Malzeme özellikleri nedeniyle çelik, tartışmasız dünyanın en önemli mühendislik ve inşaat malzemesidir. Çeliğin cazibesi, nadir rastlanan bir kombinasyonda yatmaktadır: hem sağlam hem de şekillendirilebilir, hem dayanıklı hem de ekonomiktir; ayrıca, bileşiminde kullanılan maddeler ve işleme yöntemleri ayarlanarak davranış özellikleri çok geniş bir aralıkta değiştirilebilir. Çeliğin en değerli özellikleri arasında mükemmel şekillendirilebilirlik ve dayanıklılık, iyi çekme ve akma mukavemeti ile iyi ısı iletkenliği sayılabilir; paslanmaz çelik sınıflarında ise belirleyici özellik korozyona karşı dirençtir.
Çeliğin özellikleri genellikle birkaç genel kategoriye ayrılır. Mekanik özellikler, çeliğin uygulanan kuvvetlere nasıl tepki verdiğini tanımlar ve mukavemet, süneklik, sertlik ve tokluk gibi özellikleri içerir. Fiziksel özellikler ise malzemenin doğasında bulunan özelliklerdir ve yoğunluk, ısı iletkenliği ve elastik modül gibi özellikleri içerir. Kaynaklanabilirlik, işlenebilirlik ve şekillendirilebilirlik gibi teknolojik özellikler ise çeliğin ne kadar kolay bir şekilde bitmiş bir parça haline getirilebileceğini tanımlar. Bu metin, malzeme seçiminde en sık belirleyici olan mekanik ve fiziksel özelliklere odaklanmaktadır.
Mühendisler, belirli bir uygulama için malzeme seçerken, söz konusu malzemenin kullanım sırasında karşılaşacağı yük koşullarına ve çevresel zorluklara dayanacağından emin olmalıdır. Bu nedenle, malzemenin özelliklerinin net bir şekilde anlaşılması ve kontrol edilmesi hayati önem taşır; zira teknik özellikleri yetersiz bir çelik kullanım sırasında arızalanabilirken, teknik özellikleri gereğinden fazla olan bir çelik ise gereksiz maliyet ve ağırlık artışına neden olur.
Çeliği olağanüstü kılan şey, mekanik özelliklerinin ne dereceye kadar mühendislik yoluyla şekillendirilebilmesidir. Aynı temel bileşim, uygulanan işleme yöntemi ve ısıl işleme bağlı olarak bir durumda yumuşak ve son derece şekillendirilebilir, başka bir durumda ise son derece sert ve dayanıklı olabilir. Bu işlemler, çeliğin mikroyapısını, ferrit, perlit, bainit ve martensit gibi iç fazların düzenini ve türünü değiştirerek etki eder. Örneğin, karbon içeriğinin artırılması mukavemet ve sertliği yükseltir ancak süneklik ve kaynaklanabilirliği azaltırken, tavlama, su verme ve temperleme gibi ısıl işlemler mikro yapıyı yeniden dağıtarak ya tokluğu ya da sertliği artırır. Bu değişkenler birbirleriyle etkileşim halinde olduğundan, çeliğin nihai özelliklerini teyit etmek ve ilgili standartlara uygunluğunu doğrulamak için testler yapılmalıdır.
Farklı testler, farklı mekanik özellikleri ortaya çıkarır ve her biri mühendise, çeliğin nasıl davranacağı konusunda kendine özgü bilgiler verir.
Çekme testi, çeliğin uygulanan yüklere yapısal olarak nasıl tepki verdiğini değerlendirir ve sonuçlar gerilme-gerinim eğrisi olarak ifade edilir. Bu tek eğri, birkaç temel özelliği ortaya koyar. Başlangıçtaki düz kısım elastik (geri kazanılabilir) deformasyonu temsil eder ve bu kısmın eğimi, sertliğin bir ölçüsü olan Young modülüdür. Malzemenin kalıcı olarak deforme olmaya başladığı nokta, akma mukavemetidir; bu, en yaygın olarak kullanılan tasarım değeridir, çünkü çoğu bileşenin kullanım sırasında plastik olarak deforme olmaması gerekir. Çeliğin dayanabileceği en yüksek gerilme, nihai çekme mukavemetidir; kırılmadan önce uzama miktarı ise, yüzde uzama olarak ifade edilir ve çeliğin sünekliğini gösterir.
Elastik bölgedeki gerilme-gerinim oranı, yani Young modülü, çeliğin en ayırt edici özelliklerinden biridir. Çelik için bu değer 190 ila 210 GPa aralığındadır; bu, alüminyumun değerinin yaklaşık üç katıdır. Bu yüksek sertlik, sapmanın sınırlandırılması gereken yapılar için çeliğin tercih edilmesinin başlıca nedenlerinden biridir; ayrıca, mukavemetleri büyük ölçüde farklılık gösterse de, farklı çelik kaliteleri arasında bu değer çok az değişiklik gösterir.
Sertlik, çeliğin yüzeyinde meydana gelen yerel deformasyona karşı direncini ölçer ve sert bir indenterin yüzeye bastırılması ve ortaya çıkan iz ölçülmesi yoluyla belirlenir. Yaygın olarak kullanılan Brinell, Rockwell ve Vickers ölçeklerinin her biri farklı bir indenter ve yük kullanır; sertlik genellikle çekme mukavemeti ve aşınma direnciyle yararlı bir korelasyon gösterir, bu nedenle hızlı ve yaygın olarak kullanılan bir kalite kontrol yöntemidir.
Buna karşılık, tokluk, bir çeliğin özellikle ani darbe altında kırılmadan önce emebileceği enerjiyi ifade eder. Genellikle Charpy testi gibi darbe testleriyle ölçülür. Dayanıklılık özellikle önemlidir çünkü birçok çelik, düşük sıcaklıklarda kırılgan hale gelir; bu olaya "sünek-kırılgan geçişi" denir. Bu geçişi anlamak, normalde dayanıklı bir çeliğin aniden kırılabileceği soğuk ortamlarda çalışan yapılar için hayati önem taşır.
Birçok bileşen, tek bir büyük yük altında değil, zaman içinde tekrarlanan, daha küçük döngüsel yükler altında bozulur; bu sürece yorulma denir. Çelik, birçok kalitesinin bir yorulma veya dayanım sınırı sergilemesi bakımından dikkat çeker; bu sınırın altındaki gerilemde, çelikler arızalanmadan fiilen sınırsız yük döngüsüne dayanabilirler. Bu özellik, dönen şaftların, aksların, yayların ve sürekli döngüsel gerilime maruz kalan diğer bileşenlerin tasarımında hayati öneme sahiptir.
Çeliğin fiziksel özellikleri, yoğunluk, ısı iletkenliği, elastik modül ve Poisson oranı gibi malzemenin temel fiziksel özellikleriyle ilgilidir. Mekanik özelliklerin aksine, bu özellikler büyük ölçüde demir bazına bağlıdır ve farklı kaliteler arasında yalnızca az miktarda farklılık gösterir; bu nedenle, aşağıda verilen tipik değerler tasarım hesaplamaları için güvenilir başlangıç noktaları oluşturur.
Isı iletkenliği ve ısıl genleşme katsayılarındaki daha geniş aralıklar, alaşımlamanın etkisini yansıtmaktadır: östenitik paslanmaz çelikler gibi yüksek oranda alaşımlı kaliteler, ısıyı sade karbon çeliklerine göre daha az iletir ve daha fazla genleşir; bu durum, kaynak, ısıl işlem ve sıcaklık dalgalanmalarına maruz kalan bileşenler açısından pratik sonuçlar doğurur.
Yapısal çeliklerin seçiminde mukavemet ve sertlik ön plana çıkarken, paslanmaz çelik türlerinin belirleyici özelliği korozyon direncidir. Bu direnç, oksijenle reaksiyona girerek “pasif film” olarak bilinen ince, yüzeye sıkıca yapışan ve kendini onaran bir krom oksit tabakası oluşturan en az %10,5 civarındaki krom içeriğinden kaynaklanır. Yüzey çizildiğinde, bu film oksijen varlığında yeniden oluşur ve paslanmaz çeliğin kullanım ömrü boyunca kendini korumasını sağlar. Nikel ve molibden gibi katkı maddeleri, belirli ortamlarda direnci daha da artırır; bu nedenle paslanmaz çelikler, gıda işleme sektöründen denizcilik ve kimya sektörüne kadar uzanan çeşitli uygulamalar için tercih edilir.
Bu makale, çeliğin kullanım sırasında sergilediği performansı belirleyen mekanik ve fiziksel özellikleri ele almaktadır. “Çelik” serisindeki diğer kılavuzlar ise bu özelliklerin nereden kaynaklandığını ve nasıl tanımlandığını ele almaktadır. “Çelik Bileşimi” başlıklı kılavuz, çelikteki kimyasal elementlerin özellik potansiyelini nasıl belirlediğini açıklarken, “Çelik Sınıfları” başlıklı kılavuz ise malzemelerin, sizin belirlediğiniz ve satın aldığınız gruplara nasıl sınıflandırıldığını göstermektedir. "Çelik Spesifikasyonları" ve "Çelik Standartları" başlıklı kılavuzlar, özellik ve bileşim sınırlarını belirleyen belgeleri ve çerçeveleri ele alırken, "Çelik Eşdeğerleri" başlıklı kılavuzda farklı sistemlerdeki kaliteleri eşleştirirken özelliklerin nasıl karşılaştırıldığı açıklanmaktadır. Bu kılavuzlar bir arada, performansı bileşim, sınıflandırma ve bunların temelini oluşturan standartlarla ilişkilendirmektedir.
Çeliğin özellikleri genellikle mekanik özellikler (mukavemet, sertlik, süneklik ve tokluk gibi), fiziksel özellikler (yoğunluk, ısı iletkenliği ve elastik modül gibi) ve teknolojik özellikler (kaynaklanabilirlik, işlenebilirlik ve şekillendirilebilirlik gibi) olarak gruplandırılır.
Akma mukavemeti, çeliğin kalıcı olarak deforme olmaya başladığı gerilimdir ve tasarımda en sık kullanılan değerdir. Kesin çekme mukavemeti ise çeliğin kırılmaya başlamadan önce dayanabileceği maksimum gerilimdir. Çekme testi, bu iki değeri de süneklik ve sertlikle birlikte ölçer.
Young modülü, alaşımlama veya ısıl işlemden önemli ölçüde etkilenmeyen demir atom kafesinin sertliğini yansıtır. Bu değer, neredeyse tüm mühendislik çeliği kalitelerinde tutarlı bir şekilde 190 ile 210 GPa arasında yer alır. Bu, elastik yükleme altında gösterilen sapma davranışının kaliteden bağımsız olduğu anlamına gelir ve bu da yapısal tasarımı önemli ölçüde basitleştirir.
Bunlar, nihai mikro yapıyı şekillendiren kimyasal bileşim, işleme yöntemi ve ısıl işlem yoluyla kontrol edilir. Örneğin, karbon içeriğinin artırılması mukavemet ve sertliği artırırken sünekliği azaltır; tavlama, su verme ve temperleme gibi ısıl işlemler ise sertlik ve tokluk arasındaki dengeyi ayarlar.
Paslanmaz çelik, yüzeyinde ince, kendi kendini onaran bir krom oksit pasif tabakası oluşturan en az yaklaşık %10,5 krom içerir. Bu tabaka, altındaki metali sürekli olarak korur; nikel ve molibden gibi elementler ise daha agresif ortamlarda direnci artırabilir.