Çelik kaliteleri, küresel çelik endüstrisinin malzeme kimliğini bildirmesine olanak tanıyan resmi bir mekanizmadır. Bir kalite tanımı, bir mühendise, alıcıya veya üreticiye hangi malzemeyle çalıştıklarını bildirir: malzemenin bileşim aralığı, beklenen özellik aralığı ve üretildiği standardı. İşlevsel bir kalite sistemi olmasaydı, malzeme izlenebilirliği ve teknik şartnameye uygunluk, anlamlı bir ölçekte imkansız olurdu.
Kalite sınıflandırması, farklı bölgelerde ve sektörlerde bağımsız olarak faaliyet gösteren standart geliştirme kuruluşları (SDO’lar) tarafından onlarca yıl boyunca geliştirilmiştir. Bunların başlıcaları, Amerika Birleşik Devletleri’nde ASTM ve AISI, Avrupa’da EN, Japonya’da JIS, Çin’de GB ve uluslararası düzeyde ISO’dur. Bu sistemler ayrı ayrı geliştiği için, aynı çelik farklı pazarlarda sıklıkla farklı isimlerle anılmaktadır; bu durum, uluslararası tedarik zincirlerinde çalışan mühendisler için sürekli bir çapraz referans sorunu yaratmaktadır.
Çelik kaliteleri için tek bir evrensel sınıflandırma sistemi bulunmamaktadır. Farklı sistemler, kullanım amacına ve bu sistemleri geliştiren standart kuruluşunun geleneğine bağlı olarak farklı özelliklere öncelik vermektedir. Uygulamada, kaliteler aşağıdakilerden birine veya birkaçına dayalı olarak sınıflandırılır:
Kimyasal bileşim, karbon çelikleri, düşük alaşımlı çelikleri ve paslanmaz çelikleri, içerdikleri alaşım elementlerinin türü ve miktarına göre ayıran en yaygın kriterdir. Üretim yöntemi, son işlem ve ürün şekli de bazı sistemlerde kullanılır; bu, örneğin sıcak haddelenmiş veya soğuk haddelenmiş gibi farklı şekillerde işlenen aynı bileşimin, önemli ölçüde farklı bir ürün ortaya çıkardığını gösterir. Mikro yapı, özellikle çeliğin faz yapısının (ferritik, perlitik, martensitik veya östenitik) uygulama için belirleyici bir özellik olduğu durumlarda kullanılan bir başka kriterdir. Mukavemet seviyesi, kalite tanımının kendisinin minimum akma mukavemetini kodladığı yapısal çelik sistemlerinde kullanılır. Çeliğin normalize, su verme ve temperleme işleminden geçirilmiş veya termomekanik olarak işlenmiş olarak tedarik edilip edilmediğine ilişkin ısıl işlem durumu da, özellikle basınçlı kap ve yüksek mukavemetli levha standartlarında bir sınıflandırma kriteri olarak kullanılır.
Uygulamada, eksiksiz bir kalite sınıfı tanımı bu boyutların birçoğunu aynı anda içerir. S355J2 gibi bir yapısal kalite tanımı, minimum akma mukavemetini, darbe enerjisi sınıfını ve teslimat koşulunu tek bir dizede kodlar. 4140 gibi bir AISI tanımı ise alaşım ailesini ve nominal karbon içeriğini kodlar. Kullanılan tanım sisteminin mantığını anlamak, bir kalite tanımını doğru bir şekilde okumak için bir ön koşuldur.
Karbon ve alaşımlı çeliklerde en yaygın olarak kullanılan birincil sınıflandırma, karbon içeriğine göre kaliteleri ayırır; zira karbon, mukavemet, sertlik ve kaynaklanabilirliği belirleyen başlıca değişkendir. Çoğu standart sisteminde üç geniş grup kabul edilmektedir.
Genellikle ağırlıkça %0,30'un altında karbon içeren düşük karbonlu çelikler, en yaygın olarak üretilen kategoridir. Bunlar arasında yumuşak yapı çelikleri, derin çekme için interstisyel içermeyen (IF) kaliteler, yüksek mukavemetli düşük alaşımlı (HSLA) kaliteler ve TRIP ve TWIP çelikleri gibi gelişmiş yüksek mukavemetli çelik aileleri bulunur. AISI sisteminde bu aralık, AISI 1005'ten yaklaşık AISI 1026'ya kadar olan kaliteleri kapsamaktadır. Bu çelikler kolayca kaynaklanabilir, şekillendirilebilir ve çok geniş bir ürün yelpazesinde mevcuttur.
Genel olarak %0,30 ile %0,60 arasında karbon içeren orta karbonlu çelikler, daha yüksek mukavemet gerektiren ve çeliğin genellikle ısıl işleme tabi tutulacağı durumlarda kullanılır. Dişliler, akslar, şaftlar ve demiryolu bileşenleri bu aralığa girer. AISI karbon çeliği sisteminde bu, yaklaşık olarak AISI 1029 ile AISI 1053 numaralarına karşılık gelir.
Karbon içeriği %0,60'ın üzerinde olan yüksek karbonlu çelikler, ısıl işlem sonrası sertlik ve aşınma direncinin öncelikli gereklilikler olduğu durumlarda tercih edilir. Yaylar, kesici aletler, tel halatlar ve aşınmaya dayanıklı bileşenler bu çeliklerin tipik uygulama alanlarıdır. AISI sistemi, bu aralıkta yaklaşık olarak AISI 1055'ten AISI 1095'e kadar uzanır.
EN standart sistemi kapsamındaki Avrupa sınıflandırması, çelik kalitelerini hem bileşimlerini hem de kullanım amaçlarını yansıtan farklı aileler halinde düzenler. S235 ve S275 gibi alaşımsız yapı çelikleri, öncelikle minimum akma mukavemetine göre tanımlanır ve inşaat ile genel imalat sektörlerinin temelini oluşturur. DC01'den DC06'ya kadar olan soğuk şekillendirme sınıfları, mukavemet yerine şekillendirilebilirliklerine göre sınıflandırılır. 25CrMo4 gibi alaşımlı çelikler, bileşimlerine göre belirlenir; kalite adı, ana alaşım elementlerini ve bunların yaklaşık konsantrasyonlarını kodlar. Paslanmaz çelikler, takım çelikleri, elektrik çelikleri ile sac ve şerit çelikleri, her biri kendine özgü tanımlama kurallarıyla ayrı sınıflandırma grupları oluşturur.
Takım çeliği ailesi, mühendislerin sık sık karşılaştıkları sistemler arası karmaşıklığı ortaya koymaktadır. AISI/SAE W110 gibi bir kalite, hem EN sisteminde (EN 1.1545 olarak) hem de AISI/SAE sisteminde yer almaktadır ve benzer çapraz referanslar tüm takım çeliği yelpazesinde geçerlidir. Aynı paralel tanımlama modeli tüm kalite aileleri için geçerlidir; bu nedenle, sistemler arasında çapraz referans yapabilme yeteneği pratikte büyük önem taşımaktadır.
Sınıflandırma sisteminin sıklıkla göz ardı edilen bir yönü, aynı sınıf tanımının, hangi standardın ve hangi alt spesifikasyonun geçerli olduğuna bağlı olarak oldukça geniş bir özellik aralığını kapsayabilmesidir. 34CrMo4 alaşımlı çelik sınıfı bu konuda iyi bir örnektir. Bu sınıf hem DIN hem de EN sistemlerinde belirtilmiştir ve yalnızca EN ailesi içinde bile farklı ürün biçimlerini ve ısıl işlem koşullarını kapsayan, her biri farklı özellik gereksinimlerini belirten çok sayıda alt spesifikasyon bulunmaktadır. Tüm alt spesifikasyonlar genelinde, çekme mukavemeti değerleri aynı sınıf adı altında üç kat veya daha fazla farklılık gösterebilir.
Bu bir istisna değildir; aynı bileşimin, farklı işleme ve ısıl işlemlerden geçirilmesi sonucunda gerçekten farklı mekanik performanslar ortaya çıkardığı gerçeğini yansıtmaktadır. Mühendisler için bunun pratikteki sonucu, sadece bir kalite adını belirtmenin yetersiz olduğudur. Tedarik edilen malzemenin tasarım amacına uygun olmasını sağlamak için, geçerli standart, alt şartname ve gerekli teslim koşullarının tümü tanımlanmalıdır.
Bu makale, çelik kalitelerinin nasıl sınıflandırıldığını, adlandırıldığını ve ailelere göre nasıl düzenlendiğini açıklamaktadır. “Çelik” serisindeki ilgili kılavuzlar, konuyla ilgili ayrıntılı bilgileri sunmaktadır. “Çelik Bileşimi” başlığı, her bir kalitenin temelini oluşturan kimyasal elementleri ortaya koyarken, “Çelik Özellikleri” başlığı ise bir kaliteden beklenen mekanik ve fiziksel davranışları ele almaktadır. "Çelik Şartnameleri", kalite gerekliliklerini tanımlayan tüm teknik belgeleri açıklarken, "Çelik Standartları" bu belgelerin yer aldığı çerçeveyi ele almaktadır. "Çelik Eşdeğerleri" ise farklı ulusal sistemlere ait kalitelerin nasıl karşılaştırıldığını ve çapraz referanslandığını açıklamaktadır. Bu kılavuzlar bir arada, kalite sınıflandırmasını ona anlam kazandıran bileşim, özellikler, şartnameler ve standartlarla ilişkilendirmektedir.
Çelik kalitesi, bir çeliğin bileşim sınırlarını, beklenen mekanik özelliklerini ve üretildiği standardı tanımlayan resmi bir sınıflandırmadır. Sınıflandırma, sisteme bağlı olarak farklı bilgileri içerir: Avrupa yapısal standartlarında genellikle minimum akma mukavemeti ve tokluk sınıfını içerir; AISI karbon çeliği sisteminde alaşım ailesini ve karbon içeriğini belirtir; EN alaşımlı çelik sınıflandırmalarında ise ana alaşım elementlerini ve yaklaşık konsantrasyonlarını gösterir. Bir kalite sınıfı tanımını doğru bir şekilde okumak, o sınıfın ait olduğu sistemin kurallarını anlamayı gerektirir.
Kalite sınıflandırma sistemleri, ulusal ve bölgesel standart kuruluşları tarafından onlarca yıl boyunca bağımsız olarak geliştirilmiştir; her biri kendi bölgesinin endüstriyel önceliklerini, malzeme geleneklerini ve yasal düzenlemelerini yansıtmaktadır. Bu sistemler ortak bir çerçeveden ziyade ayrı ayrı geliştiği için, aynı çelik ASTM, EN, JIS ve diğer sistemlerde sıklıkla farklı şekilde sınıflandırılmaktadır. ISO aracılığıyla uluslararası düzeyde gerçekleştirilen uyumlaştırma, bu karmaşıklığın bir kısmını ortadan kaldırsa da, yerleşik ulusal sistemlerin yerini almamıştır.
Bir çelik kalitesi, malzemeyi bileşim grubu ve tanımlamasına göre tanımlar. Bir teknik şartname ise, malzemenin karşılaması gereken gereklilikleri tanımlayan eksiksiz bir teknik belgedir; bu gereklilikler arasında bileşim sınırları, minimum mekanik özellikler, test gereklilikleri, boyutsal toleranslar ve işaretleme gereklilikleri yer alır. Tek bir kalite, birden fazla teknik şartnamede yer alabilir; her bir şartname, ürünün şekline veya uygulamasına bağlı olarak farklı gereklilikler getirir.
Evet, ve bu sıkça görülen bir karışıklık kaynağıdır. Aynı kalite adı, birden fazla standartta veya alt spesifikasyonda yer alabilir; her biri, ürün şekli, kesit kalınlığı veya ısıl işlem koşullarına bağlı olarak farklı mekanik özellik gerekliliklerini tanımlar. Örneğin, 34CrMo4 kalitesi, yalnızca EN sistemi içinde bile birçok alt spesifikasyonu kapsamaktadır ve bu spesifikasyonlar arasında özellik değerleri önemli ölçüde farklılık göstermektedir. İlgili standart ve koşul belirtilmeden bir kalite adının belirtilmesi, malzeme gereksinimini tam olarak tanımlamak için yeterli değildir.
Farklı standartlar kapsamında yayınlanan kalite sınıfları arasındaki eşdeğerlik, bileşim sınırları ve mekanik özellik gerekliliklerinin doğrudan karşılaştırılmasıyla değerlendirilir. İsim benzerliği güvenilir bir gösterge değildir.