آهن سنگین تر است یا فولاد و تفاوت آهن و فولاد در چیست؟
مقدمه
آهن و فولاد دو ماده ای هستند که به دلیل کاربرد گسترده شان در صنایع مختلف, توجه بسیاری را به خود جلب کرده اند. این دو ماده, اگرچه شباهت هایی دارند, اما تفاوت های بنیادی میان آن ها وجود دارد که تعیین کننده ی کاربرد و خواصشان در صنعت و زندگی روزمره است. در این مقاله به بررسی تفاوت های کلیدی میان آهن و فولاد, فرآیندهای تولید, خواص مکانیکی, کاربردها و اهمیت آن ها در جهان امروز خواهیم پرداخت. (جهت خرید و بررسی به قیمت تیرآهن مراجعه نمایید)
آهن چیست؟
آهن (Fe), یک عنصر شیمیایی و فلزی است که در جدول تناوبی با عدد اتمی 26 قرار دارد. آهن یکی از فراوان ترین عناصر موجود در زمین است و از سنگ های معدنی به دست می آید. این فلز در طبیعت بیشتر به صورت ترکیب با اکسیژن و سایر عناصر یافت می شود و به همین دلیل نیاز به فرآوری دارد تا به شکل خالص یا قابل استفاده در صنایع تبدیل شود. (جهت مطالعه بیشتر به تحلیل قیمت آهن مراجعه نمایید)
آهن خالص به دلیل ساختار بلوری خاص خود, بسیار نرم و انعطاف پذیر است و به ندرت به تنهایی مورد استفاده قرار می گیرد. برای بهبود خواص مکانیکی, معمولاً عناصر دیگری به آهن افزوده می شود یا فرآیندهای خاصی برای تبدیل آن به آلیاژهایی با مقاومت بالاتر انجام می شود.
فولاد چیست؟
فولاد یکی از مهم ترین آلیاژهای آهن است که با افزودن مقادیر مشخصی کربن (و گاهی سایر عناصر آلیاژی مانند کروم, نیکل, منگنز و…) تولید می شود. میزان کربن در فولاد معمولاً بین 0.2 تا 2 درصد است. این تغییرات کوچک در ترکیب شیمیایی, تأثیرات بزرگی بر خواص مکانیکی فولاد دارد و امکان تولید انواع مختلف فولاد برای کاربردهای خاص را فراهم می کند. (جهت مطالعه بیشتر به فولادهای آلیاژی مراجعه نمایید)
فولاد به دلیل مقاومت بالا, شکل پذیری خوب و قیمت مناسب, به یکی از اصلی ترین مواد مورد استفاده در ساختمان سازی, خودروسازی, صنایع دریایی, و بسیاری از زمینه های دیگر تبدیل شده است.
تفاوت های ساختاری و ترکیب شیمیایی
1. ترکیب شیمیایی:
- آهن به صورت خالص یا با مقادیر بسیار کمی از ناخالصی ها در دسترس است.
- فولاد حاوی مقدار مشخصی از کربن و گاهی عناصر دیگر است که باعث تقویت خواص مکانیکی آن می شود.
2. ساختار بلوری:
- آهن خالص ساختاری مکعبی با مرکزیت بدنه دارد که بسیار نرم و قابل انعطاف است.
- در فولاد, وجود کربن باعث تغییر ساختار بلوری آهن شده و سختی و استحکام آن را افزایش می دهد.
تفاوت های فرآیند تولید
تولید آهن: آهن از سنگ معدن آهن (هماتیت یا مگنتیت) در کوره بلند استخراج می شود. در این فرآیند, سنگ آهن با کک و آهک در دمای بسیار بالا واکنش داده و آهن خام یا چدن به دست می آید. آهن خام معمولاً حاوی مقادیر زیادی کربن (بیش از 4 درصد) و ناخالصی های دیگر است. (جهت خرید و بررسی به قیمت ورق سیاه مراجعه نمایید)
تولید فولاد: برای تولید فولاد, آهن خام تحت فرآیندهایی مانند “کوره اکسیژن پایه” یا “کوره قوس الکتریکی” قرار می گیرد. در این فرآیندها, میزان کربن و ناخالصی های موجود کاهش یافته و عناصر آلیاژی دیگر به ترکیب اضافه می شود. این تغییرات خواص فولاد را به طور قابل توجهی بهبود می بخشد.
خواص مکانیکی و فیزیکی
1. استحکام:
- فولاد به دلیل وجود کربن و سایر عناصر آلیاژی, استحکام بسیار بیشتری نسبت به آهن خالص دارد.
- آهن خالص نرم تر و کمتر مقاوم است.
2. انعطاف پذیری:
- آهن خالص به دلیل ساختار ساده تر خود, انعطاف پذیری بیشتری دارد.
- فولاد بسته به میزان کربن و نوع آلیاژ, می تواند انعطاف پذیری متفاوتی داشته باشد.
3. مقاومت در برابر خوردگی:
- آهن خالص در معرض هوا و رطوبت به سرعت زنگ می زند.
- برخی از انواع فولاد (مانند فولاد ضد زنگ) به دلیل وجود کروم و نیکل مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارند.
4. مقایسه چگالی
همان طور که مشاهده می کنیم, چگالی آهن خالص (7.87 گرم بر سانتی متر مکعب) کمی بیشتر از چگالی فولاد معمولی (7.85 گرم بر سانتی متر مکعب) است. اما این تفاوت بسیار ناچیز بوده و در کاربردهای روزمره اغلب به چشم نمی آید.
از لحاظ نظری, آهن خالص کمی سنگین تر از فولاد است, زیرا افزودن کربن و سایر عناصر به آهن باعث کاهش اندک چگالی می شود. این کاهش به دلیل اختلاف وزن مولکولی عناصر افزودنی نسبت به آهن است. با این حال, تفاوت بسیار کم است و در بسیاری از کاربردهای عملی قابل چشم پوشی است.
نکته مهم این است که چگالی فولاد به ترکیب شیمیایی آن بستگی دارد. برای مثال:
- فولاد ضدزنگ (Stainless Steel): این نوع فولاد به دلیل وجود عناصری مانند کروم و نیکل, چگالی بیشتری نسبت به فولاد معمولی دارد و می تواند به چگالی نزدیک به 8 گرم بر سانتی متر مکعب برسد.
- فولاد کم کربن: این نوع فولاد که کربن کمتری دارد, چگالی کمتری نسبت به فولاد پرکربن دارد.
کاربردهای آهن و فولاد
1. کاربردهای آهن:
- آهن خالص به دلیل نرم بودن و کمبود استحکام مکانیکی, به ندرت به تنهایی در صنایع استفاده می شود. با این حال, در تولید آهن رباها و برخی ابزارهای خاص به کار می رود.
- آهن خام یا چدن, که کربن زیادی دارد, در تولید قطعات سنگین مانند پایه های ماشین آلات و لوله های انتقال گاز استفاده می شود.
2. کاربردهای فولاد:
- ساختمان سازی: فولاد به دلیل استحکام و دوام بالا, در ساخت اسکلت های فلزی ساختمان ها, پل ها و سازه های بزرگ استفاده می شود.
- صنایع خودروسازی: بخش اعظم بدنه خودروها از فولاد ساخته می شود.
- لوازم خانگی: فولاد ضد زنگ به دلیل مقاومت در برابر خوردگی در تولید لوازم آشپزخانه مانند سینک, یخچال و ظروف کاربرد دارد.
- صنایع دریایی و هوایی: فولادهای خاص با استحکام بالا در کشتی سازی و صنایع هوافضا مورد استفاده قرار می گیرند.
مزایا و معایب آهن و فولاد
1. آهن:
• مزایا:
- به راحتی در طبیعت یافت می شود.
- فرآوری آن ساده است.
• معایب:
- استحکام و مقاومت کم.
- حساسیت بالا به زنگ زدگی.
2. فولاد:
• مزایا:
- استحکام و دوام بالا.
- قابلیت تغییر خواص از طریق افزودن عناصر آلیاژی.
- مقاومت به خوردگی در انواع خاص.
• معایب:
- تولید آن انرژی بر است.
- بسته به نوع, ممکن است گران تر از آهن باشد.
نوآوری ها در صنعت فولاد
در دهه های اخیر, پیشرفت های چشمگیری در تولید فولاد صورت گرفته است. امروزه انواع جدیدی از فولادها مانند فولادهای فوق العاده سبک, فولادهای فوق العاده سخت, و فولادهای مقاوم به حرارت توسعه یافته اند. این نوآوری ها باعث شده است که فولاد همچنان جایگاه خود را به عنوان ماده ای استراتژیک در صنایع مختلف حفظ کند.
نتیجه گیری
آهن و فولاد هر دو نقش حیاتی در توسعه تمدن بشری ایفا کرده اند. تفاوت های میان این دو ماده در ترکیب شیمیایی, خواص مکانیکی و کاربردهایشان, آن ها را به موادی اساسی در صنایع مختلف تبدیل کرده است. آهن به عنوان ماده ای پایه ای و فولاد به عنوان آلیاژی پیشرفته تر, در کنار هم دنیای مدرن را شکل داده اند.
شناخت بهتر این تفاوت ها و کاربردها می تواند به تصمیم گیری بهتر در استفاده از این مواد در پروژه های صنعتی و عمرانی کمک کند. با توجه به پیشرفت های اخیر در صنعت فولاد و توجه به مسائل زیست محیطی, به نظر می رسد که آینده این صنعت همچنان پررونق خواهد بود.
جهت مطالعه بیشتر به ویکی پدیا مراجعه فرمایید.
