8 تفاوت فولاد و آهن

برای درک تفاوت فولاد و آهن، نیاز است ابتدا هرکدام را بهتر بشناسید. آهن، با نماد شیمیایی (Fe)، یک عنصر فلزی خالص است. اگر به طبیعت نگاه کنید، آهن یکی از فراوان‌ترین عناصر موجود در پوسته زمین بوده و ما آن را به صورت خالص پیدا نمی‌کنیم؛ آن را از سنگ‌های معدنی (مثل سنگ آهن) استخراج می‌کنیم. سپس، پس از فرآیند ذوب و جداسازی ناخالصی‌ها، آهن خام به دست می‌آید.

ساختار آهن خالص، بسیار نرم و انعطاف‌پذیر است. این نرمی باعث می‌شود که نتواند بارهای کششی سنگین را تحمل کند. به علاوه، آهن خالص تمایل بسیار زیادی به ترکیب شدن با اکسیژن دارد و به سرعت زنگ می‌زند. 

از طرفی، فولاد، در مقابل آهن، یک عنصر خالص نیست؛ بلکه یک آلیاژ است. فولاد ترکیبی است که عنصر اصلی آن آهن است و عنصر مهم دیگری که به آن اضافه می‌شود، کربن نام دارد. فولاد زمانی تولید می‌شود که مقدار کنترل‌شده‌ای از کربن، به آهن مذاب اضافه شود. در ادامه با میهن فولاد همراه باشید تا مفصل، تفاوت فولاد و آهن را بررسی کنیم.

1. تفاوت فولاد و آهن در ترکیب شیمیایی

اصلی‌ترین تفاوت فولاد و آهن، همانطور که گفتیم، در ترکیب داخلی‌شان است. آهن یک فلز با خلوص بالاست، در حالی که فولاد یک ترکیب آلیاژی است.

این اتم‌های کوچک کربن هستند که از جابه‌جایی راحت اتم‌های آهن جلوگیری می‌کنند و در نتیجه، ماده در برابر نیروهایی که می‌خواهند شکل آن را تغییر دهند، مقاومت بیشتری نشان می‌دهد.

2. استحکام و مقاومت کششی

یکی از دلایل اصلی که فولاد در ساخت پل‌ها و ماشین‌آلات سنگین به کار می‌رود، استحکام فوق‌العاده آن است. فولاد می‌تواند بارهای کششی (نیروهایی که ماده را به سمت کشش می‌برند) را بسیار بهتر از آهن تحمل کند.

در تفاوت فولاد و آهن، قوی‌تر بودن فولاد به‌خاطر کربن و فرآیند تولید آن است. وقتی فولاد نورد می‌شود یا تحت عملیات حرارتی قرار می‌گیرد، ساختار داخلی آن بسیار دانه ریزمی‌شود. این دانه‌های ریز، مرزهای زیادی بینشان وجود دارد. این مرزها مانند دیوارهایی عمل می‌کنند که جلوی شکستن و تخریب سریع ماده را می‌گیرند. به همین دلیل، فولاد در برابر تنش‌ها و ضربه‌های شدید، بسیار مقاوم‌تر از آهن ساده است که ساختار داخلی ضعیف‌تری دارد.

3. مقاومت در برابر خوردگی و زنگ‌زدگی

در محیط‌های مرطوب، تفاوت فولاد و آهن به خوبی معلوم می‌شود. آهن خالص و فولاد کربنی معمولی، هر دو در برابر رطوبت و اکسیژن آسیب‌پذیرند. آهن در تماس با آب و هوا به سرعت واکنش داده و اکسید آهن یا همان زنگ را تشکیل می‌دهد که ساختار فلز را نابود می‌کند. اما فولاد قابلیت ضد زنگ بودن را دارد. زمانی که به فولاد، حداقل % 10.5کروم اضافه می‌شود، کروم یک لایه نازک و نامرئی از اکسید کروم روی سطح فولاد ایجاد می‌کند. این لایه مانند یک سپر محافظ عمل کرده و از زنگ‌زدگی جلوگیری می‌کند. به همین دلیل، در محیط‌هایی که با آب سروکار دارند، مثل آشپزخانه‌ها یا تجهیزات دریایی، فولاد ضد زنگ اولویت اول است.

4. شکل‌پذیری، چکش‌خواری و جوش‌پذیری 

این ویژگی در تفاوت فولاد و آهن، به توانایی ماده برای تغییر شکل بدون شکستن اشاره دارند و برای تولید قطعات، بسیار مهم هستند. آهن خالص به‌خاطر نرمی، چکش‌خواری نسبتا خوبی دارد، یعنی می‌توان آن را به راحتی کوبید و شکل داد. اما فولاد، به خصوص انواع کم‌کربن آن، تعادل بهتری میان استحکام و شکل‌پذیری ارائه می‌دهد. 

فولاد را می‌توان در دماهای بالا نورد و خم کرد تا به شکل‌های پیچیده درآید، و سپس پس از سرد شدن، استحکام بالایی داشته باشد. با این حال، یکی از مواردی که در بحث تفاوت فولاد و آهن باید بدانید، این است هر چقدر کربن فولاد بیشتر شود، سخت‌تر و شکننده‌تر می‌شود و جوش دادن آن دشوارتر است. بنابراین برای جوشکاری‌های مهم، بیشتر از فولادهای کم‌کربن استفاده می‌شود.

5. دمای ذوب و خواص حرارتی

نقطه ذوب یک فلز نیز وابسته به ترکیب آن است. به طور کلی، هر چقدر کربن بیشتری در آلیاژ آهن باشد، نقطه ذوب آن پایین‌تر می‌آید. فولاد (با کربن متوسط)، نقطه ذوبی بالاتر از چدن دارد اما در تفاوت فولاد و آهن، مقدار آن جزئی است. این ویژگی دمایی، در تعیین فرآیندهای تولید، مانند ریخته‌گری، اهمیت بالایی دارد و مهندسان را وادار می‌کند تا برای هر کدام، از تجهیزات و کوره‌های مخصوص استفاده کنند.

6. وزن و چگالی نسبی 

اگرچه هم آهن و هم فولاد مواد سنگینی هستند و چگالی در تفاوت فولاد و آهن، تقریبا یکسان است(حدود 7.87 گرم بر سانتی‌متر مکعب)، اما معیار مهم‌تر، نسبت استحکام به وزن محسوب می‌شود. از آنجایی که فولاد به مراتب قوی‌تر از آهن خالص است، برای تحمل یک بار مشخص، به حجم و در نتیجه وزن کمتری از فولاد نیاز داریم. به عبارت دیگر، یک سازه فولادی می‌تواند به اندازه یک سازه آهنی بار ببرد، در حالی که سبک‌تر باشد. 

7. هزینه و قیمت

به‌طور معمول، فولاد به‌خاطر فرآیند تولید پیچیده‌تر، نیاز به کنترل‌های دقیق‌تر کیفی و افزودن عناصر آلیاژی گران‌قیمت (مانند کروم)، قیمت بالاتری نسبت به آهن خام یا چدن دارد. با این حال، در پروژه‌های بلندمدت، دوام و عمر طولانی فولاد، نیاز بسیار کمتر به تعمیر و نگهداری، و مقاومت آن در برابر خوردگی، باعث می‌شود که از نظر اقتصادی، استفاده از فولاد مقرون به صرفه‌تر باشد. در حقیقت، هزینه اولیه بالاتر فولاد، نوعی سرمایه‌گذاری برای جلوگیری از هزینه‌های آتی نگهداری است.

8. تفاوت فولاد و آهن در کاربرد 

همانطور که خواص تغییر می‌کنند، زمینه‌های استفاده نیز متفاوت می‌شوند. بنابراین، در تفاوت فولاد و آهن، کاربرد از دیگر مسائل قابل مقایسه است.

کاربرد آهن 

آهن خام امروزه بیشتر به عنوان ماده اولیه اصلی برای تولید فولاد و چدن مورد استفاده قرار می‌گیرد. چدن که مقدار کربن بالایی دارد، به‌خاطر مقاومت عالی در برابر سایش و مقاومت بالا در برابر نیروی فشاری، در تولید قطعاتی مثل رادیاتورها، لوله‌های صنعتی و بلوک موتورها کاربرد پیدا می‌کند.

کاربردهای فولاد در ساختمان‌سازی و صنعت (میلگرد، تیرآهن، ورق)

قبلا در مورد کاربردهای فولاد مفصل صحبت کرده‌ایم؛ اما برخی از کاربردهای انواع فولاد شامل:

• مهندسی عمران: تولید میلگرد، تیرآهن، و ورق‌های سازه‌ای برای اسکلت ساختمان‌ها و پل‌ها.
• حمل و نقل: ساخت بدنه خودرو، قطعات قطار و کشتی‌ها.
• انرژی: ساخت لوله‌های انتقال نفت و گاز و تجهیزات نیروگاهی.

نحوه تشخیص آهن از فولاد 

تشخیص دقیق این دو فلز نیاز به آزمایش‌های تخصصی دارد، اما چند نشانه ساده می‌تواند در تشخیص تفاوت فولاد و آهن کمک کند:

1. ظاهر و زنگ‌زدگی: اگر قطعه‌ای در محیط مرطوب باشد و به سرعت یک لایه زنگ قرمز و پوسته پوسته روی آن تشکیل شده باشد، احتمالا آهن کربن‌پایین یا آهن خالص است. فولاد ضد زنگ سال‌ها بدون تغییر باقی می‌ماند.
2. 2.  آزمایش سختی: اگر سعی کنید با یک سوهان یا ابزار تیز روی سطح فلز خط بیندازید، فولاد مقاومت بسیار بیشتری در برابر خراش نشان می‌دهد و سخت‌تر است. در مقابل، آهن خالص نرم‌تر بوده و راحت‌تر آسیب می‌بیند.
3. 3.  تست مغناطیسی: این روش کمکی نمی‌کند، زیرا هر دو ماده (آهن و فولاد) خاصیت مغناطیسی قوی دارند.

در این مقاله، به‌صورت کامل تفاوت فولاد و آهن را بررسی کردیم. شما می‌توانید در صورت نیاز به مشاوره تخصصی یا خرید فولاد آلیاژی با کارشناسان ما تماس بگیرید.

سوالات متداول

1. آیا فولاد ضد زنگ زنگ می‌زند؟
   بله، اما نه به سادگی فولاد معمولی؛ باید بدانیم که فولاد ضد زنگ، مقاوم در برابر خوردگی است، نه ضد هرگونه خوردگی به شکل مطلق. این مقاومت به‌خاطر لایه بسیار نازک و خود ترمیم شونده‌ای از اکسید کروم است که سطح فلز را می‌پوشاند؛ با این حال، اگر این لایه محافظ توسط مواد شیمیایی بسیار قوی (مانند سفیدکننده‌ها یا محیط‌های با کلرید بالا) شکسته شود یا اگر اکسیژن کافی برای ترمیم آن وجود نداشته باشد، فولاد ضد زنگ نیز می‌تواند به صورت موضعی دچار حفره و خوردگی شود، هرچند که عمر آن در تفاوت فولاد و آهن کربنی، ده‌ها برابر بیشتر است.
2. چگونه می‌توان درصد کربن یک قطعه فولادی را تعیین کرد؟
   تعیین دقیق درصد کربن یک قطعه فلزی، کاری نیست که بتوان در خانه انجام داد و نیاز به تخصص و ابزارهای پیشرفته دارد؛ متخصصان در آزمایشگاه‌ها از دستگاه‌هایی مانند طیف‌سنج نشر نوری (OES) استفاده می‌کنند که با ایجاد یک قوس الکتریکی روی سطح فلز، عناصر موجود در آن را شناسایی کرده و میزان دقیق کربن و سایر آلیاژها را با دقت بسیار بالایی گزارش می‌دهند.
3. آهن خالص بهتر است یا فولاد؟
   هیچ‌کدام مطلقا بهتر نیستند؛ انتخاب بین آهن و فولاد به طور کامل به هدف و کاربرد آنها بستگی دارد. اگر نیاز به ماده‌ای نرم، بسیار انعطاف‌پذیر و چکش‌خوار برای ساخت تزیینات هنری یا محصولات سنتی دارید، آهن خالص می‌تواند گزینه خوبی باشد؛ اما اگر استحکام کششی فوق‌العاده، قابلیت تحمل بارهای سنگین و مقاومت در برابر سایش در اولویت باشد، مانند ساخت بدنه خودرو، پل‌ها و سازه‌های بلند، فولاد با خواص مکانیکی بهتر، انتخاب مطمئن‌تری خواهد بود.
4. چرا در صنعت ساختمان‌سازی از فولاد به جای چدن (آهن پرکربن) استفاده می‌شود؟
   دلیل اصلی این انتخاب، تفاوت فولاد و آهن پرکربن در قابلیت تحمل شکست است؛ چدن (که درصد کربن بسیار بالایی دارد) اگرچه در برابر نیروی فشاری بسیار مقاوم است و سخت به شمار می‌رود، اما بسیار شکننده است و تحت تنش‌های کششی، پیچشی یا ضربه‌های ناگهانی (مانند زلزله) به راحتی می‌شکند و متلاشی می‌شود؛ در حالی که فولاد، خصوصا فولاد ساختمانی، بسیار چقرمه است و قبل از شکست، تغییر شکل داده و اصطلاحا تسلیم می‌شود.
5. آیا فولاد قابلیت بازیافت دارد؟
   بله، فولاد قابلیت بازیافت دارد و می‌توان آن را به صورت نامحدود و بدون از دست دادن کیفیت اولیه، بارها و بارها بازیافت کرد و دوباره در تولید به کار گرفت؛ فرآیند بازیافت فولاد، انرژی بسیار کمتری نسبت به تولید آن از سنگ آهن خام نیاز دارد و این موضوع نقش بسیار مهمی در حفظ محیط زیست و کاهش مصرف منابع دارد.