آهن و فولاد اغلب ممکن است با یک‌دیگر اشتباه گرفته شوند. با این حال، تفاوت‌های اساسی بین این دو ماده وجود دارد. عواملی مانند استحکام، دوام، خوردگی، هزینه، تطبیق پذیری و پایداری از تفاوت‌های کلیدی بین این دو است و به همین دلیل است که فولاد به عنوان ماده انتخابی برای ساخت و ساز مورد توجه قرار می‌گیرد.
فولاد آلیاژی است که از عناصری مانند کربن و آهن تشکیل شده است. آهن عنصری است که در پوسته زمین به وفور یافت می‌شود. آهن در واقع فلز پایه‌ای است که در فولاد‌سازی استفاده می‌شود و به استحکام کلی فولاد کمک می‌کند.
در زمان‌های قدیم به طور معمول از آهن به صورت نوردی و یا از چدن استفاده می‌شد که با وقوع انقلاب صنعتی، فولاد جایگزین آنها شد. استحکام و مزیت اقتصادی فولاد بر آهن، عصر جدیدی از ساخت ساختمان را آغاز کرد.
آهن چیست؟
آهن حدود 6000 سال است که در ساختمان‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد، اگرچه مانند گذشته محبوب نیست. سازه‌هایی مانند برج ایفل و مجسمه آزادی با آهن ساخته شده‌اند که بسیار بادوام و جذاب هستند.
آهن یک عنصر طبیعی است که معمولاً در پوسته زمین یافت می‌شود. آهن خالص برای ساخت سازه‌ها استفاده نمی‌شود و بلکه بیشتر با عنصر دیگری ترکیب می‌شود تا آلیاژ ایجاد کند. این آلیاژهای ایجاد شده از آهن خالص، قوی‌تر و با دوام‌تر هستند. آهن خالص نیز در صورت قرار گرفتن در معرض اکسیژن تمایل به خوردگی دارد و زنگ می‌زند و بدیهی است که برای کاربرد در ساختمان‌ها نامطلوب است.
انواع آهن
همانطور که قبلا ذکر شد، آهن خالص بسیار نرم و واکنش پذیر است. بنابراین، نمی‌توان از آن در شکل خالص خود استفاده زیادی کرد. موادی که ما از آن به عنوان "آهن" یاد می‌کنیم در واقع آلیاژهای آهن است. این فلز با عناصر دیگر و عمدتا کربن مخلوط می‌شود تا استحکام و مقاومت آن افزایش یابد. برخی از انواع متداول آهن عبارتند از:
آهن خام: این آهن اولیه و خام است که به بلوک هایی معروف به pig تبدیل می‌شود.
چدن: چدن چیست ؟ معمولا مقدار کربن بالای 2.1 درصد را چدن می‌گویند. این آهن است که ذوب شده و سپس در قالب ریخته می‌شود و سپس اجازه داده می‌شود سرد و سفت شود. محصول نهایی اغلب یک شکل سازه‌ای است.
آهن نوردی (wrought): این نوع آهن میزان کربن کمتری دارد و اغلب از مخلوط کردن آهن با سرباره (پسماندهای باقی‌مانده) تهیه می‌شود. نرم‌تر از چدن است و به شما اجازه می‌دهد با گرم کردن فلز شکل آن را تغییر دهید.
فولاد چیست؟
فولاد آلیاژی است که از ترکیب آهن و کربن به همراه مقدار کمی از سایر عناصر آلیاژی به دست می‌آید و معمولا درصد کربن در آن بین 0.2 تا 2.1 است. فولاد انواع مختلفی دارد که هر کدام برای ارائه نتایج و خاص گوناگون طراحی شده‌اند، اما همه آنها از آهن خالص قوی‌تر و با دوام‌تر هستند. امروزه فولاد به طور گسترده‌ای در ساختمان‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد. حدود نیمی از فولاد جهان در چین تولید می‌شود.
انواع فولاد
چهار نوع اصلی فولاد وجود دارد:
فولادهای ساده کربنی: فولادهای ساده کربنی حاوی مقدار کمی کربن (معمولاً 1 درصد یا کمتر) هستند و هرچه مقدار کربن در فلز بیشتر باشد، شکننده‌تر می‌شوند. بیشتر فولادها به عنوان فولاد کربنی در نظر گرفته می‌شوند و میتوان از آنها برای همه کاربردها از آهن نوردی گرفته تا موتور خودرو استفاده کرد.
فولادهای آلیاژی: فولادهای آلیاژی حاوی فلزات دیگری به غیر از آهن و کربن هستند. این فلزات دیگر معمولاً برای دستیابی به ویژگی‌های خاصی انتخاب می‌شوند و اغلب از فولادهای کربنی با دوام‌تر و سخت‌تر هستند.
فولادهای ابزار: فولادهای ابزار نیز با ترکیبی از انواع فلزات ساخته می‌شوند تا سختی آنها را افزایش دهند. آنها همچنین تحت عملیات تمپر قرار می‌گیرند، به این معنی که فولاد گرم می‌شود، به سرعت سرد می‌شود و سپس مجددا در دمای خاصی گرم می‌شود تا خواص مورد نظر حاصل شود. این نوع فولاد برای مواردی مانند ابزار و قالب و همچنین قطعات ماشین استفاده می‌شود.
فولادهای ضد زنگ: فولادهای ضد زنگ در وسایل خانگی و پزشکی رایج هستند. این فولادها نسبت بیشتری از عناصر کروم و نیکل را دارند و در برابر خوردگی و واکنش های شیمیایی مقاومت می‌کنند. این امر باعث می‌شود تمیز نگه داشتن آنها و جلوگیری از زنگ‌زدگی در آنها بسیار آسان شود.
تبدیل آهن به فولاد
فولاد معمولا با یکی از دو روش کوره بلند یا کوره قوس الکتریکی تولید می‌شود. اگر تاریخچه آهن و فولاد را مطالعه کرده باشید، میدانید که کوره بلند اولین مرحله در تولید فولاد از اکسیدهای آهن است. اولین کوره‌های بلند در قرن 14 ظاهر شد و روزانه حدود یک تن فولاد تولید می‌کرد. با وجود بهبود تجهیزات و دستیابی به نرخ تولید بالاتر، فرایندهای داخل کوره بلند ثابت مانده است. در کوره بلند از کک، سنگ آهن و سنگ آهک برای تولید آهن خام استفاده می‌شود.
زغال سنگ بخش مهمی از فرآیند تولید کک است. زغال سنگ خرد می‌شود و به صورت پودر در می‌آید و سپس در کوره شارژ می‌شود و در غیاب اکسیژن تا حدود 1800 درجه فارنهایت گرم می‌شود. با گرم شدن کوره، زغال سنگ شروع به ذوب شدن می‌کند بنابراین بیشتر مواد فرار مانند روغن، قیر، هیدروژن، نیتروژن و گوگرد آن حذف می‌شود.
زغال پخته، که کک نامیده می‌شود، پس از 18 تا 24 ساعت زمان واکنش از کوره خارج می‌شود. کک خنک شده و به قطعات مختلف از یک اینچ تا چهار اینچ تبدیل می‌شود. کک یک سنگ سیاه متخلخل و سخت از کربن غلیظ (حاوی 90 تا 93 درصد کربن) است که مقداری خاکستر و گوگرد دارد اما در مقایسه با زغال سنگ خام بسیار قوی و محکم است. قطعات قوی کک با ارزش انرژی بالا، نفوذپذیری، گرما و ایجاد برخی گازها، شرایطی را فراهم می‌کنند که برای ذوب سنگ آهن مورد نیاز است.
اکسیژن نیز وارد کوره شده تا مقدار زیادی از کربن و سایر ناخالصی ها را خارج کند و همچنین سبب بالا رفتن دما نیز می‌شود. در کوره‌های برقی، جریان الکتریکی چنین عملی را انجام می‌دهد و نتایج مشابهی را رقم می‌زند. پس از اتمام این فرایند، فولاد خام حاصل می‌شود. این فولاد به دلیل برخورداری از میزان بسیار زیاد کربن، استفاده صنعتی نداشته و طی مراحل بعدی شامل فرآیند ساخت فولاد ثانویه، ریخته‌گری پیوسته، شکل‌دهی اولیه و نهایی، مقدار کربن آن به زیر 2.1 درصد رسیده و کارایی صنعتی پیدا می‌کند.
تفاوت‌های بین آهن و فولاد
استحکام و وزن
فولاد از نظر استحکام بی‌نظیر است. از آهن قوی‌تر است و چگالی پایین‌تری دارد. با توجه به این استحکام و تنوع، فولاد در پروژه‌های ساختمانی بسیار محبوب است. هنگامی که فولاد در اواسط قرن نوزدهم به تولید گسترده رسید، به عنوان مصالح اصلی در ساختمان‌سازی جایگزین آهن شد.
فولاد به دلیل استحکام فوق العاده‌ای که دارد در پروژه‌هایی مانند ساختمان‌ها ، خانه‌ها و خطوط راه‌آهن بسیار مفید است. این نوع پروژه‌ها به چکش‌خواری که فولاد ارائه می‌دهد نیاز دارند. فولاد همچنین استعداد بالاتری برای تحمل بارهای کشش دارد. استحکام و وزن فولاد بیانگر این است که احتمال پیچ خوردگی، تغییر شکل یا خم شدن آن وجود ندارد.
چدن نیز به دلیل استحکام بالا و شکل‌پذیری ضعیف آن مشهور است. این بدان معناست که چدن شکننده‌تر بوده و در ساخت و ساز مفید نمی‌باشد. به همین دلیل، از فولاد بیشتر برای تولید ابزار استفاده می‌شود.
دوام
وقتی به دنبال ساختن سازه‌ای هستید که در برابر زمان و عناصر مقاومت کند، فولاد بهترین گزینه است. فولاد سازه‌ای می‌تواند نیرو و گرمای شدید را تحمل کند. این بدان معناست که می‌تواند در برابر آتش و سایر عناصر مانند باد و باران مقاومت بالایی از خود نشان دهد. فولاد کمتر از آهن در معرض خوردگی قرار می‌گیرد. این ویژگی در نهایت بر یکپارچگی یک پروژه ساختمانی تأثیر می‌گذارد.
با توجه به ماهیت چند منظوره فولاد، این ماده به عنوان یکی از مقاوم ترین مصالح مورد استفاده در ساختمان در نظر گرفته می‌شود. فولاد دچار ترک خوردگی، پیچ خوردگی، شکاف و پوسیدگی نمی‌شود. آهن نمی‌تواند با این ویژگی ها مطابقت داشته باشد. دوام فولاد یکی از دلایل اصلی مورد توجه قرار گرفتن آن در پروژه های ساختمانی نسبت به آهن است. فولاد همچنین برای تولید بخشهایی مانند تیرهای I و مقاطع ساده مناسب است.
خوردگی
خوردگی یک فرایند طبیعی است که ترکیب فلز را از طریق اکسیداسیون شیمیایی تغییر می‌دهد. اکسیداسیون منجر به زنگ‌زدگی فلز و تبدیل رنگ آن به نارنجی یا قهوه‌ای می‌شود. فولاد در برابر خوردگی بسیار بیشتر از آهن مقاوم است.
آهن مستعد اکسیداسیون و در نتیجه زنگ زدگی است. در حالی که آب ممکن است بر تمامیت فولاد تأثیر بگذارد اما اقداماتی وجود دارد که میتوان برای کاهش این خطر و افزایش مقاومت فولاد انجام داد. فولاد می‌تواند توسط اعمال پوشش‌هایی در سطح آن مانند رنگ و اسپری، تحت محافظت قرار گیرد.
هزینه
در بیشتر موارد، فولاد سازه‌ای نسبت به آهن برای استفاده در ساختمان مقرون به صرفه‌تر است. تولید انبوه فولاد از زمان انقلاب صنعتی، این ماده را از نظر اقتصادی، به ماده‌ای به صرفه تبدیل کرده است. افزایش تولید در صنعت فولاد طی 30 سال گذشته نیز به مقرون به صرفه بودن آن کمک کرده است.
فولاد از نظر ساختاری سبک تر از آهن است. این امر تأثیر زیادی بر هزینه‌های کلی ساختمان در حین ساخت دارد. تولید فولاد نیز فرآیندی ارزان‌تر از آهن در نظر گرفته می‌شود. گرید فولاد نیز بر قیمت آن تأثیر می‌گذارد. بنابراین، گریدهای دارای خواص بالاتر ، قیمت آنها نیز به مراتب بیشتر است. آلیاژهای دیگر آهن مانند چدن، نیاز به افزایش سطح تولید دارند و این بدان معناست که هزینه تهیه آنها بیشتر است.
تطبیق پذیری
وقتی از فولاد در ساختمان استفاده می‌شود، انعطاف‌پذیری و خلاقیت را فراهم می‌آورد. فولاد را میتوان با توجه به نیازهای هر پروژه خم و شکل داد. به همین دلیل است که فولاد برای اشکال پیچیده مانند قطعات مقطع توخالی استفاده می‌شود. معماران به طور فزاینده‌ای به فولاد به دلیل ویژگی منحصر به فرد آن در طراحی تکیه می‌کنند.
آهن اغلب برای استفاده در شکل خالص بسیار نرم است. هنگامی که به صورت آلیاژ در آید و با کربن مخلوط شود، تطبیق‌پذیری آن افزایش می‌یابد. آهن در دوران ویکتوریا، یک انتخاب محبوب برای معماران بود زیرا می‌توانست قالب‌های پیچیده را پر کند. این امر منجر به تولید بسیاری از جزئیات تزئینی کلاسیک شد که امروزه نیز می‌بینیم. در حالی که آهن جزئیات تزئینی فوق العاده‌ای را در معماری ایجاد می‌کند، اما در مورد ساخت و ساز چندان متنوع نیست.
قابلیت بازیافت
آهن و فولاد هر دو قابلیت بازیافت را دارند. فولاد سازه ای در واقع 100٪ قابل بازیافت است و یکی از پایدارترین مصالح مورد استفاده در صنعت ساختمان است. فولاد را میتوان بارها و بارها بازیافت کرد آن هم بدون اینکه دوام و پایداری خود را از دست بدهد. فولاد به دلیل ماندگاری خوب، جایگزین مناسبی برای آهن از منظر حقاظظت از محیط زیست است.
در حالی که آهن به طور کامل قابل بازیافت است، اما بر فرآیند تولید پر مصرف متکی است. از سوی دیگر، مصرف انرژی در تولید فولاد در 30 سال گذشته به میزان قابل توجهی کاهش یافته است. این روند با کاهش میزان کربن در صنعت فولاد ادامه دارد.
سوالات متداول
1- چگالی فولاد و آهن چقدر است؟ آهن دارای چگالی معادل 8.874 گرم بر سانتیمتر مکعب بوده و فولاد دارای چگالی 7.85 گرم بر سانتیمتر مکعب میباشد.
2- چگونه میتوان آهن را از فولاد تشخیص داد؟
مهمترین روش تشخیص تفاوت آنها، توجه به رنگ و همچنین خواص مکانیکی آنها میباشد. آهن به رنگ خاکستری تیره بوده ولی رنگ فولاد روشنتر می باشد و خواص مکانیکی آهن از جمله استحکام و شکل پذیری، کمتر از فولاد میباشد و برای استفاده از آن باید مواد متفاوتی به آن اضافه شود.
