мини|Челични мост Челик () је метастабилно кристализована Fe-C (Fe-Fe3C) легура са садржајем угљеника мањим од 2,11%. Додавањем волфрама, хрома, молибдена, ванадијума, мангана, никла, кобалта и других метала, појединачно или у комбинацијама, добијају се легирани челици за специјалне сврхе, изузетно механички, хемијски или топлотно постојани. Ако је масени удео легирајућих елемената већи од масеног удела гвожђа, или се гвожђе налази само у траговима, онда не говоримо о челику већ о новим типовима легура. Ту спадају: обојени метали () на бази -{Al, Mg, Ti}-, и -{Zr}-, легуре тешко топивих метала () на бази -{Mo, W, Co}-, и -{Ta}-, платинске легуре на бази -{Pt, Pd, Rh, Ru}-, и -{Ir}-, специјалне легуре () и супер легуре ().
Дефиниција мини|Метастабилни фазни дијаграм Fe-Fe3C (пуне линије); фазне области стабилног фазног дијаграма Fe-C означене су испрекиданим линијама
По класичној дефиницији челик је легура гвожђа (-{Fe}-) и угљеника (-{C}-) која садржи мање од 2,11% (масених %) угљеника. Са становишта хемије и термодинамике челик је у ствари метастабилна легура железа (-{Fe}-) и цементита — карбида железа -{Fe3C}-. Фазни дијаграм који се користи као полазна основа при производњи и преради челика, није равнотежни фазни дијаграм -{Fe-C}-, већ његова метастабилна верзија Fe-Fe3C (види Слику 1). Занимљиво је нагласити да су многи корисни материјали, које екстензивно користимо, заправо метастабилни. Дијамант је, на пример, метастабилна модификација угљеника, док је термодинамички стабилна алотропска модификација графит.
Ако је масени удео угљеника између 2,11% и 4,3% онда говоримо о легури под именом ливено гвожђе.
Особине мини|Мост у Уједињеном Краљевству (); саграђен од ливеног гвожђа 1779. године
Невероватан распон и флексибилност особина (уз помоћ легирања, термичке обраде и пластичне прераде) као и релативно ниска цена производње чине га и даље најраспрострањеније коришћеним металним материјалом.
Челик, на пример, може бити врло мек и као такав изузетно погодан за дубоко извлачење (прављење лименки, конзерви и сл.). Насупрот томе челик може бити врло тврд и крт, као на пример код мартензитних челика који се користе за сечива. Пред модерну производњу челика постављају се врло високи захтеви, који најчешће укључују оптималну комбинацију особина, као што су затезна чврстоћа са једне и дуктилност, односно деформабилитет са друге стране. Поред тога мора се стално водити рачуна о исплативости производње што је последица непрестане промене цена легирајућих елемената (нпр. никл).
мини|Ајфелова кула (), спој естетике, елеганције и издржљивости; саграђена од „пудлованог” челика 1889. године
Најважнији легирајући елемент у челику је угљеник. Он се у челику налази у облику једињења под именом цементит, Fe3C. Повишени масени удео угљеника чини челик чвршћим, али у исто време кртијим материјалом. У зависности од удела угљеника и температуре на којој се узорак челика налази, на фазном дијаграму могу се уочити следећи микроконституенти: аустенит, ферит, примарни цементит, секундарни цементит, као и микроструктуре (мешавине фаза): перлит и ледебурит. Ако се челик нагло охлади тако да се дифузиони процеси (на првом месту дифузија угљеника) не одвију до краја, онда се у структури челика појављују нове микроструктуре које су већином пресићене угљеником. Ако се убрзано хлађене одвија из аустенитне области могу се јавити финоламелиране микроструктуре сорбит или тросит), као и игличасти/зрнасти беинит или игличасти мартензит.
Специфична маса челика је скоро иста као специфична маса чистог гвожђа и износи око 7.850 -{kg/m³}-.
Како утицати на особине челика (легирање) Особине челика као што су тврдоћа, дуктилност, затезна чврстоћа и др. могу се креирати и контролисати у веома широком спектру, што челик чини основним металним конструкционим материјалом. Три основне методе, које се — наравно — могу међусобно комбиновати у циљу постизања жељених особина челика, су: легирање, термичка обрада (жарење, каљење, побољшање, тзв. Темпкор-метода итд.) и пластична прерада (ваљање, извлачење итд.).
Легирајући елементи и њихов утицај на особине челика (поређани по абецедном реду) Легирајући елементи у челику се разликују по томе да ли стабилизују стварање карбида, аустенита или ферита, односно са којим циљем су легирани. Сваки елемент даје челику одређени низ карактеристика специфичних само њему. Постоје врсте челика где само карактеристична комбинација „супротстављено” делујућих легирајућих елемената даје жељену микроструктуру. Легирање челика даје само основу за постизање жељених особина у току термичке обраде и пластичне прераде.
Легирајући елементи у челику се деле у принципу у две групе: алфагени елементи (стабилизују ферит): Mo, Si, V, Nb, Ti, Al, W, и гамагени елементи (стабилизују аустенит): Ni, Mn, C, N, Cu.
Алуминијум (-{Al}-) -{t}-топљења = 660 °C снажно сужава γ-област у фазном дијаграму -{Fe-Fe3C}- и фаворизује стварање ферита
Алуминијум је најјаче и најчешће примењивано дозоксидативно средство. Поред тога алуминијум снажно утиче на концентрацију раствореног азота у челику и као такав утиче на осетљивост легуре на процес старења. Већ у малим концентрацијама фаворизује уситњавање зрна што касније значајно утиче на механичке особине. Како алуминијум заједно са азотом гради нитриде високе тврдоће, веома је широко коришћен као легирајући елемент у челицима за нитрирање. Алуминијум повећава ватросталност (ватроотпорност) челика и као такав је често коришћен код легирања феритских ватросталних челика. Кроз процес „алирања” (наношење алуминијума у површинском слоју), може чак и код високо угљеничних челика побољшати ватросталност. Због врло снажног утицаја на повећање коерцитивне силе алуминијум се користи у гвожђе-кобалт-алуминијум челику од кога се праве перманентни (стални) магнети.
Арсен (-{As}-) -{t}-топљења = 817 °C (под притиском) сужава γ-област у фазном дијаграму -{Fe-Fe3C}- склоност ка стварању сегрегација (изузетно штетна појава при ливењу челика) непожељан легирајући елемент
Дифузионо жарење, иначе једини начин уклањања сегрегација у челику, још је теже у случају арсена него што је то случај код — примера ради — фосфора. Поред тога повећава кртост материјала после процеса отпуштања и драстично снижава затезну чврстоћу и способност заваривања.
Бор (-{B}-) -{t}-топљења = 2.300 °C
Бор има врло изражен утицај на апсорпцију неутрона што га чини веома погодним за легирање челика који се користи при изградњи нуклеарних реактора. Аустенитни 18/8 CrNi-челици легирани бором у процесу таложног ојачавања постижу повећану границу течења и затезну чврстоћу, с тим што истовремено слаби њихова корозиона постојаност. Микроконституенти издвојени у процесу таложног ојачавања повећавају затезну чврстоћу високо ватросталних челика у подручју изузетно високих температура. Код челика негарантованог састава и код угљеничних челика бор као легирајући елемент побољшава прокаљивост а самим тим и затезну чврстоћу. Бор као легирајући елемент генерално смањује способност заваривања челика.
Берилијум (-{Be}-) -{t}-топљења = 1.287 °C снажно шири γ-област у фазном дијаграму -{Fe-Fe3C}-
Бакар-берилијум-легуре се користе за израду висококвалитетних опруга за часовнике, које не показују скоро никакву способност магнетизације, као и већу динамичку чврстоћу него одговарајуће опруге направљене од челика. Никл-берилијум-легуре су веома корозионо постојане и користе се за израду хируршких инструмената. У челику, поред тога што снажно шири γ-област у фазном дијаграму -{Fe-Fe3C}-, берилијум може онемогућити таложно ојачавање што у поменутом случају води паду затезне чврстоће. Поред тога поседује велики афинитет према кисеонику (дезоксидирајуће својство) и према сумпору.
Угљеник (-{C}-) -{t}-топљења = 3.500 °C снажно шири γ-област у фазном дијаграму -{Fe-Fe3C}-
Угљеник је најважнији и најутицајнији легирајући елемент у челику. Поред угљеника сваки нелегирани челик садржи силицијум, манган, фосфор и сумпор, чије је присуство последица самог процеса производње челика. Додавање других легирајућих елемената у циљу постизања одређених особина челика, као и долегирање силицијума и мангана води ка добијању легираног челика. Са повећањем масеног удела угљеника расте затезна чврстоћа и тврдоћа челика, док се способност извлачења, ковност, заварљивост и машинска обрадљивост смањују. Корозиона отпорност у односу на воду, киселине и вреле гасове скоро и да не зависи од масеног удела угљеника.
Калцијум (-{Ca}-) -{t}-топљења = 842 °C
Заједно са силицијумом, у форми силико-калцијума употребљава се у процесу производње при дезоксидацији челика. У принципу, калцијум повећава ватросталност.
Церијум (-{Ce}-) -{t}-топљења = 795 °C
Сам, али најчешће у комбинацији са лантаном, неодијумом, празеодијумом и осталим елементима који припадају групи метала ретке земље, делује као снажан дезоксиданс. Због свог изузетно великог активитета према кисеонику и сумпору служи као средство за постизање високе чистоће челика. Код високолегираних челика побољшава способност обраде на повишеним температурама док код ватросталних челика потпомаже ватросталност. Гвожђе-церијум-легура са око 70% цера назива се пирофор (вештачки кремен). Додаје се и као легирајући елемент у нодуларном ливу.
Кобалт (-{Co}-) -{t}-топљења = 1,495 °C не ствара карбиде и Фаворизује издвајање графита
Отежава раст зрна, побољшава отпорност у односу на кртост при процесу отпуштања, као и затезну чврстоћу на повишеним температурама. Због тога се користи као легирајући елемент код брзорезних челика и алатних челика за рад у топлом, као и за производњу других ватросталних и високо ватросталних легура. Повећава реманенцију, коерцитивну силу и топлотну проводност, а зато се често примењује као основни легирајући елемент за висококвалитетне сталне магнете (челичне или од других легура). Под утицајем неутронског зрачења интензивно се ствара изотоп 60Co. због чега је кобалт непожељан као легирајући елемент у материјалима који служе за израду нуклеарних реактора.
Хром (-{Cr}-) -{t}-топљења = 1.907 °C изражена тежња ка стварању карбида снажно сужава γ-област, а шири α-област у фазном дијаграму -{Fe-Fe3C}-
Хром као легирајући елемент даје челику способност каљења у уљу, односно на ваздуху, преко утицаја на критичну брзину каљења, што повећава прокаљивост челика и способност побољшања. Склоност ка кртом лому се смањује додатком хрома, мада је утицај на способност извлачења релативно слаб. Способност заваривања (заварљивост) расте са повећањем масеног удела хрома у легури. Затезна чврстоћа челика расте од 80 -{N/mm²}- до 100 -{N/mm²}- по масеном проценту хрома. Хром има изузетну склоност ка стварању карбида, који даље позитивно утичу на механичке карактеристика челика (нпр. отпорност на хабање), али негативно утиче на корозиону постојаност. Иако снажно сужава γ-област, а шири α-област у фазном дијаграму -{Fe-Fe3C}-, хром стабилизује аустенит (γ-област) у хром-манган-, од. хром-никл-нерђајућим челицима. Хром као легирајући елемент снижава топлотну и електричну проводност челика. Ако имамо висок садржај угљеника у челику и истовремено садржај хрома до 3% (масена %) повећавају се истовремено реманенција и коерцитивна сила. Код нерђајућих челика садржај хрома преко 12% даје материјалу позитивни електрохемијски потенцијал, материјал постаје „племенитији”, што га чини отпорним на деловање електролита, а истовремено се ствара површински слој -{Cr}--оксида, који додатно штити материјал од корозивне средине.
Бакар (-{Cu}-) -{t}-топљења = 1.085 °C непожељан (штетан) легирајући елемент