ocel

Ocel je slitina železa s uhlíkem a legovacích prvků (mangan, chrom, wolfram, křemík aj.), ve které obsah uhlíku je menší než je jeho maximální rozpustnost v austenitu, což je 2,14%. Slitina železa s uhlíkem a jinými prvky s obsahem uhlíku větším než 2,14% se nazývá litina. Uhlík se železem vytváří různé strukturní součásti. ferit, austenit, cementit, perlit, ledeburit nebo martenzit.

 Vlastnosti

Celkově
Hustota oceli je 7,85 g/cm3. Pevnost v tahu Rm je běžně od 300 N.mm-2 do 1500 N.mm-2.

Ocel je nejpoužívanější konstrukční materiál. Existují materiály tvrdší, pevnější, odolnější, žárupevnější... ale žádný nemá takové vyvážené vlastnosti, - tvrdost, pružnost, pevnost a jednoduchost obrábění a recyklování. Žádný jiný materiál (s danými mechanickými a pevnostními vlastnostmi) se nedá tak dobře obrábět a tvarovat.

C/Fe fázový diagram, s podmínkami pro vytváření jednotlivých fází. Pro nekonečně pomalé změny teploty.

Železo a uhlík
Uhlík je nejvýznamnější legúra. Kvalita oceli nezávisí jen na obsahu uhlíku, ale také na způsobu tepelné úpravy.

Na obrázku jsou jednotlivé fáze:

α - čisté železo - alfa železo
γ - austenit
* - ledeburit
po † -ferit
nad † - perlit
I - tavenina
Na grafu je vidět tvz. V-čkovou charakteristiku, ta se vyskytuje u systémů, které jsou zcela rozpustné jen tekutém stavu a málo rozpustné ve stavu tuhém (viz eutektikum).

V podstatě se tento diagram dá rozložit na části:

Eutektická - pod taveninou, s eutektikálou na 1150 ° C, obsah uhlíku 4,3 %
Eutektoidní-tuhá přeměna fází, pod γ-oblastí, s eutektoidou na 723°C, obsah uhlíku 0,8%
Peritektická - poměrně malá oblast vlevo nahoře (delta krystaly) s peritektoidou kolem 1430 °C.
Tyto fáze se ale objevují jen při nekonečně pomalém ochlazování/ohřívání. Při rychlém ochlazování (kalení) vzniká např. martenzit, který zvyšuje tvrdost. Při pomalém ochlazování u austenitických ocelí se obvykle zvyšuje houževnatost.

Pro dynamické průběhy se používají TTT diagramy. Poloha TTT diagramů lze představit tak, že kolmo na binární diagram dáme ještě časovou osu ("vystupuje" z obrázku). Ty se dost silně mění podle obsahu uhlíku a legur. V těch se objevují i mezistupně jako např. bainit.

Výrazný vliv má mangan, který činí ocel austenitickou i při větším obsahu uhlíku a podpoří tvorbu martenzitu i při pomalém ochlazování.

Příliš mnoho uhlíku obecně zvyšuje křehkost, tedy. j. snižuje vrubovou houževnatost, tento problém se netýká obličejové litiny.

Přidává se buď ve formě nauhličovadel do taveniny nebo se nechá povrchově nasáknout do austenitizované oceli (např. při cementaci).

Legovací prvky
Bližší informace v hlavním článku: Legování
Při výrobě různých druhů ocelí (podle účelu) se používají různé legovací prvky (legury), které se přidávají do taveniny za účelem úpravy vlastností oceli. Legury se přidávají většinou přímo vhozením do železné taveniny. Někdy se legúra taví těžší než železo nebo opačně. Tam se buď používají triky, jako eutektizace, při které ale nevznikne čistá slitina. V případě nedostatečné rozpustnosti legury v tavenině oceli je nezbytné použít práškovou metalurgii. Říká se tomu také sinter.

Tvrdost
Tvrdost se zvyšuje legury: vanad – díky karbidaci, wolfram – extrémně tvrdé karbidy, dokáží ještě řezat i žhavé do červena
Pevnost
Pevnost se zvyšuje legúrami mangan, chrom, nikl, ale i dodatečnými mechanickými úpravami např. studené válcování a tepelnými úpravami např. kalení. Teoretická pevnost železa při ideální krystalické mřížce (výpočtená hodnota) je kolem 40000 N.mm-2. Nejpevnější ocel na trhu má 1500 N.mm-2.
Otěruvzdornost
Tato vlastnost je potřebná pro součástky namáhané odíráním (např. šachtové spoje) nebo u obráběcích nástrojů kde se opotřebovává ostří. Ke zlepšení této vlastnosti využíváme legúry: Uhlík - martenzit, ale i cementit, Kobalt, Vanád, Wolfram
Žáruvzdornost, žárupevnost
Obyčejná ocel ztrácí při tepelném zatížení (již při 300°C) vlastnosti - hlavně tvrdost a pevnost (motory, turbíny…). Žárupevnost se zlepší po přidání legur: nikl, wolfram, chrom, molybden, vanad. Nominální pracovní teplota pro takové oceli je od 300°C do 550°C. Oceli nad 550°C jsou již vysokoteplotní oceli. Nad 800°C je již většina ocelí nepoužitelná. V laboratorních podmínkách lze vyrobit ocel, která ještě při 1000°C má cca 500 N.mm-2, ale vyrábí se extrémně těžko (na více výrobních kroků a po tvrdém vymustrování).
Elasticita
Elasticita je vlastnost která udává, pokud možno ocel deformovat tak, aby se vrátila do původního stavu. Tuto vlastnost využíváme například. u pružin. Pro zlepšení elasticity se ocel leguje křemíkem.
Speciální legury
Hořčík - podporuje tvorbu kuličkového grafitu při tvárných litinách (litinách vlastnostmi podobných oceli), Berylium - Cu-Beslitiny oceli, zpomaluje únavu materiálu (při opakované změně zatížení), např. u pružin

Rozdělení oceli
Podle obsahu uhlíku
Podeutektoidní - s obsahem uhlíku pod 0,8%
Eutektoidní - 0,8% uhlíku
Nadeutektoidní - mezi 0,8 % a 2,06 %
Podle legování
Nízkolegované
Vysokolegované - nad 5% legovacích prvků
Podle uklidnění
Zklidněno - kyslík byl odstraněn
Neuklidněno
Podle použití
Automatové oceli - oceli určené pro dodatečné třískové obrábění
Ocele pro zušlechtění - oceli určené pro dodatečné tepelné zpracování
Cementační oceli - oceli určené ke zpevnění opotřebovávaných dílců. Málo legované nebo nelegované oceli s méně než 0,25% uhlíku, na povrchu se cementují (nauhličí) a zakalují. I po zakalení mají dobré plastické vlastnosti.
Konstrukční oceli - oceli pro stavební konstrukce a strojní, pro použití je rozhodující i ekonomičnost
Nitridační oceli - extrémně tvrdé a otěruvzdorné. Tvrdost 750 HV až 1200 HV.
Pružinové oceli - vysoká hranice elesticity.
Nekřehnoucí oceli (kryoocele) - oceli co pro nízké tepl. 

oty nekřehnou. Bez legování do -60°C, nízkolegované na -120°C a vysokolegované na -250°C.
Ložiskové oceli
Nástrojové oceli - oceli pro výrobu nástrojů, ať už pro třískové obrábění nebo ruční nářadí
Potravinářské oceli - speciální ušlechtilé oceli s nulovým obsahem těžkých kovů a škodlivých příměsí
Hlubokotažné oceli - oceli na lisované plechy pro výrobu karoserií aut. Většinou nízkouhlíkové oceli.

Současnost
Výroba
Základ
V současnosti se ocel vyrábí dvojí - buď se jako prvotní ocel (pouze její základ) vyrábí ve vysokých pecích. Vlastně jen syrové železo - to se pak zkujňuje a zklidňuje a pak se přidávají legury. Zde se používá LD-Konvertor nebo v poslední době Corex.

Siemensovy-Martinovy pece jsou dnes již beznadějně zastaralé.

Nebo se ocel přesně namíchá v elektrických pecích. Tato metoda je malo- a střednosériové produkci dost často používaná pro svou ekonomickou flexibilitu.

Donawitzova metoda (LD-Konvertor)
Do taveniny konvertoru se dlouhou tenkou trubkou - kopí - fouká 98% kyslík. Ještě se přidává šrot a ruda, aby se zredukoval podíl surového železa. Kyslík reaguje se železem a vzniká přitom oxid železa FeO, který spaluje nežádoucí příměsi a to v tomto pořadí:

Křemík - 2FeO + Si → SiO2 +2Fe
Mangan - FeO + Mn → MnO + Fe
Uhlík - FeO + C → CO + Fe
Fosfor - 5 FeO + 2P → P2O5 + 5Fe
Síra - 2 FeO + S → SO2 + 2 Fe
Při této metodě musí být ale ještě dodávána tavenina, aby dávka nevychladla. Hotová ocel se pak vylije z konvertoru do pánve k dalšímu zpracování. Max. kapacita konvertoru je cca. 250t.

Cenově skoro nejvýhodnější způsob výroby oceli pro velká množství.