üreticisi konumundadır. 2005 yılında İngiliz Jeolojik Araştırması, Çin'in dünya payının yaklaşık üçte biri ile en büyük çelik üreticisi olduğunu belirtmiştir; Çin'i sırasıyla Japonya, Rusya ve ABD takip etmiştir. Çeliğin büyük üretim kapasitesi, ana üretim rotasına bağlı olarak önemli miktarda karbondioksit emisyonuna da neden olmaktadır. 2019 yılında küresel karbondioksit emisyonlarının %7 ila 9'unun çelik sektöründen kaynaklandığı tahmin edilmektedir. Bu emisyonların azaltılması için ana üretim rotasının kok kömürüne kaydırılması, çeliğin daha fazla geri dönüştürülmesi ve karbon yakalama ve depolama ya da karbon yakalama ve kullanma teknolojilerinin uygulanması beklenmektedir. ⓘ

2008 yılında çelik, Londra Metal Borsası'nda bir emtia olarak işlem görmeye başlamıştır. 2008 yılının sonunda çelik endüstrisi, birçok kesintiye yol açan keskin bir gerileme ile karşı karşıya kalmıştır. ⓘ

Geri dönüşüm

Çelik, küresel olarak %60'ın üzerinde geri dönüşüm oranıyla dünyanın en çok geri dönüştürülen malzemelerinden biridir; sadece Amerika Birleşik Devletleri'nde 2008 yılında 82.000.000 metrik tonun üzerinde (81.000.000 uzun ton; 90.000.000 kısa ton) geri dönüştürülmüştür ve genel geri dönüşüm oranı %83'tür. ⓘ

Hurdaya ayrılandan daha fazla çelik üretildiğinden, geri dönüştürülen hammadde miktarı üretilen toplam çeliğin yaklaşık %40'ını oluşturmaktadır. 2016 yılında dünya genelinde 1.628.000.000 ton (1,602×10⁹ uzun ton; 1,795×10⁹ kısa ton) ham çelik üretilmiş ve 630.000.000 tonu (620.000.000 uzun ton; 690.000.000 kısa ton) geri dönüştürülmüştür. ⓘ

Çağdaş

Bethlehem Steel (Bethlehem, Pennsylvania tesisi resimde) 2003 yılında kapatılmadan önce dünyanın en büyük çelik üreticilerinden biriydi ⓘ

Karbon

Modern çelikler, birçok amacı yerine getirmek için çeşitli alaşım metal kombinasyonları ile üretilmektedir. Sadece demir ve karbondan oluşan karbon çeliği, çelik üretiminin %90'ını oluşturur. Düşük alaşımlı çelik, kalın kesitlerin sertleşebilirliğini artırmak için ağırlıkça %10'a varan miktarlarda genellikle molibden, manganez, krom veya nikel gibi diğer elementlerle alaşımlandırılır. Yüksek mukavemetli düşük alaşımlı çelik, mütevazı bir fiyat artışı karşılığında ek mukavemet sağlamak için diğer elementlerin (genellikle ağırlıkça <%2), tipik olarak %1,5 manganezin küçük ilavelerine sahiptir. ⓘ

Son Kurumsal Ortalama Yakıt Ekonomisi (CAFE) düzenlemeleri, Gelişmiş Yüksek Mukavemetli Çelik (AHSS) olarak bilinen yeni bir çelik çeşidinin ortaya çıkmasına neden olmuştur. Bu malzeme hem güçlü hem de sünektir, böylece araç yapıları daha az malzeme kullanırken mevcut güvenlik seviyelerini koruyabilir. Şekillendirilebilir, yüksek mukavemetli bir çelik üretmek için hem ferritik hem de martensitik bir mikro yapı içerecek şekilde ısıl işleme tabi tutulan çift fazlı çelik gibi ticari olarak mevcut birkaç AHSS sınıfı vardır. Dönüşüm Kaynaklı Plastisite (TRIP) çeliği, normalde östenit içermeyen düşük alaşımlı ferritik çeliklerde oda sıcaklığında östenit miktarlarını stabilize etmek için özel alaşımlama ve ısıl işlemleri içerir. Gerinim uygulandığında östenit, ısı ilavesi olmaksızın martenzite faz geçişine uğrar. Twinning Induced Plasticity (TWIP) çeliği, alaşım üzerindeki iş sertleşmesinin etkinliğini artırmak için belirli bir gerinim türü kullanır. ⓘ

Karbon Çelikleri genellikle paslanmaya karşı koruma için sıcak daldırma veya elektrokaplama yoluyla galvanizlenir. ⓘ

Alaşım

Çelikten yapısal bir elemanın dövülmesi

Paslanmaz çelikler, korozyona direnmek için genellikle nikel ile birlikte en az %11 krom içerir. Ferritik paslanmaz çelikler gibi bazı paslanmaz çelikler manyetiktir, östenitik gibi diğerleri ise manyetik değildir. Korozyona dayanıklı çelikler CRES olarak kısaltılır. ⓘ

Alaşımlı çelikler, krom ve vanadyum gibi az miktarda alaşım elementlerinin eklendiği sade karbonlu çeliklerdir. Bazı daha modern çelikler, çözelti sertleşmesini en üst düzeye çıkarmak için büyük miktarlarda tungsten ve kobalt veya diğer elementlerle alaşımlanmış takım çeliklerini içerir. Bu aynı zamanda çökelme sertleşmesinin kullanılmasına izin verir ve alaşımın sıcaklık direncini artırır. Takım çeliği genellikle baltalarda, matkaplarda ve keskin, uzun ömürlü bir kesici kenara ihtiyaç duyan diğer cihazlarda kullanılır. Diğer özel amaçlı alaşımlar arasında, kararlı, paslı bir yüzey elde ederek ayrışan ve bu nedenle boyanmadan kullanılabilen Cor-ten gibi ayrışma çelikleri bulunur. Maraging çeliği nikel ve diğer elementlerle alaşımlıdır, ancak çoğu çeliğin aksine çok az karbon içerir (%0,01). Bu, çok güçlü ancak yine de dövülebilir bir çelik oluşturur. ⓘ

Eglin çeliği, bunker buster silahlarında kullanılmak üzere nispeten düşük maliyetli bir çelik oluşturmak için değişen miktarlarda bir düzineden fazla farklı elementin bir kombinasyonunu kullanır. Hadfield çeliği (Sir Robert Hadfield'den sonra) veya manganez çeliği %12-14 manganez içerir ve aşındığında aşınmaya dirençli çok sert bir kabuk oluşturacak şekilde sertleşir. Örnekler arasında tank paletleri, buldozer bıçak kenarları ve yaşam çenelerindeki kesme bıçakları yer alır. ⓘ

Standartlar

Daha yaygın olarak kullanılan çelik alaşımlarının çoğu, standart kuruluşları tarafından çeşitli sınıflara ayrılmıştır. Örneğin, Otomotiv Mühendisleri Derneği'nin birçok çelik türünü tanımlayan bir dizi sınıfı vardır. Amerikan Test ve Malzeme Derneği, Amerika Birleşik Devletleri'nde en yaygın kullanılan yapısal çelik olan A36 çeliği gibi alaşımları tanımlayan ayrı bir standart setine sahiptir. JIS ayrıca Japonya'da ve gelişmekte olan ülkelerde yaygın olarak kullanılan bir dizi çelik sınıfını tanımlar. ⓘ

Kullanım Alanları

Bir rulo çelik yün ⓘ

Demir ve çelik, yolların, demiryollarının, diğer altyapıların, cihazların ve binaların yapımında yaygın olarak kullanılmaktadır. Stadyumlar ve gökdelenler, köprüler ve havaalanları gibi büyük modern yapıların çoğu çelik bir iskelet tarafından desteklenmektedir. Beton yapıya sahip olanlar bile takviye için çelik kullanır. Büyük ev aletlerinde ve arabalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Alüminyum kullanımındaki artışa rağmen, araba gövdeleri için hala ana malzemedir. Çelik, cıvata, çivi ve vida gibi çeşitli diğer inşaat malzemelerinde ve diğer ev ürünleri ve mutfak aletlerinde kullanılır. ⓘ

Diğer yaygın uygulamalar arasında gemi yapımı, boru hatları, madencilik, açık deniz inşaatı, havacılık, beyaz eşya (örneğin çamaşır makineleri), buldozer gibi ağır ekipmanlar, ofis mobilyaları, çelik yün, alet ve kişisel yelek veya araç zırhı şeklinde zırh (bu rolde daha çok haddelenmiş homojen zırh olarak bilinir) yer alır. ⓘ

Tarihsel

Bir karbon çelik bıçak ⓘ

Bessemer prosesinin ve diğer modern üretim tekniklerinin kullanılmaya başlanmasından önce çelik pahalıydı ve yalnızca daha ucuz bir alternatifin bulunmadığı durumlarda, özellikle bıçakların, usturaların, kılıçların ve sert, keskin bir kenara ihtiyaç duyulan diğer eşyaların kesici kenarları için kullanılıyordu. Ayrıca saatlerde kullanılanlar da dahil olmak üzere yaylar için de kullanılıyordu. ⓘ

Daha hızlı ve daha tutumlu üretim yöntemlerinin ortaya çıkmasıyla çeliğin elde edilmesi daha kolay ve çok daha ucuz hale geldi. Çok sayıda amaç için ferforje demirin yerini almıştır. Bununla birlikte, 20. yüzyılın ikinci yarısında plastiklerin bulunabilirliği, bu malzemelerin daha düşük üretim maliyetleri ve ağırlıkları nedeniyle bazı uygulamalarda çeliğin yerini almasına izin verdi. Karbon fiber, spor ekipmanları ve üst düzey otomobiller gibi maliyete duyarlı olmayan bazı uygulamalarda çeliğin yerini almaktadır. ⓘ

Uzun

Çelik bir köprü ⓘ

Havai elektrik hatlarını askıya alan çelik bir pilon ⓘ

• Betonarmede takviye çubuğu ve hasır olarak
• Demiryolu rayları
• Modern bina ve köprülerde yapısal çelik
• Kablolar
• Yeniden güçlendirme uygulamalarına girdi ⓘ

Düz karbon

• Büyük ev aletleri
• Manyetik çekirdekler
• Otomobillerin, trenlerin ve gemilerin iç ve dış gövdesi. ⓘ

Ayrışma (COR-TEN)

• İntermodal konteynerler
• Dış mekan heykelleri
• Mimarlık
• Highliner tren vagonları ⓘ

Paslanmaz

Paslanmaz çelik sos teknesi ⓘ

• Çatal Bıçak Takımı
• Cetveller
• Cerrahi aletler
• Saatler
• Silahlar
• Raylı yolcu araçları
• Tabletler
• Çöp Kovaları
• Vücut piercing takıları
• Ucuz yüzükler
• Uzay aracı ve uzay istasyonu bileşenleri ⓘ

Düşük arka plan

İkinci Dünya Savaşı'ndan sonra üretilen çelik, nükleer silah testleri nedeniyle radyonüklidlerle kirlenmiştir. Düşük arka planlı çelik, 1945'ten önce üretilen çelik, Geiger sayaçları ve radyasyon kalkanı gibi radyasyona duyarlı bazı uygulamalar için kullanılır. ⓘ

Galeri

• 
• 
• 
• 

  ⓘ