Metal malzemelerde, belirli özelikleri elde etmek (kuvvetlendirmek) veya gidermek (zayıflatmak) amacıyla önceden saptanmış miktarlarda bulunması zorunlu olan bileşenlere alaşım elementleri, istenmediği halde üretimden kaynaklanan elementlere ise arıtılamayan elementlere empürite ya da katışkı denir. Burada, demir esaslı malzemelerde alaşımlı ile alaşımsız çelik arasındaki anlam farkının tam açıklanması gerekirse, bir alaşımlı çelikte arıtılamayan elementlerle birlikte demir ve karbon (ana alaşım elementi) elementleri de hesaba katılmaksızın, bileşenlerden en az birinin % ağırlık olarak gerekli sınıra ulaşması ya da bunu aşması gerekir. Bu koşulu sağlayan bileşenler çeliğin alaşım elementler' diye nitelendirilir.
Alaşım elemanlarının etkisiyle, başka hiçbir malzemenin özelikleri çeliklerdeki kadar geniş çapta değiştirilemez. Öte yandan çok sık örnekte karşılaşıldığı gibi bunların etkileri toplanabilir olmadığından, çok sayıda alaşım elementinin birlikte bulunması halinde, beklenen özelik değişmeleri ancak genel çerçevede ele alınabilir ve bu konuda kesin bir yaklaşım yapılamaz.
Alaşımlı çelikler, alaşım elemanların (karbon ve arıtılamayan elemanlar dışında kalan diğerleri) toplam miktarı % 5`den az olanlar düşük alaşımlı çelikler ve alaşım elemanlarının toplam miktarı % 5 'den fazla olanlar yüksek alaşımlı çelikler olmak üzere, iki ana gruba ayrılırlar. Temelde alaşımsız çeliklere benzer davranışa sahip olan düşük alaşımlı çeliklerin teknik açıdan en belirgin özeliği, sertleşme kabiliyetlerinin daha yüksek olmasıdır. Ayrıca, sertlik, çekme dayanımı, akma sınırı, elastiklik modülü gibi dayanım özelikleri ile sıcağa dayanıklılık, meneviş dayanıklılığı gibi karakteristikler yükselirken, genellikle kopma uzaması, kesit daralması, çentik darbe dayanımı gibi değerlerde azalma olur. Alaşımsız ve düşük alaşımlı çeliklerde istenilen özeliklerin bulunmaması veya yetersiz olması halinde yüksek alaşımlı çelikler kullanılır. Bu tür alaşımlama, normal sıcaklıklardaki mekanik dayanımın arttırılması yanında, öncelikle sıcağa, tufallaşmaya ve korozyona dayanım, sıcakta sertlik ve manyetlenmeme gibi bazı seçilmiş özeliklerin elde edilmesini amaçlar.
Elementlerin çeliğin yapısında tek elementli faz, katı çözelti (katı ergiyik) ve intermetalik bağlantı durumunda bulunması, malzeme özeliklerini çok farklı şekilde etkiler. Teknikte kullanılan demir esaslı alaşımlarda tek elementli fazlar, yalnızca kurşun ve bakırdan kaynaklanabilir. Bu fazların yaratabileceği olumlu etkiler sınırlı olduğundan, her iki metal de alaşım elementleri arasında önemli bir yer işgal etmezler. Buna karşın, aşağıda belirtilen elementler, katı çözelti veya intermetalik bağlantı meydana getirerek geniş ölçüde özelik değişimlerine yol açabildikleri için, çeliklerin alaşımlandırılmasında büyük ağırlık taşırlar.
Çelikte demir dışında bulunan arıtılamayan elementler ve önemli alaşım elementlerinin her birinin çeliğin özeliklerine etkileri şöyledir:
Karbon: Çeliğin en temel alaşım elementidir. Karbon miktarının artmasıyla birlikte alaşımsız çeliklerin dayanımı ve sertliği önemli ölçüde arttırır. Karbon miktarı arttıkça çelikteki perlit oranı arttığından, çeliğin çekme dayanımı ve akma sınırı artar. Ancak, % 0,8 ila 0,85 C değerinden sonra dayanım daha fazla artmamasına karşılık, çelik giderek kırılganlaşır. Sertleştirilmiş çeliklerde en yüksek sertlik değerine (yaklaşık 67 RSD-C) yaklaşık % 0,6 C düzeyinde ulaşılır ve karbon miktarının daha da arttırılmasıyla, ani soğutma sonrasında yapıda artık ostenit kalacağından sertlikte artma meydana gelmez. Diğer taraftan, karbon miktarı arttıkça çeliğin sünekliliği, dövülebilirliği, derin çekilebilirliği ve kaynak edilebilirliği azalır, ısıl işlemde çatlama ve deformasyon eğilimi artar.
Mangan: Çeliğe genellikle cevherden intikal eder, fakat özelikleri iyileştirdiğinden belirli bir oranda çeliğin içerisinde bulunması istenir, hatta alaşım elementi olarak arttırılabilir. Çeliğin dayanımını arttırır, fakat sünekliliğini biraz azaltır.
Silisyum: Çelik üretiminde oksijen giderici olarak kullanılan temel elementlerden biridir. Çelikte bulunan silisyumun miktarı, üretim tarzına bağlı olarak da değişir. Sakin dökülen alaşımsız çeliklerde, en fazla % 0,60 Si bulunabilir. Düşük alaşımlı çelikler ve yay çelikleri, % 2 'ye kadar Si içerirler. Buna karşın, silisyumlu çelikler diye adlandırılan, elektroteknikte kullanılan çeliklerde Si miktarı % 5 'e kadar yükselebilir. Ayrıca, % 14-15 Si içeren çeliklerde de korozyon dayanımı iyidir, fakat dövülemezler ve kırılgandırlar. Silisyum miktarı arttıkça, çeliğin tane büyüklüğü de artar.
Kükürt: Otomat çeliklerinde kükürt miktarı, talaşlı şekillendirmeyi iyileştirmek için yüksektir. Bunun dışında istenmeyen bir elementtir ve daima azaltılmaya çalışılır. Yeni gelişen teknolojilerle, bugün % 0,003 S değerlerine kadar inilebilmektedir. Çelik kalitelerinin belirtilmesinde sınırlanan element olarak fosforla birlikte birinci planda göz önünde tutulur. Kükürt miktarı yükseldikçe, şekillendirmeye dik doğrultuda süneklilik ve darbe dayanımı düşer, boyuna doğrultuda etkilenme azdır. Mangan ile dengelenmediğinde, sıcakta kırılganlık yapar. Kaynak edilebilirliği ve sertleşebilirliği kötüleştirir.
Fosfor: Ferritin dayanımını en fazla arttıran elementtir. Bu nedenle, düşük miktarlarda bulunsa bile çeliğin dayanımını ve sertliğini arttırıcı, buna karşın şekillendirme yönünde sünekliliği ve darbe dayanımını azaltıcı etki yapar. Bu etkiler, özelikle yüksek karbonlu menevişlenmiş çeliklerde daha fazladır. Ayrıca, çeliğin korozyon dayanımını iyileştirmesine karşın, kükürtle birlikte çelikte mümkün olduğunca az bulunmasına çalışılır ve kalite belirlemesinde birinci planda rol oynar.
Krom: Çelikte, oksidasyona ve korozyona karşı dayanımı, aşınma direncini, sertleşebilirliği arttırır. Paslanmaz çeliklerin ve alaşımlı takım çeliklerinin büyük bir kısmının temel alaşım elementidir. Karbür yapıcı element olduğundan, çekme dayanımını ve sıcağa dayanımı arttırır, sünekliliği düşürür. Ancak bazı çeliklerde meneviş kırılganlığı doğurabileceğinden ve olumlu etkilerini iyileştirmek için nikel ve/veya molibden ile birlikte kullanılır.
Nikel: Ferritte katı çözelti sertleşmesi sağlayarak, çeliğin dayanımını artırır. Bu artış, silisyum ve mangana nazaran daha azdır, ancak dayanım artarken süneklilikte önemli bir azalma olmaz. Krom kadar olmasa da, sertleşebilirliği de iyileştirir. Nikel içeren yapı çelikleri, özellikle kromla birlikte, yüksek süneklilik, yüksek sertleşebilirlik ve yüksek yorulma direnci gösterirler. Ayrıca, paslanmaz çeliklerde kromla birlikte en önemli elementtir, sıcağa ve tufallaşmaya karşı dayanımı da iyileştirir.
Molibden : Kuvvetli karbür ve nitrür yapıcı elementtir ve düşük alaşımlı çeliklerde genellikle krom (nikel) ile birlikte % 0,15-0,30 arasında bulunduğunda çeliğin sertleşebilirliğini, çekme dayanımını ve sıcağa dayanımı arttırır, meneviş kırılganlığını azaltır. Takım çeliklerine daha yüksek miktarlarda katılır, sıcağa ve aşınmaya karşı dayanımı iyileştirir.
Vanadyum : Benzer alaşım elementleri gibi, sertleşebilirliği arttırır. Azot ile birleşip nitrür teşekkül ettirerek, ferritik yapıda tane küçülmesi sağlar. Bu nedenle, çentik dayanımını da yükseltir. Kuvvetli karbür teşekkül ettirici olduğundan, aşınmaya ve sıcağa dayanımı arttırmak için takım çeliklerinde volframla, sıcağa dayanıklı çeliklerde krom ile birlikte katılır.
Volfram : Çeliğin dayanımını arttırır, En önemli özeliği ise hız çeliklerinde sekunder (ikincil) sertleşme yaratarak, meneviş dayanımını (sıcak sertlik) arttırmasıdır. Bu etki, karbür teşekkül ettirmesinden dolayıdır ve yarattığı karbürler aşınma direncini de çok arttırırlar.
Niobyum: Özellikle yüksek dayanımlı düşük alaşımlı (YDDA) çeliklerde kontrollü haddeleme ve soğutmayla özelikleri iyileştirmek için ve sıcağa dayanıklı çeliklerde kullanılır. Kuvvetli karbür ve nitrür yapıcıdır. Sertliği, akma sınırını yükseltir, taneleri inceltir ve şekil değişebilirliği azaltır.
Titan: V, Mo, W ve Nb gibi kuvvetli karbür ve nitrür yapıcıdır. Ostenitik çeliklerde yapıda denge sağlar, genel olarak çeliklerde taneleri inceltir. Ayrıca, Al ile birlikte dezoksidan madde (oksit giderici) olarak da sakin dökülen çeliklerde kullanılır.
Zirkonyum: Daha çok, YDDA çeliklerinde arıtılamayan elementleri denetleyici olarak kullanılır. Özellikle sülfürlerin biçimlerini değiştirerek, sünekliligi arttırır.
Nadir Toprak Elementleri: YDDA çeliklerinde, arıtılamayan eleman biçim değiştirici olarak kullanılır. Seryum, güçlü bir oksijen ve kükürt gidericidir.
Kobalt: Karbür teşekkül ettirmez, ancak sıcağa dayanımı arttırır. Sertleşebilmeyi azaltır, yüksek sıcaklıklarda tane büyümesini yavaşlattığı için, daha çok hız çeliklerine ve sıcağa dayanıklı çeliklere katılır. Çeliğin manyetik özeliklerini de olumlu olarak arttırır.
Alüminyum: En güçlü oksijen gidericidir. Azot ile kuvvetli nitrür teşekkül ettirir, ısıtmada tane kabalaşması ve çeliğin yaşlanma eğilimini azaltır. Çelik üretiminde, taneleri inceltir.
Bor: Düşük ve orta karbonlu çeliklerin sertleşebilirliğini en etkin olarak arttıran nitrür teşekkül ettiren bir elementtir. Çelikler sakinleştirildikten sonra, % 0,0005 ila 0,003 kadar katılır. Ayrıca, çeliğin yüzeyine bor nüfuz ettirildiğinde 2000 VSD kadar yüzey sertliğine ulaşılabilir. Bor'un nötron yutma kesit alanı yüksek olduğundan, borlu çelikler nükleer santrallarda da tercih edilir.
Bakır: Çeligin dayanımını ve sertliğini arttırır, sünekliliği çok fazla düşürür. Korozyona dayanımı iyileştirir. Sıcak şekillendirmede kırılganlık yaratması, çelik üretiminde sorun yarattığından % 0,5 miktarının aşılması pek istenmez.
Kurşun: Çelikte çözülmediğinden, yalnızca otomat çeliklerinde talaşları kırılgan yapmak amacıyla % 0,2 ilâ 0,5 arasında katılır, fakat yapıda homojen ve ince dağılması gerekir.
Azot: Nitrür teşekkül ettirdiği için önemlidir. Çelikte yaşlanma meydana getirir. Yaşlanmanın sorun olmadığı durumlarda, sertliği, mekanik dayanımı ve atmosfer korozyonuna dayanımı arttırır. Uygun alaşımlı çeliklerin yüzeyine nüfuz ettirilerek, yaklaşık 1100 VSD değerine kadar yüzey sertliğine ulaşılmasını sağlar.
