desno|mini|Čelična sajla koja se koristi u rudnicima uglja. Čelik je legura željeza i ugljika s ostalim elemenatima, te se općenito koristi u građevini i drugim granama zbog svoje visoke zatezne čvrstoće i niske cijene. Bazni metal, željezo, u mogućnosti je poprimiti dva kristalna oblika (alotropske forme), od kojih su: zapreminski centrirana kristalna rešetka (ZCK) i plošno (površinski) centrirana kristalna rešetka (PCK), zavisno o njegovoj temperaturi. To je interakcija onih alotropa s legirajućim elementima, primarno ugljikom, što daje čeliku i gvožđu čitav spektar jedinstvenih osobina. U zapreminski centriranoj kristalnoj rešetci, tu je i dodatni atom željeza u centru svake rešetke, a kod plošno centrirane rešetke postoji po jedan u centru svakog od šest površina kocke. Ugljik, drugi elementi i dodaci unutar željeza djeluju kao nosioci tvrdoće, koji sprječavaju kretanje dislokacija koje se inače pojavljuju u kristalnoj strukturi atoma željeza.
Ugljik kod tipičnih čeličnih legura može doprinijeti do 2,1% težine. Različiti iznosi legirajućih elemenata, njihovo prisustvo u čeliku bilo kao rastvorivih elemenata ili kao precipitacionih faza, usporavaju kretanje tih dislokacija koje čine željezo relativno duktilnim i slabim, te time kontroliše svoje kvalitete poput tvrdoće, duktilnosti, kao i zatezne čvrstoće rezultujućeg čelika. Čvrstoća čelika u odnosu na čisto željezo je moguća samo na račun duktilnosti željeza, čega željezo ima na pretek.
Iako je čelik bio proizvođen u plitkim pećima hiljadama godina, upotreba čelika je proširena ekstremno nakon efikasnije proizvodne metode koja je izumljena u 17. vijeku s proizvodnjom blister čelika, a zatim čeličnog liva. S pronalaskom Bessemer procesa sredinom 19. vijeka, nova era masovne proizvodnje čelika je započela. Pojavio se i Siemens-Martinov proces, a zatim Gilchrist-Thomasov proces koji je poboljšao kvalitet čelika. Sa ovim izumima, mehki čelik je zamijenio kovano željezo.
Dalje poboljšanje u procesu, poput LD postupka, u velikoj mjeri je zamijenilo ranije metode daljnjim spuštanjem cijene proizvodnje i povećanjem kvaliteta proizvoda. Danas, čelik je jedan od najčešćih materijala na svijetu, s više od 1,3 milijarde tona proizvodnje godišnje. To je glavna komponenta u zgradama, infrastrukturi, alatima, brodovima, automobilima, mašinama, aparatima i u oružju. Moderni čelik se općenito označava različitim oznakama koje definiraju organizacije za standarde.
Definicija Sadržaj ugljika u čeliku se uglavnom kreće između 0,002% i 2,1% u odnosu na ukupni (maseni) sastav. Ove vrijednosti variraju u zavisnosti od legirajućih elemenata poput mangana, hroma, nikla, volframa, ugljika itd. U osnovi, čelik je legura željezo-ugljik koja ne prolazi eutektičku reakciju. Za razliku od toga, gvožđe prolazi eutektičku reakciju. Premali sadržaj ugljika ostavlja (čisto) željezo mehkim, duktilnim i sa slabim mehaničkim osobinama. Sadržaj ugljika veći nego što je kod čelika formira leguru, poznatu kao sirovo gvožđe, koje je krhko (nije kovljivo). Dok je željezo legirano ugljikom nazvano ugljičnim čelikom, legirani čelik je čelik s ostalim legirajućim elementima koji su namjerno dodati da modificiraju osobine čelika. Najčešći legirajući elementi su: mangan, nikl, hrom, molibden, bor, titanij, vanadij, volfram, kobalt i niobij. Dodatni elementi su također važni u čeliku: fosfor, sumpor, silicij, a postoje i tragovi kisika, dušika i bakra, koji se često smatraju neželjenim.
Legure s višim udjelom ugljika od 2,1%, zavisno od udjela ostalih elemenata i eventualno obrade, poznate su kao gvožđe. Gvožđe nije kovno čak ni kad je vruće, ali se može formirati livenjem jer ima nižu tačku topljenja nego čelik i dobra svojstva livkosti. Određeni sastavi gvožđa, zadržavajući ekonomiju topljenja i livenja, mogu se termički obrađivati kako bi se napravio kovano gvožđe ili duktilno gvožđe. Čelik se također razlikuje od kovanog gvožđa (danas zastarjelog), koje može sadržavati male količine ugljka, ali velike količine šljake.
Osobine thumb|420px|Željezo-ugljik fazni dijagram, prikazuje stanja potrebna za formiranje različitih faza.
Željezo se obično može naći u zemljinoj kori u formi ruda, obično kao željezni oksid, kao magnetit, hematit itd. Željezo se ekstraktuje iz željezne rude uklanjanjem kisika kroz kombinaciju s poželjnim hemijskim partnerom, kao što je ugljik koji se gubi u atmosferu kao ugljik-dioksid. Ovaj proces, poznat kao topljenje, bio je primjenjivan na metale sa nižim tačkama topljenja, kao kalaj, koji se topi na oko 250 °C i bakar, koji se topi na oko 1100 °C i kombinacija, bronza, koja je tečna na manje od 1083 °C. U usporedbi, gvožđe se topi na oko 1375 °C. Male količine željeza su topljene u drevnim vremenima, u čvrstom stanju, zagrijavanjem rude zakopane u ugljenoj vatri i spajanjem grudvi zajedno pomoću čekića, cijeđenjem ga od nečistoća. Pažljivo se sadržaj ugljika mogao kontrolirati pomjeranjem toga oko vatre.
Sve ove temperature mogu se dostići drevnim metodama koje su korištene od bronzanog doba. S obzirom na to da se stopa oksidacije željeza naglo povećava iza 800 °C, važno je da se topljenje desi u okolini s malo kisika. Za razliku od bakra i kalaja, tečno ili čvrsto željezo rastvara ugljik prilično lahko. Topljenje, korištenjem uglljika da smanji željezne okside, rezultira legurom (sirovo gvožđe) koja zadržava previše ugljika da bi se nazvala čelikom. Ovaj višak ugljika i drugih nečistoća se uklanja u narednom koraku.
Ostali materijali se često dodaju u smjesu željezo/ugljik da proizvedu čelik željenih osobina. Nikl i mangan u čeliku doprinose zateznoj čvrstoći i prave austenitnu formu rastvora stabilnijom, hrom povećava tvrdoću i tačku topljenja, dok vanadij također povećava tvrdoću ali čini da bude manje sklon zamoru materijala.
Da se spriječi korozija, najmanje 11% hroma se dodaje u čelik tako da se tvrdi oksid formira ma površini metala; ovo je poznato kao nehrđajući čelik. Volfram ometa formiranje cementita, dopuštajući martenzitu da se prvenstveno formira pri nižim brzinama kaljenja, što rezultira brzoreznim čelikom. U drugu ruku, sumpor, dušik i fosfor čine čelik više krhkim, tako da se ovi često pronađeni elementi moraju ukloniti iz otopine čelika tokom procesa.
Gustoća čelika varira zavisno od legirajućih elemenata, ali često opseže između 7.750 i 8.050 kg/m3.
Čak i u uskom rasponu koncentracija mješavine ugljika i željeza koja čini čelik, može se formirati različit broj metalurških struktura s veoma različitim osobinama. Razumijevanje takvih osobina je uvjet za pravljenje kvalitenog čelika. Na sobnoj temperaturi, najstabilnija forma čistog željeza je zapreminski centrirana kristalna rešetka (ZCK), struktura zvana alfa željezo ili α-željezo. To je veoma mehak metal koji može razrijediti samo malu koncentraciju ugljika, ne višu od 0,005% na 0 °C i 0,021% mase na 723 °C. Uključak ugljika u alfa željezu zove se ferit. Na 910 °C čisto željezo se transformira u površinski centriranu kristalnu rešetku (PCK), zvanu gama željezo ili γ-željezo. Uključak ugljika u gama željezu se zove austenit. PCK struktura austenita može rastvoriti znatno više ugljika, čak i do 2,1%Izvori govore različito u odnosu na ove vrijednosti, tako da se zaokružuje na 2,1%, ipak stvarna vrijednost je više akademska, jer se čisti ugljični čelik veoma rijetko pravi sa ovim nivoom ugljika. Pogledati: —2.08%. —2.11%. —2.14%. (38 puta više od ferita) ugljika na 1148 °C, što odražava gornji sadržaj ugljika kod čelika, iza čega se nalazi gvožđe.. Kada se ugljik izdvaja iz rastvora sa željezom, formira veoma tvrd, ali krhak materijal zvani cementit (Fe3C).
Kada se čelici s tačno 0,8% ugljika (poznati kao eutektoidni čelik) ohlade, austenitna faza (PCK) smjese teži da se vrati u feritnu fazu (ZCK). Ugljik se više ne uklapa unutar PCK austenitne strukture, što dovodi do viška ugljika. Jedan način da ugljik napusti austenit jeste da se precipitira van rastvora kao cementit, ostavljajući iza sebe okolnu fazu ZCK željeza zvanog ferit koji može zadržati ugljik u rastvoru. To dvoje, ferit i cementit, precipitiraju istovremeno proizvodeći slojevitu strukturu zvanu perlit. U hipereutektioidnom sastavu (većem od 0,8% ugljika), ugljik će prvi precipitirati van kao veliki uključci cementita na granicama austenitnih zrna, te onda kada je sastav ostavljen iza eutektoid, formira se struktura perlita. Za čelike koji imaju manje od 0,8% ugljika (hipoeutektoid), ferit će se prvi formirati, dok preostali sastav ne bude 0,8% pri kojem će se formirati perlitna struktura. Na granicama se neće formirati veliki uključci cementita.. Gore navedeno pretpostavlja da je proces hlađenja vrlo spor, što omogućava dovoljno vremena da ugljik migrira.
Kako je brzina hlađenja povećana, ugljik će imati manje vremena da migrira kako bi formirao karbid na granicama zrna, ali će imati povećane količine perlita finije i finije strukture između zrna; otuda karbid se šire rasipa i djeluje da spriječi klizanje grešaka u tim zrnima, što rezultira otvrdnjavanjem čelika. Na veoma visokim brzinama hlađenja koje proizvodi kaljenje, ugljik nema vremena za migraciju, ali je zaključan u PCK austenita i formira martenzit. Martenzit je vrlo zategnut i napet prezasićeni oblik ugljika i željeza i izuzetno je tvrd, ali krhak. Zavisno od udjela ugljika, martenzitna faza poprima različite forme. Ispod 0,2% ugljika, dobija feritnu ZCK kristalnu formu, ali sa više udjela ugljika dobija zapreminski centriranu tetragonalnu (ZCT) strukturu. Osim toga, ne postoji promjena u sastavu, tako da atomi uglavnom zadržavaju svoje susjede..
Martenzit ima nižu gustoću (širi se) u odnosu na austenit, tako da transformacija izmežđu njih rezultira u promjeni zapremine. U ovom slučaju, dešava se ekspanzija. Unutarnji naponi od ove ekspanzije općenito uzimaju oblik kompresije na kristalima martenzita i napetost na preostalom feritu, sa većom količinom smicanja na oba konstituenta. Ako je kaljenje urađeno propisno, mogu se javiti unutarnji naponi tako da se dio polomi pri hlađenju. Na samom kraju, to uzrokuje mikroskopske nesavršenosti. Uobičajeno je da se naprsline kaljenja formiraju kada je čelik gašen, iako ne moraju uvijek biti vidljive.
Termička obrada Postoji više načina procesa termičke obrade dostupnih za čelik. Najčešći su opuštanje, gašenje i kaljenje. Termička obrada je efektivna na sastave iznad eutektoidnih sastava (hipereutektoid). Hipoeutektoidni čelik ne otvrdnjava od termičke obrade. Opuštanje je proces zagrijavanja čelika na dovoljno visoku temperaturu da se smanje unutarnji lokalni naponi. To ne stvara opće omekšavanje proizvoda, nego samo lokalno ublažava deformacije i napone zaključane unutar materijala. Ovaj proces ide kroz 3 faze: oporavak, rekristalizaciju, i rast zrna. Temperatura potrebna da opusti određeni čelik zavisi od tipa opuštanja koje treba postići, kao i od sadržaja legure..
Gašenje i kaljenje prvo uključuju zagrijavanje čelika do austenitne faze, a zatim gašenje u vodi ili ulju. Ovo naglo hlađenje rezultira tvrdoj, ali krhkoj martenzitnoj strukturi. Čelik se zatim kali, što je samo specijalizirani tip opuštanja, kako bi se smanjila krhkost. U ovom procesu opuštanja (kaljenja), proces transformira nešto martenzita u cementit, ili sferoidit i stoga smanjuje unutrašnja naprezanja i nedostatke. Rezultat je duktilniji čelik otporan na lomove..
Proizvodnja thumb|Sačma željezne rude za proizvodnju čelika.