Üretimde kullanılan ham ve yardımcı maddeler ile uygulanan işlemlerden kaynaklanan ve çeliklerin bileşiminde her zaman bulunabilen, Si, Mn, P, S, N, H, O demir eşlik elementleri adı altında toplanır. Bunlardan "Si ve Mn" oksit veya sülfür giderme açısından yararlıdır. Geri kalanlar ise malzemeyi gevrekleştirdiklerinden istenmezler; dolayısıyla cevher ve hurda tipine göre bileşime tesadüfen giren diğer elementlerle birlikte katışkı olarak nitelenirler. Çeliklerde ayrıca sülfür, oksit, silikat türünden metal olmayan kalıntılar da bulunur. Bunlar çoğunlukla oksit giderme işleminin cürufa geçememiş reaksiyon ürünleri veya ocak duvarları v.b. yerlerden koparak sürüklenmiş parçacıklardır.
Çeliklerin kalitesini, özel olarak katılmış yani "istenen" alaşım elementleri kadar, "istenmeyen" katışkı ve kalıntılar da olumsuz yönde olmak üzere etkiler. Katışkıların belirli miktarları aşmaları veya heterojen biçimde dağılmaları aynı kimyasal bileşime sahip çeliklerin özelliklerinin çok farklı olmasına yol açabilir.
Mangan
α-demirinde oda sıcaklığında yaklaşık %10 mangan çözünebilir; yani manganla alaşımlandırılmış çeliklerde genellikle ayrı bir Fe-Mn fazı oluşmaz. Dolayısıyla mangan miktarı metalografik yöntemlerle saptanamaz.
Alaşımsız çelikler %1,6’ya kadar mangan içerebilir, bunun üzerinde ise "alaşımlandırılmış" sayılırlar. Çeliğin bileşimindeki mangan, FeS bileşiği olarak bulunan ve kızıl sıcaklıkta kırılmaya yol açan kükürdü zararsız MnS'e dönüştürür. Böylece çeliğin sıcak şekillendirilebilme özelliği korunmuş olur. MnS haddeleme sırasında hadde doğrultusunda uzar ve sadece bu doğrultuya dik yönde tokluk özelliklerini belirgin olarak azaltır.
Silisyum
α-demirinde oda sıcaklığında %14 silisyum çözünebildiği için ayrı bir Fe-Si fazı görülmez. Ancak silisyumla gerçekleştirilen oksit giderme reaksiyonunun ürünleri yapıda kalabilir. Bunlar yuvarlak şekilli, çoğunlukla sert ve gevrek silikatlar olup, haddeleme sırasında şekil değiştirmeyerek çizgisel biçimde dizilirler. Alaşımsız çeliklerde %0,5'e kadar silisyum bulunabilir.
Önerilen Makale: Çelik profil malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için
çelik dikdörtgen profil fiyatları sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.
Fosfor
Fosfor demirle asalyer katı çözeltisi oluşturur. Diğeri kalay olmak üzere, tokluğu en çok azaltan iki elementten biridir. Çelikte %0,6 fosfor bulunması halinde geçiş sıcaklığı 300°C'a kadar yükselir. Fosfor miktarının izin verilebilecek üst sınırı Thomas çeliklerinde %0,080; genel yapı çelikleri (DIN 17100) sınıf 2 ve 3 de %0,065-%0,050; kaliteli ve asal çeliklerde %0,045-%0,035 dir. Sadece bazı özel durumlarda daha yüksek fosfor oranlarına gidilebilir. Örneğin sıcak preslenen somun çeliğine yaklaşık %0,3 fosfor katılarak 1000°C’ın üzerindeki şekil değiştirme kabiliyeti artırılır. Aynı şekilde otomat çelikleri talaş kaldırılarak işlenen parçaların yüzey kalitesini iyileştirmek için %0,21ye kadar fosfor içerirler.
Kuvvetli makrosegregasyon gösteren fosforun, demir içindeki yayınma hızı çok düşük olduğundan mikrosegregasyonu da olağanüstü belirgindir. Her çelik katılaşma sırasında bir sıcaklık aralığından geçer. Ayrışan dendritik kristaller fosfor bakımından fakirdirler. Son katılaşan eriyik S
K ise fosforca zengin olup, metal olmayan kalıntıların da büyük kısmını barındırır. Söz konusu fosfor mikrosegregasyonu yüksek sıcaklıklarda yapılan uzun süreli bir tavlamayla çok zor olarak giderilebilir. Bu nedenle çeliğin bileşimindeki fosfor miktarının zararlı olabilecek değerlere ulaşmamasına çalışmak teknik bakımdan daha basit ve ekonomiktir.
Sıcak şekil verme ile dendritik döküm içyapısı bozulur; ancak segregasyon ortadan kalkmaz. Haddeleme doğrultusunda oluşan birincil bantlı yapı, metalografik yöntemler yardımıyla, birbirini izleyen fosforca zengin açık ve fosforca fakir koyu renkli bantlar halinde görülür. Bu oluşum, ötektoidaltı çeliklerde (ikincil) bantlı yapı denen, mikroskobik ölçekteki ferrit-perlit dizilenmesinin ana nedenidir. Ayrıca diğer elementlerin dağılımı da bunda rol oynar.
Kükürt
Demir içinde kükürt çözünürlüğü yok denecek kadar az olduğundan, içyapıda karakteristik demir sülfür (FeS) fazı ortaya çıkar. Demir ve demir sülfür yozlaşmış bir ötektik oluştururlar. Bu ötektik yapının demir bileşeni birincil ayrışan y-KÇ üzerine kristalleşir. FeS ise tane sınırı maddesini meydana getirerek aşağıdaki olumsuz sonuçları yaratır:
800°C ve 1000°C arasındaki şekil verme sırasında kızıl sıcaklık kırılganlığı (demir sülfürün şekil değiştirme kabiliyetinin düşük olması tane sınırı kırılmasına yol açar),
1200 °C'ın üzerinde akkor sıcaklık kırılganlığı (FeS 1200°C’da eridiği için taneler birbirinden ayrılır).
1000°C ve 1200°C arasındaki sıcaklıklarda çelikler çoğunlukla kolay şekillendirilebilir. Bu davranışın demir sülfürün y-KÇ içinde (geçici olarak) çözünmesinden, yani tane sınırlarındaki sürekliliğinin yok olmasından ileri geldiği sanılmaktadır.
Yukarıda açıklanan olumsuz etkileri nedeniyle çeliklerde kükürt miktarı fosforda olduğu gibi sınırlandırılır. Ancak miktarı çok düşük olsa dahi içyapıdaki kükürdün tehlikesiz bir biçime dönüştürülmesi zorunludur. Bu amaçla katılan mangan kükürt ile ancak 1600°C'da eriyen MnS bileşiğini oluşturur. MnS eriyikten birincil olarak ayrıştığından tane sınırlarında bulunmaz. Birçok kalıntıdan farklı olarak şekil değiştirebilir ve sıcak şekil verme sırasında haddeleme doğrultusunda uzar. Otomat çelikleri ise %0,3'e kadar kükürt ve yeterli ölçüde mangan içerirler. Mangan sülfürün düşük dayanımın-dan ötürü kısa kırılıcı talaş elde edilmesi işlemeyi kolaylaştırır.
Segregasyonlar veya kükürtçe zengin bölgelerin varlığı BAUMANN (sülfür) baskısı ile gösterilebilir. Makro ve mikrosegregasyonlar açısından kükürt fosfora benzer şekilde davranır. Ayrıca ötektoid öncesi ferrit taneleri mangan sülfürler üzerinde oluşmayı yeğler. Böylece fosfor ve kükürt, ortaya çıkabilecek bantlı yapıda ferrit dizileri içinde yer alırlar.
Azot
Azot çelik için genellikle çok zararlı katışkılardan biridir. On binde birler oranında bulunması bile, akma sınırı ve çekme dayanımını biraz yükseltirken, şekil değiştirme kabiliyeti ve özellikle çentik vurma tokluğunu kuvvetle düşürür. Bu nedenle azot miktarının, önemsiz yerlerde kullanılan Thomas çelikleri dışında, %0,01 sınırını aşmaması zorunludur.
Azot α-demirinde 590°C'da en çok %10
-1, oda sıcaklığında ise %10-5 dolayında çözünür. Hızlı soğutma sonucu yapıda zorunlu çözünmüş halde kalıp, sıcaklığa bağlı olarak belirli bir sürenin geçmesiyle de iğne biçimli ve çok ince dağılmış demir nitrür (Fe
4N) çökeltilerini oluşturur. Hızlı soğutma yaşlanması diye adlandırılan ve benzer koşullarda ferritteki karbon atomlarının kümelenmesiyle de ortaya çıkan bu olay çeliğin tokluğunu azaltır. Düşük karbonlu çeliklerde öncelikle azotun yol açtığı bir diğer ve çok daha tehlikeli gevrekleşme, şekil değişimi yaşlanmasıdır. Olağanüstü bir tokluk düşüşüne neden olan söz konusu yaşlanma, soğuma hızına bağlı olmaksızın sadece soğuk şekil değiştirmiş çeliklerde görülür. Şekil değişimi sırasında dislokasyon yoğunluğu yaklaşık 10
6 mm/mm
3'den 10
9.. 10 mm/mm
3'e çıkar. Çelikte çözünmüş olan azot atomları özellikle dislokasyonların sık olduğu yerlere yayınarak, bunların hareket edebilmelerini büyük ölçüde dengellerler; yani malzeme gevrekleşir. Ancak soğuk şekil değiştirmiş çelik oda sıcaklığında bekletilirse tokluk düşüşü çok uzun süre sonra ortaya çıkar. 0ysa daha yüksek sıcaklıklarda (200°C -300°C) azot atomlarının yayınıp dislokasyonları kilitlemesi tavlama ile eşzamanlı olarak gerçekleşir. Dolayıslyla hemen işlem sırasında süneklik azalabileceğinden, çeliklere 200°C ile 300°C arasında şekil verilmemelidir. Bu sıcaklıklarda çeliğin aldığı renk nedeniyle, sözü edilen olumsuz davranış mavi gevreklik diye anılır.
Tavlama sıcaklığının yeniden kristalleşmeyi sağlayacak kadar yüksek olması halinde ise, dislokasyon yoğunluğu soğuk şekil değiştirmeden önceki değerine iner ve azot atomlarının dağılımı düzgünleşir. Böylece şekil değişimi yaşlanması görülmez. Ancak bu kez de tay sonrası koşullarına bağlı olarak hızlı soğutma yaşlanması meydana gelebilir. Çeliğin yaşlanmasını ortadan kaldıracak en kesin yöntem olarak, azotun tümüyle giderilmesi teknik ve ekonomik nedenlerle gerçekleştirilemez. Bunun yerine azota afiniteleri demirden daha yüksek olan, örneğin alümlnyum, titanyum, niyobyum gibi elementlerin sıvı çeliğe katılması, azotu zor çözünen nitrürler olarak bağlar. Bu şekilde azot katı çözeltiden dışarı alınarak yaşlanmaz çelik elde edilir (örneğin özel durgun çelikler).
Yaşlanma eğilimi, yaşlanmamış ve yapay yaşlandırılmış (%10 soğuk şekil verilmiş, 1/2 saat 250°C sıcaklıkta tutulmuş) deney parçalarında çekme veya daha çok çentik vurma tokluğu büyüklüklerinin karşılaştırılması ile saptanır. Geçiş sıcaklığı, yaşlanmaz çeliklerde sadece soğuk şekil değişimi etkisiyle 30°C ila 40°C, Thomas çeliklerinde ise yaşlanmanın da eklenmesiyle 80°C ila 100°C veya daha fazla yükselir.
Durgunlaştırılması alüminyumla yapılmamış bir çeliğe soğuk şekil verilirse, kayma bölgelerinde FRY dağlama ayracı ile görünür hale getirebilen demir nitrürler ayrışır. Koyu dağlanmış bölgeler LÜDERS çizgi ve bantları olarak adlandırılır. Belirgin akmaya özgü bu bantların örneğin derin çekme sırasında yeniden oluşması, saçın yüzey düzgünlüğünü bozarak parlatma, galvanizleme, laklama gibi işlemleri güçleştirir. Bu nedenle söz konusu saçlar da oksit giderme alüminyumla yapılır veya temper haddelemesinden sonra belirli bir süre aşılmadan derin çekme gerçekleştirilir.
Hidrojen
Hidrojen atom çapı en küçük olan elementtir. Hidrojen genel olarak her metal malzemeye sadece atomsal olarak girebilir. Oda sıcaklığında demir içindeki yayınma hızı, karbonun solidüs sıcaklığının hemen altındaki yayınma hızından daha büyüktür. İçyapıda gözlenemez, varlığı etkileri ile anlaşılabilir. Azot gibi hidrojen de dayanım değerlerini önemli oranda yükseltmeden çeliği gevrekleştirir. Ancak hidrojen gevrekliği standart çekme veya çentik vurma deneyleriyle saptanamaz. Bu amaca en uygun yöntemin çentikli parçalarda çok yavaş zorlama ile yapılan .çekme deneyi olması, hidrojene özgü gevrekleştirme mekanizması ile açıklanabilir:
Demir içinde yayınan hidrojen atomlarının kafes kusurları veya diğer süreksizliklerde (dislokasyonlar, tane sınırları, kalıntılar) moleküllere dönüşmesi önemli bir basınç artışı doğurur. Molekülsel hidrojen yayınamaz. Oluştuğu yerde (cüruf, gözenek) yüksek basınç altında kalarak, küçük bir bölgede üç eksenli gerilme durumu yaratır. Dolayısıyla çelik gevrekleşir ve ayrılma dayanımı aşılınca çatlaklar meydana gelir.
Uygulamada karşılaşılan hidrojen hasarlarına ilişkin şu örnekler verilebilir:
Kimyasal işlem gevrekliği: Pas ve tufalın uzaklaştırılması için asitle temizlemeden(dekapaj) veya bazı elektrolitik kaplama işlemlerinden gelen atomsal hidrojenin bir bölümü çeliğe yayınıp gevrekleşmeye yol açar. Dekape edilmiş saçlarda hidrojenin yüzeye yakın gözeneklere yığılarak neden olduğu çatlama, yüzeyde kabartı oluşumu ile kendini belli eder.
Pul çatlaklar: Özellikle 300°C ila 200°C arasında hızlı soğutulmuş büyük dövme parçalarda, kısa ve süreksiz iç çatlaklar meydana gelir. Pul biçimindeki bu malzeme ayrılmalarına, kırık yüzeyinde parlak lekeler halinde göründüklerinden balıkgözü de denir. En başta krom-nikel ve krom-mangan çeliklerinin duyarlı olduğu söz konusu çatlama olayında, malzemenin içerdiği hidrojen ile birlikte dönüşüm gerilmeleri de önemli rol oynar. Bu gerilmeler ne kadar büyük olursa (düşük dönüşüm sıcaklığı) çatlak oluşumu için gereken hidrojen miktarı o kadar az olur.
Yukarıda sözü edilen basınç teorisi, hidrojen gevrekleşmesiyle ilgili bütün deneysel gözlemleri ve öncelikle yüksek dayanımlı çeliklerin kaynak bağlantılarında rastlanan gecikmeli çatlak oluşumunu yorumlamaya yeterli değildir.
Oksijen
Oksijen demirde hemen hemen hiç çözünmez; ancak azot ve hidrojene benzer şekilde çok az miktarda bulunması dahi belirgin bir gevrekleşmeye neden olur. Özellikle düşük karbonlu (dolayısıyla oksijen miktarı yüksek) çeliklerde içyapı bileşeni olarak wüstit adı verilen demir okside (FeO) sıkça rastlanır. FeS gibi FeO da çeliği kızıl sıcaklıkta kırılgan yapar. 930°C sıcaklıkta eriyen FeO-FeS ötektiği nedeniyle bu etki kükürt miktarı ile artar.
Oksit giderme işlemi ile çelikteki oksijenin büyük bir kısmı alınır. Reaksiyon ürünleri olan SiO
2 ile Al
2O
3 sert ve çoğunlukla küresel parçacıklardır. Bunlardan cürufa geçmemiş olanlar, haddeleme sırasında kırılıp çizgisel biçimde dizilerek, daha sonraki şekillendirme işlemlerini güçleştirebilirler.
