آهن سنگین تر است یا فولاد؟ | تفاوت آهن و فولاد
آهن و فولاد نام هایی هستند که گهگاه به جای یکدیگر به کار برده می شوند و بسیاری تفاوتی بین این دو قائل نمی شوند. اما فولاد و آهن تفاوت های زیادی با یکدیگر دارند و از نظر خواص فیزیکی، شیمیایی و ظاهری بسیار متمایزند. در خصوص فولاد باید گفت که در واقع یک گروه از آلیاژهای آهن است که حاوی کربن می باشد. ساده‌ترین نوع فولاد از آهن و کربن تشکیل شده است. هر چند در عمل برخی عناصر دیگر نیز به میزان محدود در فولادهای کربنی وجود دارد. حال اگر به فولاد علاوه بر کربن عناصر دیگری نیز اضافه شود فولاد آلیاژي به دست می آید که خواصی متفاوت از فولاد کربنی دارد. برای پاسخ به این سؤال که فولاد سبکتر است یا آهن باید گفت که این مقایسه به راحتی امکان‌پذیر نیست. چرا که امروزه بیش از ۳۵۰۰ گرید مختلف فولاد تولید شده است که هر کدام نیز خصوصیات متفاوت دارند. بنابراین وقتی می خواهیم چگالی آهن را با فولاد مقایسه کنیم باید دقیقا مشخص باشد که منظور چه گریدی از فولاد است. با این وجود چگالی فولادها در یک محدوده ی مشخص قرار دارد و به صورت کلی می توان این مقایسه را انجام داد.
مقدمه
آهن و فولاد رایج ترین فلزاتی هستند که در صنایع ساختمانی، حمل و نقل و تجاری مورد استفاده قرار می گیرند. کاربردهای این دو فلز به قدری به یکدیگر شبیه است که اکثر مردم نام آن ها را نیز به جای یکدیگر استفاده می کنند و ممکن است حتی آن ها را با هم یکی بدانند و تفاوتی میان آن ها قائل نشوند. علی رغم شباهت های قابل توجه، آهن و فولاد ویژگی های متفاوتی با یکدیگر دارند و نمی توان آن ها را به جای یکدیگر استفاده کرد. هر چند فولاد در واقع خود نوعی آهن است که با عناصر دیگر ترکیب شده است. اما نکته ی جالب است که حتی مقادیر بسیار کم از عناصری که به آهن اضافه می شود می تواند خصوصیات آن را به شدت تغییر دهد. در ادامه این مقاله ما ابتدا توضیحاتی کلی در خصوص آهن و فولاد ارائه می کنیم.
آهن و فولاد از جمله پرکاربردترین فلزات در صنایع مختلف هستند، اما تفاوت‌های زیادی از نظر ترکیب شیمیایی، خواص فیزیکی و کاربرد دارند. یکی از پرسش‌های رایج در این زمینه این است که کدام‌یک سنگین‌تر است: آهن یا فولاد؟ برای پاسخ به این پرسش، ابتدا باید به چگالی این دو ماده نگاهی بیندازیم.چگالی آهن و فولاد
چگالی آهن خالص تقریباً 7.87 گرم بر سانتی‌متر مکعب است. در مقابل، چگالی فولاد به دلیل وجود عناصر آلیاژی مانند کربن، کروم، نیکل و منگنز می‌تواند متغیر باشد. به‌طور معمول، چگالی فولاد در محدوده 7.75 تا 8.05 گرم بر سانتی‌متر مکعب قرار دارد.
پس از معرفی آهن و فولاد ما مقایسه ای بین چگالی انواع فولاد و آهن انجام خواهیم داد و به این پرسش که آیا فولاد سنگین تر است یا آهن پاسخ می دهیم.
آنچه در این مقاله مطالعه خواهید کرد:
آهن چیست؟
آهن فلزی واسطه با عدد اتمی 26 است که با نماد Fe نشان داده می شود. آهن چهارمین عنصر فراوان است که هسته داخلی و خارجی زمین را تشکیل میدهد. در واقع حدود ۵ درصد پوسته ی زمین از آهن تشکیل شده است و از نر فراوانی ششمین عنصر فراوان در جهان است. آهن دارای ۴ ایزوتوپ طبیعی ست. آهن به سرعت با اکسیژن هوا ترکیب می شود و تشکیل اکسید می دهد به همین دلیل تقریبا در تمام موارد آن را به صورت سنگ های معدنی اکسیدی مانند هماتیت و مگنتیت می توان یافت.
آهن به صورت خالص فلزی قوی نیست و کاربرد چندانی نیز ندارد بلکه این آلیاژهای آهن هستند که بسیار توجه قرار دارند. در اصل هر چه آهن خالص کاربرد ندارد آلیاژهای آن مانند فولاد بسیار پرکابرد هستند. به گونه ای که فولاد که یکی از آلیاژهای اصلی آهن است پس از نفت خام پرمصرف ترین ماده در جهان است.
ویژگی‌های آهن:
- چگالی: 7.87 گرم بر سانتی‌متر مکعب
- نقطه ذوب: ۱۵۳۸ درجه سانتیگراد
- رنگ: نقره‌ای مایل به خاکستری
- رسانایی الکتریکی و حرارتی بالا
- زنگ‌زدگی سریع در تماس با رطوبت و اکسیژن
آهن خالص در طبیعت به‌ندرت یافت میشود و معمولاً به‌صورت سنگ معدن آهن وجود دارد که پس از استخراج و فرآوری، برای تولید فولاد و سایر آلیاژها استفاده میشود.
فولاد چیست؟
فولاد یک آلیاژ فلزی است که عمدتاً از آهن و مقدار کمی کربن (معمولاً بین 0.2 تا 2 درصد) تشکیل شده است. ترکیب فولاد بسته به نوع آن می‌تواند شامل عناصر دیگری مانند کروم، نیکل، منگنز، مولیبدن و وانادیم باشد که باعث بهبود خواصی مانند سختی، مقاومت به خوردگی و استحکام مکانیکی می‌شوند.
ویژگی‌های فولاد:
- چگالی: بین 7.75 تا 8.05 گرم بر سانتی‌متر مکعب (بسته به ترکیب آلیاژی)
- استحکام بالا و سختی بیشتر نسبت به آهن
- انعطاف‌پذیری و قابلیت شکل‌دهی بهتر از آهن
- مقاومت بیشتر در برابر زنگ‌زدگی (مخصوصاً در فولاد ضدزنگ)
خواص فیزیکی آهن
خواص مکانیکی آهن به درجه خلوص آن بستگی دارد. آهن خالص نقره ای مایل به سفید است و به راحتی می توان ان را برش داد. درجه سختی آهن در حالتی که از خلوص بالایی برخوردار باشد 30.20 برنیل است. چگالی آن 7874 کیلوگرم بر مترمکعب، وزن اتمی آن 55.8478 گرم بر مول و دمای جوش آن یز 2750 درجه سانتیگراد است.
آهن خالص قابلیت چکش خواری بالایی دارد و به راحتی به صورت ورقه یا سیم در می آید. هادی خوب گرما و الکتریسیته است و می تواند مغناطیسی شود.
خواص شیمیایی
آهن خالص به راحتی با اکسیژن هوا ترکیب می شود و یافتن آن به صورت خالص بسیار دشوار است. حتی زمانی که آهن با سایر عناصر ترکیب می شود نیز می تواند قابلیت ترکیب خود با اکسیژن را حفظ کند و به راحتی دچار زنگ زدگی و خوردگی شود. اکسید آهن یک ماده ی نرم به رنگ قهوه ای مایل به قرمز است. آهن می تواند با کربن، گوگرد و سیلیکون نیز واکنش دهد.
انواع آهن
همانطور که ذکر شد آهن خالص بسیار نرم و واکنش پذیر است و از آن نمی توان به فرم خالص استفاده کرد. ماده ای که ما آن را به عنوان آهن می شناسیم در واقع آلیاژهای آهن هستند. این فلز برای افزایش استحکام با سایر عناصر مانند کربن ترکیب می شود و آلیاژهایی را می سازد.
رایج ترین انواع آهن عبارتند از:
آهن خام: آهن خام ماده اولیه است به شکل بلوک هایی به نام Pig قالب گیری می شوند. آهن خام بین ۴ تا ۵ درصد کربن دارد و مقادیر متفاوتی از ناخالصی هایی مانند گوگرد، فسفر و سیلیکون در آن و جود دارد.
چدن: چدن دارای محتوای کربن بسیار بالایی ست به همین دلیل از سخت و شکننده است. چدن بین ۲ تا ۳ درصد کربن و مقدار کمی نیز منگنز دارد. سایر ناخالصی های آهن خام مانند گوگرد و فسفر در چدن تا حد قابل توجهی کاهش یافته اند.
آهن کار شده: این نوع آهن دارای مقدار کربن کمتری ست و اغلب از مخلوط کردن آهن با سرباره (ضایعات باقیمانده) ساخته می شود. آهن کار شده از چدن نرم تر است و امکان شکل دهی به آن وجود دارد.
معرفی آلیاژ فولاد
فولاد نوعی آلیاژ آهن است. محتوای کربن کمتری نبست به چدن و آهن کار شده دارد و از عناصر آلیاژی دیگری نیز در ساخت آن استفاده می شود که موجب بهبود خواص آن می گردد. انواع مختلفی از فولاد ساخته شده است که همه آن ها حاوی آهن به عنوان عنصر اصلی و کربن به عنوان عنصر آلیاژی هستند. از انواع مختلف فولاد می توان به دسته فولادهای کربنی و فولادهای آلیاژی اشاره کرد.
فولاهای کربنی یک نوع پایه از فولاد است که حاوی 1 درصد کربن است. خود فولادهای کربنی نیز بر اساس مقدار کربنی که در ساخت آن ها به کار رفته است می توانند به انواع کم کربن، کربن متوسط و پرکربن تقسیم بندی شوند. البته در ساختار فولادهای کربنی مقداری از عناصر دیگر نیز وجود دارد اما درصد این عناصر محدود است و از حد تعریف شده فراتر نمی رود. چنانچه مقدار یک عنصر بیشتر از مقدار مشخصی باشد نوع دیگری از فولاد به وجود می آید که به آن فولاد آلیاژی گفته میشود. فولادهای آلیاژی از عناصر دیگری مانند نیکل، سیلیکون، کروم، مس یا وانادیوم نیز تشکیل شده اند. خواص فولاد آلیاژی به نوع عنصر آلیاژی که در آن استفاده شده است بستگی دارد.
تفاوت های آهن و فولاد
آهن و فولاد در عین حال که از یک خانواده هستند اما تفاوت های قابل توجهی با هم دارند. یکی از این تفاوت ها نیز در چگالی یا جرم واحد حجم آهن و فولاد است.
چگالی یک ماده معیاری ست که به وسیله آن می توان سبک یا سنگین تر بودن واحد حجم آن را سنجید. حال ما می خواهیم بدانیم اگر دو مکعب هم اندازه یکی از آهن و دیگری از فولاد داشته باشیم کدام یک سنگین تر است؟ آهن یا فولاد.
در مقایسه وزن آهن و فولاد باید گفت که فولاد گریدهای مختلفی دارد که چگالی آن ها نیز با یکدیگر متفاوت است. اما محدوده چگالی فولادهای مختلف بین 7750 تا 8050 کیلوگرم بر مترمکعب متغیر است. چگالی آهن خالص برابر 7874 کیلوگرم بر مترمکعب است. بنابراین مشاهده می شود که فولاد می تواند از آهن سبکتر یا سنگین تر باشد و این به نوع و گرید فولاد وابسته است.
آهن کار شده نیز نزدیک به آهن خالص است که در آن ناخالصی ها حذف شده است و تنها کربن دارد. آهن کار شده اندکی از آهن خالص سبکتر است و چگالی آن 7750 کیلوگرم بر مترمکعب می باشد.
در خصوص چدن مقدار چگالی آن به میزان کربن و سایر ناخالصی های موجود در ساختار آن بستگی دارد و می تواند بین 6800 تا 7800 کیلوگرم بر مترمکعب متغیر باشد.
فولاد نرم با حدود 0.06 درصد کربن چگالی 7870 کیلوگرم بر مترمکعب دارد که چگالی آن به آهن خالص بسیار نزدیک است.
فولاد با کربن بالا (1.5 درصد) چگالی 7840 کیلوگرم بر مترمکعب دارد. از چدن سنگین تر و از فولاد نرم سبکتر است.
چگالی استنلس استیل به دلیل آنکه حاوی فلزات مانند کروم است چگالی بالاتر از آهن و در حدود 8000 کیلوگرم بر مترمکعب است.
تفاوت‌های کلیدی بین آهن و فولاد
| ویژگی | آهن | فولاد |
|---|---|---|
| چگالی | 7.87 g/cm³ | 7.75 تا 8.05 g/cm³ |
| ترکیب شیمیایی | عنصر خالص (Fe) | آلیاژ آهن با کربن و عناصر دیگر |
| استحکام | کمتر | بسیار بالا |
| مقاومت در برابر خوردگی | زنگ‌زدگی سریع | مقاوم‌تر (مخصوصاً فولاد ضدزنگ) |
| نقطه ذوب | 1538 درجه سانتیگراد | بسته به نوع فولاد متغیر است |
| شکل‌پذیری | شکننده‌تر | انعطاف‌پذیرتر و قابل شکل‌دهی |
| کاربردها | ریخته‌گری، آهن فرفورژه | ساختمان‌سازی، خودروسازی، صنایع نظامی، لوازم خانگی |
آیا فولاد از آهن سنگین‌تر است؟
- اگر فولاد کم‌کربن باشد، چگالی آن معمولاً کمتر از آهن است و می‌توان گفت آهن سنگین‌تر خواهد بود.
- اما در برخی از انواع فولاد آلیاژی، به‌ویژه آن‌هایی که دارای نیکل یا کروم بالا هستند، چگالی ممکن است از آهن خالص بیشتر شود.
تفاوت‌های دیگر آهن و فولاد
- استحکام: فولاد بسیار مستحکم‌تر از آهن است و به همین دلیل در صنایع ساختمانی، خودروسازی و ماشین‌سازی کاربرد بیشتری دارد.
- مقاومت در برابر خوردگی: آهن به‌سرعت زنگ می‌زند، اما فولاد (به‌ویژه فولاد ضدزنگ) مقاومت بهتری در برابر زنگ‌زدگی دارد.
- انعطاف‌پذیری و شکل‌پذیری: فولاد به دلیل ترکیب آلیاژی خود شکل‌پذیرتر از آهن است.
کاربردهای آهن و فولاد
کاربردهای آهن:
- ساخت قطعات ریخته‌گری و چدنی
- تولید آهن فرفورژه در ساخت درب، پنجره و نرده‌ها
- صنایع حمل‌ونقل (قطعات ترمز و چرخ‌های قطار)
کاربردهای فولاد:
- ساختمان‌سازی: اسکلت فلزی ساختمان‌ها، پل‌ها و تونل‌ها
- خودروسازی: بدنه خودرو، قطعات موتوری و سیستم تعلیق
- ماشین‌سازی و ابزارآلات: ساخت تیغه‌های برش، مته‌ها و چرخ‌دنده‌ها
- لوازم خانگی: تولید یخچال، اجاق‌گاز، سینک ظرف‌شویی و ظروف استیل
- صنایع دریایی و هوافضا: کشتی‌سازی، هواپیما و موشک‌ها
کدام‌یک بهتر است: آهن یا فولاد؟
انتخاب بین آهن و فولاد بستگی به کاربرد موردنظر دارد:
- اگر استحکام و دوام مهم باشد، فولاد گزینه بهتری است.
- اگر چکش‌خواری و ریخته‌گری اهمیت داشته باشد، آهن ممکن است مناسب‌تر باشد.
- در محیط‌های مرطوب، فولاد ضدزنگ به دلیل مقاومت در برابر خوردگی برتری دارد.
جمع‌بندی و نتیجه‌گیری
- آهن یک عنصر فلزی خالص است، اما فولاد یک آلیاژ آهن و کربن است.
- چگالی آهن کمی بیشتر از فولاد است، مگر اینکه فولاد دارای عناصر سنگین‌تری مانند نیکل و کروم باشد.
- فولاد به دلیل استحکام، انعطاف‌پذیری و مقاومت در برابر خوردگی کاربردهای گسترده‌تری نسبت به آهن دارد.
- آهن بیشتر در ریخته‌گری و کاربردهای تزئینی استفاده میشود، در حالی که فولاد ماده اصلی در ساخت‌وساز، خودروسازی و صنایع مهندسی است.
بنابراین، انتخاب بین آهن و فولاد به نیازهای خاص پروژه شما بستگی دارد.
