mini|500px|Različiti profili izrađeni od konstrukcijskog čelika. mini|300px|Čelični I-profil, koji nosi konstrukciju zgrade. mini|300px|Željeznički most kod Siska. mini|300px|Konstrukcijski čelik treba biti zavarljiv. mini|300px|Kardanski prijenos s dva kardanska zgloba i kardanskom osovinom. mini|300px|U brogogradnji je sve veća primjena mikrolegiranih čelika. mini|300px|Kaljeni čelik nakon popuštanja. Različite boje pokazuju temperature na koje je čelik bio zagrijan. Svijetlo žuta boja na lijevoj strani prikazuje temperaturu od 204 °C, a svijetlo plava boja na desnoj strani pokazuje temperaturu od 337 °C. mini|300px|Kopija revolvera Colt 1873, na kojoj se vide boje od otvrdnjavanja površine čelika. mini|300px|Lisnate savojne opruge u sloju na vozilu ili gibanj. mini|300px|Krivulja hlađenja čistog željeza. mini|300px|Posuda od nehrđajućeg čelika. mini|300px|Rotorni bager. mini|300px|Vodocijevni kotao za termoelektranu. mini|300px|Charpyjevo klatno u labaratoriju za ispitivanje udarne radnje loma materijala, što je mjera je za žilavost materijala.
Konstrukcijski čelik je ugljični čelik (obični ili plemeniti) s udjelom ugljika manjem od 0,6% (maseni udio) ili legirani čelik (uglavnom s manganom, silicijem, kromom, niklom, volframom). Upotrebljavaju se za izradu čeličnih konstrukcija, sastavnih dijelova strojeva, aparata i različitih uređaja. Razlikuju se obični (ugljični ili niskolegirani) čelici za opću masovnu upotrebu i plemeniti (rafinirani) ugljični ili legirani čelici za dijelove s većim zahtjevima (dijelovi strojeva itd.).
Konstrukcijski čelici se primjenjuju kod izrade karakterističnih konstrukcijskih dijelova strojeva i uređaja. Najčešće služe za izradu vratila, osovina, zupčanika, nosača opruga, vijaka, poklopaca, ventila, kućišta itd. S obzirom na mehanička svojstva, konstrukcijski čelici moraju imati visoku granicu razvlačenja, dovoljnu plastičnu deformabilnost (radi izbjegavanja pojave krhkog loma), visoku granicu puzanja i čvrstoću pri povišenim temperaturama, te zadovoljavajuću žilavost i dinamičku izdržljivost. Pored toga, konstrukcijski čelici moraju biti otporni na trošenje i koroziju, te obradivi odvajanjem čestica (rezanje), zavarljivi, skloni hladnom oblikovanju (savijanje, štancanje, duboko vučenje) itd.
Vrste konstrukcijskih čelika Općenito se konstrukcijski čelici mogu podijeliti na ugljične (nelegirani) i legirane. Konstrukcijski čelici (nelegirani i legirani koji sadrže ugljika manje od 0,60%) često se primjenjuju za izradu strojeva i uređaja koji rade u neagresivnim sredinama i pri temperaturama od -25 do 300 °C, kao i za nosive i građevinske konstrukcije.
Ugljični konstrukcijski čelici Ugljični ili nelegirani čelici običnog kvaliteta svrstavaju se pretežno prema mehaničkim svojstvima, te se rabe za slabije opterećene dijelove strojeva, uređaja, vozila ili za šipke i rešetke (npr. čelik S185). Svi nelegirani čelici običnog kvaliteta primjenjuju se u sirovom stanju (bez toplinske obrade)."Strojarski priručnik", Bojan Kraut, Tehnička knjiga Zagreb 2009.
Opći konstrukcijski čelici Opći konstrukcijski čelici obuhvaćaju najširu grupu konstrukcijskih čelika, a najčešće se primjenjuju kod nosivih zavarenih konstrukcija velike mase. Ova skupina čelika najčešće se upotrebljava za izradu mostova, dizalica, nosača, brodskih konstrukcija, dijelova vozila, opreme u industriji nafte i plina i dr. Opći konstrukcijski čelici dijele se na: ugljične čelike za nosive konstrukcije i čelike za strojogradnju.
Ugljični čelici za nosive konstrukcije Čelici za nosive konstrukcije trebaju ispuniti određene zahtjeve u pogledu nosivosti i sigurnosti. Navedeni zahtjevi mogu se ostvariti ako čelik ima dovoljno visoku granicu razvlačenja, vlačnu i tlačnu čvrstoću, savojnu čvrstoću, smičnu čvrstoću i žilavost. Zavarljivost spada među glavna tehnološka svojstva koje trebaju posjedovati čelici za nosive konstrukcije. Preduvjet za dobru zavarljivost je što niža vrijednost ekvivalenta ugljika (CE): CE = %C + %Mn/4 + (%Cr + %Mo + %V)/5 + (%Ni + %Cu)/10 Vrijednost ekvivalenta ugljika prihvatljiva za čelike za nosive konstrukcije iznosi CE < 0,4.
Budući da kod ove skupine čelika kemijski sastav nije zajamčen, te zbog veće prisutnosti nečistoća u odnosu na ostale čelike, opći konstrukcijski čelici nisu predviđeni za toplinsku obradu. Čelici za nosive konstrukcije uglavnom se dijele na osnovi vrijednosti granice razvlačenja i udarne radnje loma. Označavanja konstrukcijskih čelika je uobičajeno prema normi EN 10027-1.
Čelici za nosive konstrukcije posjeduju granicu razvlačenja od 190 do 370 N/mm2, vlačnu čvrstoću od 330 do 700 N/mm2, te istezanje od 10 do 28%. Iznos granice razvlačenja je viši ako je viši sadržaj ugljika i udio perlita u mikrostrukturi. Čvrstoća se može povisiti dodatkom mangana i silicija (mangan mora biti < 1,65% jer povisuje prokaljivost). Porastom omjera Mn/C raste i udarna radnja loma. Čelici za nosive konstrukcije uglavnom se primjenjuju u temperaturnom području od -40 °C do +50 °C. Uobičajeni čelici ove skupine prema EN 10027 su: S235 (Č. 0270), S355J2G3 (Č. 0563).
Čelici za strojogradnju Čelici za strojogradnju se primjenjuju za strojne dijelove koji se gibaju u odnosu na druge dijelove stroja ili prenose sile i momente. Najčešće se primjenjuju za izradu osovina u kliznim ležajevima, vretena, slabije opterećenih zupčanika, te raznih klinova, vijaka, ručica, poluga i sl. U pogledu zavarljivosti i žilavosti prema čelicima za strojogradnju nema nikakvih zahtjeva. Ova skupina konstrukcijskih čelika slabije je zavarljiva zbog viših udjela ugljika, ali iskazuje višu vlačnu čvrstoću (500 – 700 N/mm2) i nižu istezljivost (10 – 20%) od čelika za nosive konstrukcije. Iako imaju viši sadržaj ugljika nisu namijenjeni za kaljenje. Uobičajeni čelici ove skupine prema EN 10027 su: E295 (Č. 0545) s oko 0,3% C, E335 (Č. 0645) s oko 0,4% C, te E360 (Č. 0745) s oko 0,5% C."Tehnička enciklopedija", glavni urednik Hrvoje Požar, Grafički zavod Hrvatske, 1987.
Sitnozrnati mikrolegirani čelici povišene čvrstoće
Povećanje čvrstoće čelika, uz istovremenu uštedu legirajućih elemenata, ostvaruje se primjenom postupka mikrolegiranja. Mikrolegiranje se upotrebljavaju ponajprije kod izrade konstrukcijskih čelika koje karakterizira visoka granica razvlačenja, zadovoljavajuća plastičnost, neznatna sklonost krhkom lomu, te dobra zavarljivost. Razvoj zavarljivih konstrukcijskih čelika započinje krajem 20-ih godina 20. stoljeća. U početku proizvodnje takvih čelika osnovni cilj bio je povećanje čvrstoće, odnosno granice razvlačenja. Međutim, polazeći od sve naglašenijih potreba za uštedom materijala i energije u posljednje vrijeme sve se veći značaj usmjerava prema žilavosti, zavarljivosti i sposobnosti oblikovanja.
Za sve moderne visokočvrste zavarljive čelike karakteristično je da su mikrolegirani s niobijem, vanadijem, titanijem ili nekim drugim mikrolegirajućim elementom. Razlika u odnosu na uobičajen sastav konstrukcijskih čelika je u relativno niskom sadržaju ugljika i dodatku mikrolegirajućeg elementa. Sadržaj mikrolegirajućeg elementa u mikrolegiranim čelicima iznosi od 0,01 do 0,1%, a sadržaj ugljika je vrlo nizak (0,02 – 0,20%). Mikrolegirajući elementi ne mijenjaju osnovnu vrstu čelika tj. nelegirani čelik ostaje nelegiran, niskolegirani čelik ostaje niskolegiran.
Mikrolegirani normalizirani sitnozrnati čelici Sitnozrnati čelici su razvijeni ponajprije iz čelika za nosive konstrukcije, kao što su S355J0G3 (Č. 0562) i S355J2G3 (Č. 0563). Budući da su umireni aluminijem i silicijem, imaju sitniju feritno-perlitnu mikrostrukturu, te zadovoljavajuću zavarljivost. Povišenjem udjela perlita (viši udio ugljika) može se postići visoka čvrstoća, ali tada opada zavarljivost i žilavost. Daljnim razvojem ove skupine čelika dodavani su mangan, nikal i krom kao legirajući elementi radi povišenja čvrstoće mehanizmom očvršćivanja pomoću kristala mješanaca (ferita). Međutim, posljedica takvog načina povišenja čvrstoće su pogoršana tehnološka svojstva (raste sklonost zakaljivanju pri zavarivanju).
Poboljšani sitnozrnati čelici Poboljšani sitnozrnati čelici razvijeni su u trećem stadiju razvoja čelika za nosive konstrukcije. Glavna karakteristika ovih čelika je da su kaljeni u vodi s temperature oblikovanja, te dodatno popušteni pri temperaturi 680 – 710 °C. Zahtjevi u pogledu mogućnosti dobrog zavarivanja ove skupine čelika uvjetovali su da svi čelici iz ove skupine konstrukcijskih čelika sadrže ispod 0,2% ugljika. Niskougljični martenzit je najpogodniji za postizanje zadovoljavajuće kombinacije čvrstoće i žilavosti. U odnosu na feritno-perlitnu i bainitnu mikrostrukturu, martenzit je izrazito neosjetljiv na krhki lom.
Konstrukcijski čelici s niskim sadržajem perlita ili bez perlita Osim klasičnih postupaka proizvodnje konstrukcijskih čelika u drugoj polovici 20. stoljeća, razvijena je nova tehnologija koja je obuhvaćala i toplinsku obradu, pa je takav postupak nazvan termomehanička obrada. Takvim načinom proizvedeni čelici već u valjanom stanju, posjeduju povoljnu granicu razvlačenja i otpornost prema krhkom lomu. Međutim, termomehanička obradba je djelotvorna samo ako je sadržaj ugljika vrlo nizak, pa ne utječe na povišenje čvrstoće. Takvi čelici predstavljaju treću skupinu zavarljivih konstrukcijskih čelika povišene čvrstoće, koja se od prve dvije grupe (normalizirani, poboljšani) razlikuje po kemijskom sastavu, načinu proizvodnje i mehanizmu povišenja čvrstoće.
Konstrukcijski čelici namijenjeni primjeni pri ≈ 20 °C Čelični proizvodi izrađeni od čelika iz ove skupine konstrukcijskih čelika(zajamčen sastav i svojstva) prije primjene podvrgavaju se postupku kaljenja, tj. pretvorbi austenita u ugljični martenzit. Ako se zakaljeni proizvod popušta nisko (<250 °C) njegovo stanje se naziva kaljenim, a ako se popušta visoko (>500 °C) stanje mu se naziva poboljšanim. Učinak kaljenja procjenjuje se pomoću zakaljivosti i prokaljivosti čelika. Zakaljivost predstavlja sposobnost čelika da gašenjem poprimi što višu tvrdoću, a prokaljivost predstavlja sposobnost što jednoličnije tvrdoće.
Čelici za cementaciju Čelici za cementaciju predstavljaju konstrukcijske čelike kojima se nakon obrade odvajanjem čestica pougljičava rubni sloj. Nakon pougljičavanja rubnog sloja provodi se kaljenje kako bi se postigla visoka otpornost na trošenje rubnih slojeva, te povišena žilavost nepougljičene jezgre. Čelici za cementaciju uglavnom sadrže 0,1 – 0,2% ugljika prije pougljičavanja, a mogu biti ili nelegirani ili niskolegirani. Nakon pougljičenja rubni sloj sadrži 0,8 – 0,9% ugljika, te se zakaljivanjem postiže tvrdoća 61 – 64 HRC.
Čelici za poboljšavanje Čelici za poboljšavanje pripadaju skupini nelegiranih ili niskolegiranih konstrukcijskih čelika koji kaljenjem i visokim popuštanjem (> 500 °C) postižu odgovarajuću granicu razvlačenja, vlačnu čvrstoću i žilavost. Kaljenjem se nastoji postići što potpunija martenzitna mikrostruktura po presjeku, tj. što viša prokaljenost. Ova skupina čelika sadrži 0,25 – 0,60% ugljika koji utječe na njihovu zakaljivost. U čelike za poboljšanje ubrajaju se i čelici za cementaciju koji nisu pougljičeni, ali su kaljeni s temperature austenitizacije jezgre, te popušteni pri temperaturi oko 200 °C ili iznad 500 °C.
Čelici za opruge
Glavni zahtjev koji se postavlja pred čelike za opruge je da pod djelovanjem radnog opterećenja postignu traženu elastičnu deformaciju. U pogledu elastičnih deformacija svi čelici ostvaruju jednako opružno djelovanje koje je posljedica istog modula elastičnosti i modula smičnosti u slučaju torzijski (uvijanje) opterećenih opruga. Iz toga slijedi da će svaki čelik imati isto opružno djelovanje dok mu je naprezanje niže od granice razvlačenja. Povećanje opterećenja koje opruga može izdržati postiže se proširenjem područja elastičnosti, tj. što višom granicom razvlačenja i granicom elastičnosti. Povišenje granice razvlačenja može se postići povišenjem masenog udjela ugljika, te legiranjem sa silicijem, manganom, kromom i vanadijem.