1

Mašinski materijali

Čelici

2

Podela čelika prema nameni

3

Konstrukcioni čelici

Ovi čelici mogu biti:

• ugljenični (nelegirani) i

• legirani.

Konstrukcioni čelici (nelegirani i legirani-sadrže C < 0.60%) primenjuju se za

izradu mašina i ureĎaja, koji rade u neagresivnim sredinama i pri

temperaturama od -25 do 300C, kao i za noseće i gradjevinske konstrukcije.

4

Ugljenični (nelegirani) konstrukcioni čelici

Ugljenični čelici običnog kvaliteta svrstavaju se pretežno

prema mehaničkim osobinama i koriste se za slabije

opterećene delove mašina, uredjaja, vozila, a čelici trgovačkog

kvaliteta za šipke i rešetke. Svi nelegirani čelici običnog

kvaliteta primenjuju se u sirovom stanju (bez termičke

obrade).

Srednje ugljenični čelici (0.25-0.60% C) koriste se u

normalizovanom stanju, a u poboljšanom za delove manjih

preseka. Čelici sa 0.5-0.60% C primenjuju se za delove

otporne na habanje, kao npr. zupčanike, pužne transportere,

ekscentre, klinove; stanje normalizovano.

Sitni mašinski delovi prave se takodje od srednje ugljeničnih

čelika isporučenih u obliku limova, traka, žica, vučenih ili

valjanih šipki na hladno (time se povećava jačina).

Čelici za gradjevinarstvo uglavnom su meki (niskougljenični

C < 0.25%) čelici u obliku profila, limova, šipki, žica za

armirani beton (betonsko gvoždje).

5

Čelici za brodogradnju su u obliku limova i profila od

mekog čelika (zavarljivog), a za železnice u obliku

posebnih valjanih proizvoda i otkovaka od nisko i

srednje ugljeničnih čelika (točkovi, šine, osovine vagona).

Karoserijski limovi su čelici sa 0.1% C, visoke čistoće

dobro se izvlače i imaju glatku površinu.

Čelici za patentirane žice (0.3-1.0% C) služe za čelične

sajle, žice točkova (kod bicikla), žice kišobrana, žičane

mreže i opruge najvišeg kvaliteta.

Čelici za automate (valjane ili vučene šipke, Č1190,

Č1590) koriste se za izradu sitnih delova (npr.

zavrtnjeva, navrtki) na automatskim strugovima. To su

ugljenični čelici sa povećanim sadržajem P do 0.11%, S

do 0.3% ili 0.35% Pb, što im daje krtu i lako lomljivu

isprekidanu strugotinu; time se postiže veća brzina

rezanja i bolji kvalitet rezane površine kod zavrtnjeva

trgovačkog kvaliteta (zahvaljujući Pb).

6

Legirani konstrukcioni čelici

Legirani čelici za poboljšanje (0.25-0.60% C) mogu biti:

• Manganski (1.20-1.60% Mn za osovine vratila, Mn-Si za veće zupčanike),

• Hromni (1-1.5% Cr-Si)- za jako opterećena vratila (kolenasta), zupčanike,

• Hrom-molibdenski (1% Cr, 0.2% Mo)- za sitnije žilave delove,

• Hrom-niklovi (0.6-1.5% Cr i 1-3.5% Ni)- zupčanici menjača, delovi turbina

koji rade na temperaturama do 500C.

7

Legirani čelici za posebne namene

Čelici za opruge treba da imaju visoku vrednost napona tečenja,

odredjenu istegljivost, odgovarajuću dinamičku izdržljivost (opruge

automobila, odbojnici vagona, oslonci temelja mašina).

Osobine elastičnosti poboljšava dodatak 0.15-1.8% Si podižući

vrednot napona tečenja.

Tako se npr. primenjuje čelikza podloške i tanjiraste opruge, konične

vagonske opruge, lisnaste gibnjeve, spiralne vagonske opruge,

najopterećenije opruge drumskih vozila.

Čelici za kotrljajuća ležišta treba da imaju pre svega veliku

tvrdoću i otpornost na habanje.

To su hromni čelici sa visokim sadržajem ugljenika i najviše čistoće

(sastava 1% C i 0.50-1.50% Cr).

Termička obrada se sastoji iz kaljenja sa 850C u ulju i niskog

otpuštanja (160C).

8

Čelici za rad na niskim temperaturama sadrže Ni ili Mn i

nizak % C (0.10-0.15). Pri 3-5% Ni temperatura prelaska u

krto stanje je oko -100C, a pri 8-10% Ni oko -200C.

Od ovih čelika prave se transportni i stacionarni rezervoari

za suvi led (CO2) ili tečan metan (CH4).

Čelici za ventile motora sa unutrašnjim sagorevanjem

izloženi su pri radu visokim temperaturama (do 900C) i

cikličnim promenama temperatura.

Stoga moraju da zadrže dobre mehaničke osobine na

povišenim temperaturama (ReH, Rm, HB) i da budu

vatrootporni.

Najčešće se primenjuju visokolegirani hromni čelici (0.40%

C, 3.2% Si, 9.0% Cr), (0.5% C, 16.5% Cr, 2.0% Mo).

9

Čelici povišene jačine – mikrolegirani čelici (napon tečenja ReH > 360

MPa) razvijaju se poslednjih tridesetak godina s ciljem da se smanji težina

konstrukcije: mostova, brodova, rezervoara, cisterni, cevi pod pritiskom i sl.

Tehnologija mikrolegiranja omogućila je proizvodnju nove kategorije čelika,

koji su u stvari konvencionalni ugljenični čelici sa minimalnim dodacima

legirajućih elemenata (manje od 0.50%), radi povećanja napona tečenja,

jačine na kidanje i tvrdoće.

Danas se čelici povišene jačine isporučuju u svim standardnim valjanim

oblicima kao što su: limovi, trake, ploče, profilisani nosači, šipke i

specijalni profili.

Mikrolegirani čelici povišene jačine sadrže Al, V, Ti, Nb, N, zbirno < 0.20%.

10

Specijalni čelici

U ovu klasu čelika svrstavaju se:

• Nerdjajući čelici (otporni na kiseline i vatrootporni),

• Čelici za povišene temperature (termo-postojani Cr-Mo-V čelici) i

• Čelici otporni na habanje.

11

NerĎajući čelici

Ovde spadaju čelici otporni na kiseline koji se odupiru pre svega elektrohemijskoj

koroziji (organskim i neorganskim kiselinama, jedinjenjima azota, rastvorima soli -

elektrolitima, agresivnim životnim namirnicama) i vatrootporni čelici koji se ne

oksidišu na vazduhu i sagorelim gasovima (CO, CO2, SO2) na temperaturi preko

600ºC.

Čelici otporni na kiseline moraju sadržati više od 12% Cr, a vatrootporni čelici

više od 6% Cr i dodatke Si i Al radi sprečavanja dubinske korozije.

Efekat Cr ogleda se u stvaranju pasivnog sloja ili zaštitnog oksidnog sloja

Cr2O3 koji štiti materijal od korozije.

12

Tip Glavni legirajući elementi

1. Feritni - a Fe - Cr (12-25%) – Mo (1-4%), Ni (2%)

2. Austenitni - g Fe – Ni (8-10%) – Cr (18-30%), Mn i N

3. Martenzitni Fe - Cr (Cr<18%) – C (0.6-1.2%)

4. Dupleks – a+g Fe – Cr (18-30%) – Ni (3-9%)

5. Precipitaciono ojačani Fe – Cr - Ni, Al iNb

Glavne vrste nerĎajućih čelika i njihovi hemijski sastavi

13

Austenitni nerĎajući valjani čelici su legure: Fe-Cr-Ni-Mn, legure Fe-Cr-Ni i

azotom ojačane legure. Sadržaj ugljenika je ispod 0.15%, hroma najmanje 16%,

a nikla i mangana mora biti toliko da se zadrži austenitna struktura.

Austenitni nerdjajući čelici upotrebljavaju se uglavnom za delove kod kojih je

koroziona otpornost i žilavost primarni zahtev.

To su delovi izloženi morskoj vodi (osovine, pumpe, poklopci), oprema i

postrojenja u hemijskoj i prehrambenoj industriji, posebno u mlekarama.

Struktura austenitnog

nerđajućeg čelika

14

Feritni valjani nerdjajući čelici sadrže 10.5-27% Cr (18Cr-2Mo, 26Cr-1Mo, 29Cr-

4Mo i 29Cr-4Mo-2Ni).

Namenjeni su za delove od kojih se traži srednja koroziona otpornost, a žilavost

nije glavni zahtev.

Najviše koriste za izduvne sisteme motora, za opremu za prenos toplote u

hemijskoj i petrohemijskoj industriji, za unutrašnju opremu motornih vozila, kao i za

kuhinjsku opremu (sudopere i sl.).

Struktura feritnog

nerđajućeg čelika

15

Martenzitni nerdjajući čelici imaju povećan sadržaj ugljenika (do 1%), sadržaj Cr

(11.5 do 18%) i eventualno male količine drugih legirajućih elemenata.

Manje su koroziono otporni nego austenitni i feritni čelici.

Što se tiče primene, martenzitni nerdjajući čelici namenjeni su pre svega za delove

kod kojih su jačina i tvrdoća bitniji od korozione otpornosti.

Zato se od ovih čelika izradjuju kuglični ležajevi, livački kalupi, noževi

medicinskih instrumenata, delovi aviona i turbina.

Struktura

martenzitnog

nerđajućeg čelika

16

Dupleks nerĎajući čelici sadrže:

Cr: 18-30%

Ni: 3-9%

• Nalaze se izmeĎu austenitnih i feritnih čelika (α + γ faze aproksimativno 50%-

50%)

• Imaju bolju korozionu otpornost od konvencionalnih feritnih čelika i bolju

čvrstoću od austenitnih čelika.

Struktura dupleks

nerđajućih čelika

17

NerĎajući čelik Rp, MPa Rm, MPa Izduženje, A, %

Feritni 275-600 450-700 20-30

Austenitni 200-380 500-800 45-60

Martenzitni 275-1900 520-2000 15-30

Dupleks 315-565 590-740 20-40

Mehaničke osobine nerĎajućih čelika

18

Krive zatezanja za različite nerĎajuće čelike

19

Delovi od nerđajućeg čelika

20

21

22

Čelici za povišene temperature (termo-postojani Cr-Mo-V čelici)

Termo-postojanost je sposobnost materijala da izdrži kratkotrajno i dugotrajno

opterećenje na povišenim temperaturama.

Od čelika ove klase prave se parni kotlovi, gasne turbine, mlazni (reaktivni)

motori, postrojenja u hemijskoj industriji-drugom rečju oprema koja dugotrajno

radi na povišenim (do 600C) i veoma visokim temperaturama ( preko 600C)

Obični nelegirani konstrukcioni čelici zadržavaju mehaničke osobine (odredjene

pri sobnoj temperaturi) do oko 300C, a iznad toga ReH i Rm manje ili više opadaju.

Hromni-niskolegirani čelici namenjeni su za temperature do 600C, a srednje i

visokolegirani za preko 600C.

23

Čelici otporni na habanje

Procenjuje se da oko 50-80% svih otkaza mašina i opreme nastaje zbog habanja,

a ostalo usled zamora materijala, preopterećenja ili grubog narušavanja radnih

uslova.

Otpornost čelika prema habanju uslovljena je hemijskim sastavom (uglavnom

visok sadržaj C i Mn) i strukturom, ali i vrstama habanja koje mogu biti: adheziono,

abraziono, eroziono, kavitaciono, zamorno, vibraciono.

Abrazivno habanje može nastati dejstvom:

• udarnih sila (kašike bagera na kamenitom terenu, drobilice za kamen) i

• rasutog materijala (rude, šljaka, pesak, cement, pepeo, žitarice i dr.).

Za delove izložene habanju udarnog tipa primenjuje se manganski austenitni

čelik poznat pod nazivom Hadfield-ov čelik (13% Mn, 1.2% C).

Otporan je na abrazivno habanje samo ako se pri radu jako plastično deformiše.

24

Alatni čelici

Ovi čelici su namenjeni za izradu alata u širokom smislu:

• za obradu deformisanjem,

• obradu rezanjem,

• kalupa za livenje,

• alata za mlevenje kamena,

• za izradu mernih i kontrolnih pribora, kao i

• ručnih alata i pribora.

Pored alatnih čelika, za izradu alata još se mogu upotrebiti i sinterovani karbidi, a u

nekim slučajevima i jevtiniji metali kao što su konstrukcioni čelici ili neke vrste

livenog gvoždja.

Alati za najteže radne uslove prave se od tvrdih legura, keramičkih materijala i

dijamanata.

25

Od dobrog alata traži se pre svega velika tvrdoća i žilavost, otpornost

na habanje i popuštanje kao i dimenzijska stabilnost.

Potrebna tvrdoća na povišenim radnim temperaturama postiže se legiranjem

čelika karbidotvornim elementima naročito sa Cr, V, W i Mo.

Prema hemijskom sastavu alatni čelici se dele na:

• ugljenične,

• legirane i

• brzorezne (BRW).

ALATNI ČELICI

Ugljenični Legirani Brzorezni (BRW)

Niskougljenični

Srednjeugljenični

Visokougljenični

Niskolegirani Vusokolegirani

Za rad na hladno

Za rad na toplo

Za rad na hladno

Za rad na toplo

26

Ugljenični alatni čelici

Mogu biti sa niskim sadržajem ugljenika (do 0.25% C), srednjim (0.25-0.6% C) i

visokim (više od 0.6% C).

Meki čelici (niskougljenični) koriste se za male cementirane kalupe za brizganje

plastike i gume, za merne alate i kontrolnike ("kalibre"), metalne lenjire, šablone i sl.

Srednjeugljenični nelegirani čelici služe za izradu ručnih alata i pribora, reznih

alata za obradu drveta, jevtinijih noževa, livačkih kalupa i dr. (za sekire, čekiće,

jevtine noževe, srpove).

Znatno je veća primena visokougljeničnih čelika sa 0.6-1.4% C, od kojih se prave

alati za prosecanje, za preradu hladnim deformisanjem, za obradu drveta i

termoplasta, stezni alati, mali i jednostavni kalupi za oblikovanje plastike i gume

kao i za ručne alate i pribore.

27

Upotrebljavaju se kada je neophodna postojanost na povišenim

temperaturama .

Gotovo svi legirani alatni čelici, kako za rad na hladno tako i za rad na toplo,

sadrže hrom. Ali, samo nekoliko čelika za rad na hladno sadrže jedino Cr, dok

je većina još legirana sa W, V, Mo, odnosno za rad na toplo još i sa niklom.

Dalje se legirani alatni čelici dele na niskolegirane (ukupan sadržaj legirajućih

elemenata ne prelazi 5%) i visokolegirane.

Legirani alatni čelici

28

Niskolegirani čelici za rad na hladno koriste se za razne vrste alata za obradu

čelika, obojenih metala, drveta, plastike, papira.

Obrada se odvija na sobnoj temperaturi (na hladno), s tim što temperatura alata

usled trenja ne sme za duže vreme preći temperaturu od 300C.

Kao primer može se navesti čelik (za spiralne burgije, glodala, ureznice i nareznice,

hirurške instrumente), čelik (za noževe za obradu drveta i papira), čelik (za

preserske alate, ekscentre), čelik (alati za jaka dinamička opterećenja).

Niskolegirani alatni čelici za rad na toplo namenjeni su za radne uslove pri

temperaturama iznad 300C; reč je o kovačkim kalupima male ili srednje

veličine, alatima za toplo presovanje i ekstruziju (istiskivanje) neželeznih metala,

kalupima za livenje pod pritiskom (Al i legura Al, Zn, Mg), alatima za opsecanje na

toplo.

29

Visokolegirani alatni čelici za rad na hladno uglavnom sadrže visok % Cr i C.

Tipičan je predstavnik čelik sa 12% Cr i 2% C.

Visok sadržaj ugljenika omogućuje stvaranje dovoljno karbida hroma koji se

odlikuju velikom tvrdoćom i otpornošću na habanje.

Gore navedeni čelik je pogodan za alate složenijeg oblika.

Koristi se za izradu profilisanih glodala, burgija za lake metale i mesing, testere

za metal, kalupe za preradu plastike, presovanje porcelana i keramike kao i za

alate za prosecanje na presama.

Visokolegirani alatni čelici za rad na toplo sadrže 5 do 10% W, 0.25-0.45% C

i dodatke Cr, V, Ni, Co.

To su čelici za presovanje na toplo u dubokim gravurama, za trnove alata za

probijanje, za toplo presovanje lakih metala i njihovih legura, za livenje pod

pritiskom, itd.

30

Brzorezni čelici (BRW)

Početkom 20 veka ustanovljeno je da najbolje rezne osobine imaju čelici sa

visokim sadržajem volframa (6.3-18% W) i ugljenika (0.8-1.4% C), pošto se

zakale sa visoke temperature i visoko otpuste.

Brzorezni čelici zadržavaju visoku tvrdoću do oko 650C, a imaju oko 10

puta veći kapacitet rezanja i 30 puta duži vek trajanja u odnosu na

nelegirane i niskolegirane alatne čelike.

Klasični BRW-čelik sadrži: 0.75% C, 18% W, 4.5% Cr, 1% V.

Teži se da karbidi (W2C, V4C3) budu sitnozrnasti i ravnomerno rasporedjeni što

se postiže specifičnim postupcima izrade.