Çelik Nedir ?

Çelik, en basit tanımı ile bir demir – karbon alaşımıdır. Tabi ki sadece demir ile belirli bir miktar karbon ile birleşmesi ile oluşmaz. Bir takım alaşım elementleri ile alaşım oluşturduğunda gerçek anlamda ” Çelik ” olur.

Gelişen teknoloji ile bir çok yeni malzeme üretildi ancak; çelik halen Dünya’da en yaygın kullanılan mühendislik malzemesidir. Bunun başlıca nedeni, yüksek dayanım ve tokluğunun yanı sıra, aynı zamanda tok yani darbe dayancının olmasından ileri gelir. Ayrıca, insanlık tarihi bu malzemenin imalatında oldukça tecrübelidir. Hala en yaygın kullanılan mühendislik malzemesi olmasının temel nedenlerinden bir diğeri de geri dönüşümü olmasıdır. Şu anda dünyada en çok geri dönüşüm yapılan malzeme çeliktir.

Genel olarak çelik, binaların taşıyıcı sistemlerinde ve dekoratif olarak, alt yapı çalışmalarında, gemi, otomobil, makina vb. bir çok uygulamada sıklıkla kullanılmaktadır.

Çelik Yapısı ve Özelliği

Çelik dendiğinde, ilk gözümüze çarpan ana alaşım elementi demir elementidir. Günümüzde demir ile çelik çokça karıştırılmaktadır. Ancak, mühendislik uygulamalarında demirin yeri yok denecek kadar azdır. Çünkü demir saf hali ile yapı malzemelerinde ya da başka uygulamalarda kullanılamayacak kadar yumuşaktır.

Yüzey Merkezli Kübik Demir Kristal Yapısı

Demir, genel olarak iki allotropik yapı ile karşımıza çıkar. Bunlardan ilki ” KYM ” , yani kübik yüzey merkezli ve ikinci olarak ” KHM ” yani, kübik hacim merkezli yapılardır. Oda sıcaklığında KHM yapısında bulunan demir, kayma düzlemlerinin az olması dolayısı ile şekillendirilebilirliği zordur. Ancak, demir ( ya da çelik ) östenit fazına çıkarılır ise kristal yapısı KYM hale gelecek ve kayma düzlemleri artacaktır. Bu da, östenit fazda çeliklerin şekillendirilme kabiliyetlerini arttıracaktır.

Hacim Merkezli Kübik Demir Kristal Yapısı

Çeliklerde şekillendirilebilirlik alaşım elementleri ile zorlaştırılmaktadır. Burada zorlaştırma kelimesi aklınızı karıştırmasın. Saf demir yumuşaktır. Ancak; çelik demir ile karbonun belirli bir oranda birleşimi aynı zamanda Mn, Si, Mo, Vn vb. alaşım elementleri ile alaşım oluşturmuş hali olduğu için, demire göre daha mukavemetlidir.

Alaşım elementlerinin mukavemet kazandırmasının temel nedeni, demir atomlarının hareket alanının kısıtlanması olarak açıklanabilmektedir. Normal bir kristal yapıda, demir atomları dislokasyonlar boyunca serbest hareket edebilecek iken, alaşım elementleri kristal yapılarda demir atomlarının hareket kabiliyetini sınırlar. Böylece, eskisi gibi rahat hareket edemeyen demir atomları, çelikte mukavemeti arttırmaktadır.

Alaşım elementlerinin çeliklere etkisini inceleyen makalemiz için tıklayınız.

Sanayi Devrimi ve Çelik Üretimi


Sanayi Devrimi

19. yy’da sanayi devriminin oluşması ile birlikte, Bessemer fırınlarının ortaya çıkması, çeliğin sanayide yayın olarak kullanılmasını sağlamıştır. Bu tip fırınların icad edilmesi yüksek tonajlı ve daha düşük maliyetli üretim sağlamıştır.

Bessemer fırınlarını Siemens-Martin yöntemi izlemiştir. En son olarak da, Bazik oksijen fırınları denilen üretim yöntemleri ile son halini almıştır. Günümüzde insanlığın en çok üretip kullandığı malzeme tipi ” Çelik ” tir. Yılda yaklaşık 1.5 milyar ton üretim yapılmaktadır ve bir ülkenin gelişmişlik seviyesi halen kişi başına düşen çelik miktarı ile ölçülmektedir. Yani yeni malzemeler yeni teknolojilerin ortaya çıkması, çeliğin populeritesini düşürememiştir.

Yazımızın başında da bahsettiğimiz üzere bunun temel nedeni mekanik özelliklerinin hala çok iyi olması, ucuz olması, insanlığın bu tip malzemeleri üretmedeki tecrübesi ve tabi ki kullanım ömrünü tamamlayan ürünlerin tekrar eritilerek bambaşka bir ürün olarak karşımıza çıkabilmesidir.

Çeliğin Elde Edilmesi

Demir, yer kabuğunda demir oksit şeklinde bulunmaktadır. Basit bir anlatım ile, demir oksit şeklinde bulunan mineraller, kok kömürü ile reaksiyona sokulur. ( ısıtılır. ) Kömürde bulunan karbon ile mineralde bulunan oksijen birleşerek karbon monoksit ve karbon dioksit şeklinde havaya atılır. Daha sonra, demir ile birleşen karbon elementinin uzaklaştırılması için, özel imal edilmiş fırınlarda yüksek basınçlarla oksijen üflenerek, demir-karbon birleşiminden karbon ile oksijen birleşir ve karbon miktarı %2’nin altına düşürülür. Böylece ” Çelik ” elde edilmiş olur. Demir – Karbon denge diyagramından da görüleceği üzere % 2’nin üzerinde karbon içeren alaşımlar ” Dökme Demir ” olarak nitelendirilmektedir.

Demir-Karbon Denge Diyagramı ile ilgili makalemiz için tıklayınız.

Dökme Demir ile ilgili makalemiz için tıklayınız.

% 2 ile – % 6.67 arasında karbon içeren yapıya da dökme demir denilmektedir. Dökme demirler, çeliklerden daha kırılgan bir yapıya sahip olup, gelişmiş mühendislik malzemeleri olarak kullanılamazlar. İçerdiği yüksek karbon dolayısı ile sertlikleri de fazladır. Yüksek sertlik dolayısı ile, darbe dayançları düşük ancak mukavemetleri yüksektir.

Isıl İşlem Yöntemleri

Döküm işlemlerinden sonra çelikler belirli mekanik özelliklere sahip olurlar. Ancak; mühendislikte ihtiyaçlar asla tükenmez ve dökülmüş halleri ile mekanik özellikler çoğu zaman yeterli olmaz. İşte tam burada alaşım elementleri ile birlikte, ısıl işleme başvurulması gerekmektedir.

Aslında ısıl işlemler başlı başına 1 dönem ders olarak anlatılması gereken bir konudur. Bu makalemizde sadece temel olarak bahsedeceğiz.

Isıl işlem olgusu çeliklerde, tavlama, su verme, temperleme gibi isimler almaktadır. Örnek olarak çeliğe su verme terimi halk arasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Çeliğe su vermek, genel olarak östenit fazına çıkarılmış bir çeliğin ( kızıl hale gelmiş ) ani olarak su ile soğutulması ve oda sıcaklığına getirilmesi işlemidir. Buradaki temel amaç, malzemenin sertleşmesini sağlamaktır.

Peki, su verme işlemi bir çeliği neden sertleştirir ? Hiç Düşündünüz mü ?

Çeliğe Su Vermek Nedir ?

Yazımızın başında da bahsettiğimiz üzere, kristal yapılarda, östenit fazda KYM fazında bulunan demir atomları ve bu kristal yapı içerisinde alaşım elementleri ve karbon atomları bulunmaktadır. KYM’den KHM’e dönüşüm esnasında ( oda sıcaklığına soğutulduğunda ) karbon atomlarının kristal yapıdan kaçamayacak kadar hızlı soğutulması kristal kafesi sıkıştırır. Bu sıkıştırma da, sertlik olarak geri döner. KHM kristal yapısı daha dar bir yapı olduğu için de, daha sıkı bir kristal yapı elde edilir. Mukavemet bu şekilde arttırılır.

Mukavemetin artışı, martenzit yapısı oluşması ile meydana gelir. Martenzit yapısı, metalurji ve malzeme mühendislerinin yakından tanıdığı bir olgudur. Mikroyapıda iğne şeklinde karbürler görülmektedir. Bu yapı aşırı sert olup, mukavemeti yüksek ancak; kırılganlığı dolayısıyla düşük tokluğa sahiptir. Darbe dayancının yüksek olması gereken yerlerde kullanılamazlar.

Östenit Fazındaki Malzemeye Su Vermek

Eğer çeliğin yapısında % 0.2 ‘den daha yüksek miktar karbon – C elementi var ise, o malzeme sertleştirilebilir yapıdadır. Yani ısıl işlemle sertleştirilebilen çelikler % 0.2’den fazla karbon içermelidir.

Temperleme – Gerilim Giderme

Gerilim giderme terimini sektörde çok duymuşsunuzdur. Bu yöntemde bir önceki yöntemde olduğu gibi hızlı soğutma yoktur. Belirli bir alaşımda bulunan çelik, belirlenmiş bir sıcaklığa kadar ısıtılır ve bekletilir. Burada bekleme süresine çok dikkat edilmelidir. Çünkü gereğinden fazla sıcaklığa ısıtılan ve fazla süre tutulan çeliklerde tane büyümesi meydana gelir. Tane büyümesi de özel durumlar haricinde ( kolay talaş kaldırma vb. ) pek istenen bir durum değildir.

Belirli bir süre belirli bir sıcaklıkta tutulan malzeme, fırından çıkarılarak oda sıcaklığında soğumaya bırakılır. Bu genelde kademeli olarak yapılır. Yüksek sıcaklıklara çıkarılan malzeme, üstünde biriktirmiş olduğu gerilimden kurtulur. Malzemeye su da verilmediği için, sertleşme meydana gelmez.

Temperleme yani gerilim giderme ısıl işlemi sonrasında, malzeme mukavemetinde düşüş gözlenir iken, yüzde uzamada artış sağlanmaktadır.

Genellikle su verme haricinde yapılan ısıl işlemler, çeliğin mukavemetini bir miktar düşürür iken, tokluk sağlarlar.

Bir çok ısıl işlem yöntemi olmasına rağmen, bu yazımızda sadece genel tanımlar vermek ile yetinmekteyiz.

Normalizasyon Tavı ile ilgili makalemiz için tıklayınız.


Çelik Endüstrisi

Dünya ekonomisine yön veren bir malzeme olan çelik, ülkelerin gelişmişlik seviyelerini göstermektedir. Dünya genelinde, insan gücüne olan ihtiyacın yavaş yavaş azalması, makinalaşmanın artması ile, daha ekonomik ve daha hızlı olarak üretim yapılabilmektedir. 2000 ile 2005 yılları arasında Dünya’daki imalat yaklaşık %5.5 oranında artmıştır. Bu oran günümüzde gittikçe artmaktadır.

Dünya’daki en büyük çelik üreticisi Çin’dir. Bunu Japonya, Rusya ve Amerika Birleşik Devletleri izlemektedir. Bu sıralamadan da anlaşılacağı üzere, ülkelerin teknolojileri geliştikçe, çelik üretim miktarları da artmaktadır.

Türkiye bu yarışta çok da geride kalmamakla birlikte sırası dünya genelinde 9’dur. Her geçen yıl çelik imalatının arttığı günümüzde, makinalaşmanın artması, özellikle endüstri 4.0 uygulamalarının bu endüstride de gündeme gelmesi, ilerleyen yıllarda sıralamaların değişeceğini bizlere göstermektedir.

Ancak; şu unutulmamalıdır ki, Türkiye’de üretilen çelik genel olarak yapı çeliği ağırlıklıdır. Vasıflı çelik imalatı ne yazık ki ülkemizde çok düşük miktarlardadır. Artık gelişmişlik düzeyleri sadece üretilen çeliğin miktarı ile değil, aynı zamanda gelişmiş özelliklere sahip olması ile de ölçülmektedir.

Sadece S235 yapı çeliği ya da P355 basınçlı yerlerde kullanılacak çelik imalatı, ülkemizi çok ilerilere taşımayacaktır. Ne yazık ki, Türkiye paslanmaz çelik imalatı halen yapamamaktadır. Hurdadan paslanmaz çelik döküm yapılabilse de, bu konuda önemli olan husus, aynı yüksek fırınlardan üretildiği gibi, cevherden direkt olarak paslanmaz çelik imalatını da yapabiliyor olmamız gerekmektedir. İlk yatırım maliyetlerinin çok yüksek olması nedeniyle, girişimciler cevherden paslanmaz çelik imalatına henüz ülkemizde başlamamışlardır. Ülkemize giren paslanmaz çeliklerin çok büyük bir miktarı, Dünya çelik devi ” Çin ” den gelmektedir.

Bu durumda, bizlere düşen görev vasıflı çelik imalatı yapılması, Dünya’da üretilemeyen ya da az miktarda üretilen çeşitlerdeki ürünlerin en iyi kalitede üretilerek ihracatının yapılarak, çelik imal eden devletler sıralamasında üst sıralara çıkmaktır.

Baştan sonra çelik imalatı ile ilgili eğitici bir video için tıklayınız.

Wikipedia’nın bilgilendirici makalesi için tıklayınız.