Željezo je jedan od najstarijih i najčešće korištenih metala u povijesti čovječanstva. U svojoj čistoći ono je izuzetno meko i lako se deformira, što ga ograničava na jednostavne primjene. Dodavanjem i najmanje količine ugljika, koji se u metalurgiji naziva i karbona, dobiva se materijal s potpuno drugačijim mehaničkim svojstvima – od čvrstog čelika koji nosi nebodere do krhkog lijevanog željeza koje se lako lomi. U nastavku objašnjavamo zašto tako mala kemijska promjena dovodi do drastičnih promjena u strukturi i svojstvima željeza.
Sadržaj...
Kristalna struktura čistog željeza i uloga ugljika
Čisto željezo kristalizira se u obliku ferrita, tj. BCC (tijelo središnjeg centriranja) rešetke. Ferrit je relativno mekan, ali vrlo duktilan – može se savijati bez pucanja. Ugljik, čiji je atom manji od atoma željeza, ne može se uklopiti u tu rešetku. Umjesto da se otopi u kristalnu strukturu, ugljik se taloži u obliku intersticijskih spojeva, najčešće cementita (Fe₃C). Cementit je izuzetno tvrd, ali i vrlo krhak.
Kada je udio ugljika vrlo nizak – oko 0,1 % do 0,2 % – cementit se pojavljuje u obliku vrlo finih, naizmjeničnih slojeva s ferritom. Ova mikroskopska struktura naziva se perlit. Svaki sloj djeluje kao „čvrsti most“ koji povezuje mekšu fazu ferrita, čime se znatno povećava čvrstoća materijala, a istovremeno se zadržava određena elastičnost.
Što se događa pri povećanju ugljikovog udjela?
Kako se udio ugljika povećava, mijenjaju se i omjeri ferrita i cementita. Pri otprilike 0,5 % ugljika nastaje tzv. normirani čelik s većim udjelom perlitnih slojeva, što dodatno podiže čvrstoću, ali i smanjuje duktilnost. Ako se udio podigne na 0,8 %‑1,0 %, dolazi do formiranja martenzita – vrlo tvrde, ali izuzetno krhke kristalne strukture nastale brzim hlađenjem. Martenzit je odgovoran za visoku tvrdoću alata i oštrice, ali i za njihovu sklonost pucanju pod opterećenjem.
Kada se udio ugljika približi 2 %, željezo više ne može zadržati strukturu ferrit‑perlit. Umjesto toga nastaje lijevano željezo, koje se sastoji gotovo isključivo od cementita i grafita. Grafitne čestice ublažavaju krhkost, ali materijal ostaje vrlo tvrd i sklon lomljenju pod udarcem.
Praktične primjene i odabir materijala
Različiti udjeli ugljika koriste se za specifične primjene:
- 0,1 %‑0,2 % C – perlitni čelik, idealan za konstrukcijske elemente koji zahtijevaju dobru
