Çeliğin mekanik, kimyasal ve yapısal (fiziksel) özellikler

Çelik kristal bir bünyeye sahip olup, izotrop ve homojen bir malzemedir. Yani fiziksel ve mekanik özellikleri her yerde aynıdır.

Çeliğin mekanik özellikleri bir çekme deneyi sonunda elde edilen gerilme-şekil değiştirme diyagramı yardımıyla belirlenir. Deney makinesindeki çelik deney elemanına uygulanan çekme kuvveti sıfırdan başlayarak, kopma noktasına kadar yavaş yavaş arttırılarak şekil değiştirmeler ölçüldüğünde, şekil 2.12’deki diyagram elde edilir. [9,11]

Şekil 2.12 Çeliğin gerilme-şekil değiştirme diyagramı [9]

(1) numaralı bölgede elastik limit olan A noktasına kadar şekil değiştirmenin (ε) oldukça düşük olduğu ve gerilmeyle doğru orantılı olarak arttığı görülmektedir. Gerilmenin şekil değiştirmeye oranı (σ/ε) elastisite modülünü vermektedir ve bu değer sabittir. A noktasına kadar gerçekleşen şekil değiştirme elastiktir; yani kuvvet ortadan kalktığında deneyde kullanılan çelik başlangıçtaki boyuna döner.

Gerilme, elastik limitin üstüne çıkacak şekilde arttırılırsa, malzemenin davranışında değişiklik görülmeye başlanır. A noktasından sonraki kısımda, elastik gerilmeye ek olarak plastik (kalıcı) deformasyon oluşmaya başlar. D noktasına karşılık gelen noktadan itibaren, gerilmede artış olmamasına rağmen plastik deformasyonda artış görülür. Bu nokta da çeliğin “akma dayanımı”nı ifade eder.

Yük artışının devam etmesiyle birlikte plastik deformasyon da artarak devam eder. Eğer yükleme düzenli olarak kaldırılıp tekrar konursa, akma sınırının gerilme artışı olmadan daha yukarıya çekilebildiği görülmüştür.

E noktasına ulaşıldığında, gerilme azalmaya başlar; F noktasındaki kopma gerilmesi, E noktasındaki çekme gerilmesinden daha düşük olmaktadır.

F noktasında ölçülen şekil değiştirme oranı genelde büyük oranlarda olmakta ve %20`yi geçebilmektedir. Bu değer, “uzama” olarak adlandırılmaktadır ve çelik için önemlidir. Yüksek uzama değerine sahip çelik daha güvenlidir. Kopma noktasında kesitteki azalma ve toplam uzama düktilitenin ölçüsüdür. Akma ve çekme gerilmeleri yükseldikçe, düktilite azalır. Düktil özellikteki çelik hemen kopmaz, yüksek

deformasyon oranıyla olası strüktürel hatayı önceden tespit etmeye yardımcı olabilir. [9,51]

Kimyasal özelliklerine göre çelik türlerini dört gurupta toplamak mümkündür. Bunlar, karbon çeliği, özel alaşımlı çelikler, yüksek dayanımlı çelikler ve paslanmaz çeliklerdir.

Çelik, demir cevherine % 0.1 ilâ % 1 oranında karbon katılmasıyla üretilir. Çeliğin bünyesindeki karbon miktarı arttıkça, çelik daha kırılganlaşır. Kolayca işlenebilmesi için çelikteki karbon miktarı % 1.7’yi aşmamalıdır. Ayrıca, demir cevherinin bünyesinde bulunan ve çeliğin yüksek sıcaklıkta kırılmasına neden olan fosfor (P) ve kükürt (S) gibi elementlerin oranı % 0.l’i aşmayacak şekilde bünyeden uzaklaştırılmalıdır.

Çeliğin yüksek sıcaklıkta daha kolay işlenebilmesi ve karbon çeliğinin sahip olmadığı bazı özellikleri çeliğe kazandırabilmek için krom (Cr), magnezyum (Mg), nikel (Ni), volfram (W), vanadiyum (V) gibi madenlerin katılmasıyla özel tip alaşım çelikler üretilmektedir. Bu elementlerin sağladığı özellikler şöyle özetlenebilir: Vanadyum, dayanımı ve sertliği arttırır. Magnezyum, molibden ve krom, su verilerek sertleşmesi güç olan büyük kesitleri daha üniform sertleştirebilmek için karışıma katılırlar. Alüminyum, bakır, krom ve çinko; korozyon direncini artırmaya yardımcı olurlar; bu galvanizleme işlemi olarak da bilinir. Nikel, yaklaşık % 36 oranında nikel içeren çelik türleri ısıl hareketi daha düşük düzeyde tutmak için üretilebilirler.

Düşük alaşımlı çelikler bünyelerinde 10 tane farklı element barındırabilirler ve bunlar karbon çeliğine oranla % 40 daha yüksek dayanıma sahip olup, korozyona karşı da daha dirençlidirler. Yüksek dayanımları nedeniyle ağırlığı azaltmak için daha küçük kesitlerde kullanılabilirler.

Bu tip çeliklerin korozyona karşı direnci daha fazla paslanmayı önleyici, koruyucu oksit tabakasıyla sağlanır. Ancak, bu tip çeliklerin deniz suyuyla direkt temastan korunması gereklidir.

Paslanmaz çelik, oksit oluşturmaya yetecek miktarda (~% 11.5) krom ilavesiyle üretilir. Paslanmaz çeliklerin ısı iletkenlikleri düşüktür ancak, sıcaklık değişimlerinde genleşmesi normal çeliklere oranla daha yüksektir. Paslanmaz çeliğin dayanımını arttırmak ve işlenebilirliğini kolaylaştırmak için alaşıma başka elementlerde katılabilmektedir. [9]

Taşıyıcı sistem malzemesi olarak kullanılan çelik türleri fiziksel açıdan yapısında, demirden başka % 0,16 ilâ 0,20 kadar karbon bulundurur. Karbon miktarı arttıkça, çeliğin hem dayanımı hem de sertliği artar. Çelik alaşımında ayrıca fosfor, kükürt, azot, silisyum, manganez, bakır gibi elamanlarda vardır ve krom, nikel, vanadyum, mobilden gibi maddeler ilave edilerek kaliteli çelikler elde edilir.

a) Çeliğin Özgül Ağırlığı: Çeliğin özgül ağırlığı bünyesinde bulunan karbon oranına göre değişir. Sert çeliğin özgül ağırlığı 7.89 gr/cm3 _{iken, normal çeliğinki ise 7.85}

gr/cm3 tür.

b) Çeliğin Erime Sıcaklığı: Katı bir cismin birim kütlesini, sıcaklığını değiştirmeden sıvı hale getirmek için verilmesi gereken ısı miktarı olarak tanımlanan erime sıcaklığı çelik için yangına karşı önlem almak açısından önemli bir özelliktir. Çeliğin erime sıcaklığı 1400 oC dir.

c) Çeliğin Isı İletkenliği: Çeliğin ısı iletkenliği 35 kcal/mh oC` dir. Bu kat sayı ne kadar küçükse, ısı kaybı o oranda az ve ısı geçirimsizliği bakımından o kadar iyi durumdadır.

d) Çeliğin Isıl Genleşmesi: Sıcaklık farkı etkisi ile bir cismin hacminde meydana gelen artış veya azalmadır. Çelik için, α=15.1x10-6 cm / cmoC dir.

e) Çeliğin Elektrik İletkenliği: Çelik diğer metaller gibi serbest veya sabit elektronlardan kurulu, homojen ve yoğun dokulu kristal sistem sayesinde ısı, ses ve elektriği iyi iletme özelliğine sahiptir. Çeliğin elektrik iletkenliği 14 Mho / m / mm2’dir. [3]