بررسی تمام تفاوت های بین فولاد و آهن

آهن و فولاد دو مورد از رایج‌ترین و پرکاربردترین مواد مورد استفاده در صنعت و تولید هستند. از آهن و فولاد برای ساخت طیف گسترد‌ه‌ای از محصولات و قطعات، از ابزار و ماشین آلات گرفته تا پل و ساختمان استفاده می‌شود. اما تفاوت فولاد و آهن چیست؟ این دو ماده چه تفاوتی از نظر خواص، کاربردها و ویژگی‌های خود دارند؟ در این مقاله به بررسی همین موضوع می‌پردازیم و آهن و فولاد را از تمام جنبه‌ها با یکدیگر مقایسه می‌کنیم. در انتها، شما درک کاملی از ماهیت هر کدام از این فلزها، ویژگی‌ها و کاربردهای احتمالی آن‌ها خواهید داشت.

تعریف آهن

آهن یک عنصر فلزی با عدد اتمی ۲۶ است. این ماده ظاهری کروم رنگ دارد که مقدار قابل توجهی از نور را منعکس می‌کند. آهن همچنین یک فلز فرومغناطیس است، به این معنی که خاصیت مغناطیسی دارد و سایر فلزات فرومغناطیس را جذب می کند. آهن همچنین یک ماده معدنی ضروری برای سلامت انسان است و به بدن در تولید هموگلوبین کمک می‌کند که جزء اصلی سلول های قرمز خون است. هموگلوبین اکسیژن را از ریه ها به سایر نقاط بدن می رساند. کمبود آهن می تواند باعث کم‌خونی شود که شرایطی است که با سطوح پایین هموگلوبین و اکسیژن در خون مشخص می‌شود. آهن را می‌توان به طور طبیعی به عنوان عنصری در پوسته زمین پیدا و استخراج کرد. همچنین از سنگ معدن‌هایی مانند هماتیت، مگنتیت، لیمونیت و سیدریت استخراج می‌شود. از آهن برای ساخت محصولات و اجزای مختلفی مانند فولاد، چدن، آهن چکش خوار، ابزار، ماشین آلات، آهنربا، میخ، پیچ و غیره استفاده می‌شود.

 

تعریف فولاد

فولاد یکی از آلیاژهای آهن است که عمدتا از آهن و کربن تشکیل شده است. این یک عنصر خالص نیست، بلکه ترکیبی از عناصر و اجزایی است که به‌طور طبیعی به‌عنوان یک عنصر وجود خارجی ندارند. فولاد در واقع از طریق گرم کردن آهن با کربن و سایر عناصر مانند کروم، نیکل، مولیبدن و غیره ساخته می‌شود. فولاد نسبت به آهن دارای کربن بیشتری است، با این حال،‌این مقدار عموماً زیر ۲٪ است. افزودن کربن و سایر عناصر باعث می‌شود فولاد نسبت به آهن خالص سخت‌تر و قوی‌تر باشد. با این حال، وجود کربن، فولاد را همچنین نسبت به آهن شکننده‌تر و خاصیت چکش خواری آن را کمتر می‌کند. فولاد یکی از پرکاربردترین مواد در جهان است. از آن برای ساخت محصولات و اجزای مختلفی مانند ساختمان ها، پل‌ها، وسایل نقلیه، لوازم خانگی، سلاح‌ها، ابزار، ماشین آلات، سیم‌ها، لوله‌ها، ریل‌ها و غیره استفاده می‌شود. برای آشنایی بیشتر با فولاد می‌توانید مقاله‌ی فولاد چیست را مطالعه کنید.

 

تفاوت آهن و فولاد از نظر استحکام و وزن

یکی از مهمترین تفاوت‌های بین فولاد و آهن، استحکام و وزن آنهاست. منظور از استحکام، توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر تغییر شکل یا شکستگی تحت فشار است. منظور از وزن نیز مشخص بوده و نیاز به توضیح بیشتری نیست. به‌طور کلی، فولاد به دلیل داشتن کربن بیشتر و عناصر آلیاژی، از آهن قوی‌تر است. فولاد می‌تواند بدون شکستن یا خم شدن، سطوح بالاتری از تنش را تحمل کند. در جدول زیر چند نمونه از استحکام و وزن انواع مختلف آهن و فولاد را مشاهده می‌کنید:

جدول بررسی تفاوت آهن و فولاد از نظر است‌حکام و وزن
نوع	استحکام کششی (مگاپاسکال)	چگالی (گرم بر سانتی متر مکعب)	وزن (کیلوگرم بر متر مکعب)
آهن چکش خوار	200-400	7.8	7800
فولاد کم کربن	400-550	7.8	7800
فولاد پرکربن	800-1200	7.8	7800
چدن	100-200	7.2-7.5	7200-7500

 

تفاوت دوام آهن و فولاد

یکی دیگر از تفاوتهای بین آهن و فولاد دوام آنهاست. دوام به معنای توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر سایش و پارگی در طول زمان است. به‌طور کلی، فولاد به دلیل سختی و مقاومت بیشتر در برابر خوردگی، از آهن بادوام‌تر است. سختی، میزان مقاومت یک ماده در برابر خراش یا فرورفتگی توسط ماده دیگری است. خوردگی نیز فرآیند تخریب یا فرسودگی یک ماده به دلیل واکنش های شیمیایی یا الکتروشیمیایی با محیط است. آهن به نسبت نرم بوده و مستعد زنگ زدگی ناشی از اکسیژن، آب، اسید، نمک و سایر مواد است. آهن در معرض هوای مرطوب یا آب به‌راحتی زنگ می‌زند.

زنگ زدگی باعث کاهش استحکام و ظاهر محصولات و اجزای آهنی می‌شود. فولاد به دلیل وجود عناصر آلیاژی از آهن سخت‌تر و در برابر خوردگی مقاوم‌تر است. به برخی از فولادها کروم یا نیکل اضافه می‌شود تا یک لایه محافظتی از اکسید روی سطح آنها ایجاد شود. این لایه با مسدود کردن رسیدن اکسیژن و آب به فلز زیرین از خوردگی بیشتر جلوگیری می‌کند. با این حال، فولاد نیز در برابر خوردگی مقاوم نیست. برخی از انواع فولاد در صورت قرار گرفتن در معرض محیط‌های خشن یا ایجاد خراش یا ترک‌هایی که فلز داخلی آنها را در معرض اکسیژن و آب قرار می‌دهد، همچنان ممکن است زنگ بزنند.

جدول مقایسه‌ای از ویژگی‌های دوام، سختی، مقاومت و … آهن و فولاد
ویژگی	آهن	فولاد
دوام	کمتر از فولاد	بیشتر از آهن
سختی	نسبتاً نرم	سخت‌تر
مقاومت در برابر خوردگی	کمتر	بیشتر
مستعد زنگ زدگی	بله	خیر
عناصر آلیاژی	عموماً وجود ندارد	بله، به ویژه کروم و نیکل
لایه محافظتی از اکسید	عموماً وجود ندارد	بله، با افزودن کروم و نیکل
مقاومت در معرض محیط‌های خشن	کمتر	بیشتر

 

تفاوت های آهن و فولاد از نظر مقاومت در برابر خوردگی

همانطور که گفته شد، یکی از تفاوت های اصلی بین آهن و فولاد مقاومت آنها در برابر خوردگی است. این نوع از مقاومت توانایی یک ماده در برابر تخریب یا زوال ناشی از واکنش های شیمیایی یا الکتروشیمیایی با محیط است. مقاومت مدنظر به عوامل متعددی مانند نوع، ترکیب و ساختار ماده، نوع و غلظت ماده خورنده، دما و رطوبت محیط و وجود پوشش‌های محافظتی یا عملیات انجام شده بستگی دارد. آهن به دلیل واکنش آسان با اکسیژن، آب، اسیدها، نمک‌ها و سایر مواد، مقاومت کمتری در برابر خوردگی دارد. آهن با زنگ زدن، اکسید آهن (زنگ) را تشکیل می‌دهد که فلز را ضعیف و بد شکل می‌کند.

از سوی دیگر، فولاد به دلیل داشتن عناصر آلیاژی، نسبت به آهن مقاومت بیشتری در برابر خوردگی دارد. برخی از انواع آن حاوی کروم یا نیکل هستند که یک لایه محافظتی از اکسید را روی سطح خود تشکیل می‌دهند. این لایه با مسدود کردن دسترسی اکسیژن و آب به فلز زیرین، از خوردگی بیشتر جلوگیری می‌کند. با این حال، همه انواع فولاد مقاومت در برابر خوردگی یکسانی ندارند. برخی از انواع فولاد دارای مقادیر بیشتر یا کمتر کربن و عناصر دیگری هستند که بر میزان خوردگی آنها تأثیر می‌گذارد. به عنوان مثال، فولاد ضد زنگ به دلیل داشتن حداقل ۱۰.۵ درصد کروم در ترکیب خود، مقاومت زیادی در برابر خوردگی دارد. فولاد کربنی مقاومت کمتری در برابر خوردگی دارد زیرا کربن بیشتری و کروم کمتری در ترکیب خود دارد. جدول زیر چند نمونه و مثال از مقاومت در برابر خوردگی انواع مختلف آهن و فولاد را نشان می‌دهد.

جدول تفاوت های آهن و فولاد از نظر مقاومت در برابر خوردگی
نوع	مقاومت در برابر خوردگی	نمونه
آهن نرم	کم	نرده ها، دروازه ها، نرده ها
فولاد کم کربن	کم	میخ، پیچ، سیم
فولاد پر کربن	کم	چاقوها، تیغه ها، فنرها، تجهیزات ساختمانی
چدن	کم تا متوسط	قابلمه، تابه، لوله
فولاد ضد زنگ	بالا	کارد و چنگال، لوازم خانگی، ابزار جراحی

 

تفاوت در تطبیق‌ پذیری

یکی دیگر از تفاوت های بین فولاد و آهن قابلیت تطبیق‌پذیری آنهاست. منظور از تطبیق پذیری، توانایی یک ماده برای تغییر شکل یا فرم خود با توجه به نیازها یا اهداف مختلف است؛ به طور کلی، به دلیل نرمی کمتر و شکل پذیری بیشتر، آهن سازگارتر از فولاد است. منظور از شکل پذیری این است که یک ماده تا چه حد می‌تواند کشیده شود یا بدون شکسته شدن و آسیب دیدن،‌به سیم‌های نازک تبدیل شود. آهن نرم، انعطاف‌پذیر و شکل‌پذیر است و امکان شکل دادن آن به اشکال و محصولات مختلف با آهنگری، چکش زنی، خم کردن، نورد، کشیدن یا اکسترود کردن نسبتاً به راحتی فراهم می‌شود. قابلیت جوش‌پذیری آهن هم نسبتاً قوی‌تر است و به راحتی جوش خورده می‌شود.

از سوی دیگر، فولاد سخت‌تر از آهن است. بنابراین، شکل دادن به آن دشوارتر از آهن بوده و می‌توان گفت تطبیق پذیری کمتری دارد. برای شکل دادن فولاد نیاز به اعمال دما و فشار بیشتری داریم و همین باعث پیچیده‌تر شدن عملیات‌ها می شود. امکان جوش دادن قطعه‌های فولادی نیز وجود دارد،‌ ولی انجام این کار احتیاج به مهارت و دقت بیشتری نسبت به آهن دارد. با این حال، فولاد کاملاً سفت و یا انعطاف ناپذیر نیست. بیشتر انواع فولاد را می توان با عملیات حرارتی یا کار سرد، انعطاف پذیرتر کرد. با این حال، فولاد از لحاظ کاربردی بسیار منعطف است و بسیاری از اجزاء ساختمانی از فولاد ساخته می‌شوند. تیرآهن‌ها یکی از همین موارد هستند. در مقاله‌ی تیرآهن چیست می‌توانید با این محصول بیشتر آشنا شده و نقش فولاد در شکل دهی به ویژگی‌های اصلی تیرآهن را بهتر درک کنید.

جدول تفاوت در تطبیق‌ پذیری بین آهن و فولاد
ویژگی	آهن	فولاد
تطبیق‌پذیری	بالا	کمتر
شکل‌پذیری	بالا	کمتر
قابلیت جوش‌پذیری	بالا	کمتر
نیاز به دما و فشار بیشتر	کمتر	بیشتر
میزان انعطاف‌پذیری	بیشتر	کمتر

 

تفاوت آهن و فولاد از نظر قابلیت بازیافت

برای درک بهتر تفاوت بین آهن و فولاد، باید آن‌ها را از نظر قابلیت بازیافت نیز مورد بررسی و مقایسه قرار دهیم. قابلیت بازیافت توانایی یک ماده برای استفاده یا فرآوری مجدد به محصولات یا اجزای جدید پس از استفاده اصلی آن است. به‌طور کلی، هم آهن و هم فولاد به دلیل اینکه می‌توان آنها را ذوب کرد و بدون از دست دادن کیفیت و خواص خود به محصولات جدیدی تبدیل کرد، قابلیت بازیافت بالایی دارند. این کار به حفظ منابع طبیعی، کاهش مصرف انرژی، کاهش انتشار گازهای گلخانه ای و صرفه جویی در هزینه‌ها کمک می‌کند. با این حال، فولاد نسبت به آهن بیشتر بازیافت می شود، زیرا تقاضا و ارزش بالاتری در بازار دارد.

طبق گفته انجمن جهانی فولاد (WSA)، حدود ۸۸ درصد از محصولات فولادی هر ساله در سراسر جهان بازیافت می‌شوند. در واقع،‌ با بیش از 1.3 میلیارد تن بازیافت این محصول در سال 2023، آن را تبدیل به قابل بازیافت‌ترین ماده در جهان کرده است. بازیافت فولاد شامل جمع آوری ضایعات فولاد از منابع مختلف مانند زباله‌های صنعتی، ساختمانی، خانگی، وسایل نقلیه، لوازم خانگی و غیره، مرتب سازی آنها بر اساس نوع و کیفیت، خرد کردن آنها به قطعات کوچک، ذوب آنها در کوره‌ها یا کوره‌های قوس الکتریکی (EAFs)، پالایش آنها برای حذف ناخالصی‌ها و … می‌شود. بازیافت فولاد با صرفه جویی در حدود 1.8 میلیارد تن سنگ آهن، 1.1 میلیارد تن زغال سنگ و 88 میلیون تن سنگ آهک تأثیر مثبت زیادی بر محیط‌ زیست دارد. (مطالع این مقاله کوره ذوب آهن می‌تواند به درک بهتر این پاراگراف به شما کمک کند)

این جدول مقایسه‌ای از ویژگی‌های بازیافت، منابع مورد نیاز و تأثیر بر محیط زیست بین آهن و فولاد را نشان می‌دهد
ویژگی	آهن	فولاد
میزان بازیافت	کمتر	بیشتر
منابع مورد نیاز	کمتر	بیشتر
تأثیر بر محیط زیست	کمتر	بیشتر

 

تفاوت آهن و فولاد در ترکیب شیمیایی

تفاوت اصلی بین آهن و فولاد این است که اولی یک عنصر طبیعی است، در حالی که دومی آلیاژی از آهن و کربن است، چیزی که به طور طبیعی یافت نمی‌شود. فولاد با مخلوط کردن آهن با مقدار کمی کربن، ساخته می‌شود. میزان کربن بر سختی، استحکام، چکش خواری و تردی فولاد تأثیر می‌گذارد. هرچه میزان کربن بیشتر باشد، فولاد سخت‌تر و محکم‌تر می‌شود، اما در عین حال شکننده‌تر و مستعد ترک خوردن است. هر چه میزان کربن کمتر باشد، فولاد نرم‌تر و چکش خوارتر می‌شود، اما در برابر سایش و خوردگی نیز مقاومت کمتری خواهد داشت. از طرف دیگر، آهن یک عنصر فلزی است که ظاهری به رنگ کروم و خاصیت مغناطیسی بالایی دارد. آهن را می‌توان به دو نوع تقسیم کرد: چدن و آهن نرم، که با میزان کربن آنها متمایز می‌شوند. چدن دارای ۲.۱۱٪ تا ۴.۳٪ کربن است، در حالی که آهن نرم دارای کمتر از ۰.۰۲٪ کربن است. چدن سخت و بادوام است، اما شکننده است و نمی‌توان آن را چکش کاری کرد. آهن نرم نرم، قابل انعطاف و چکش خوار است، اما ضعیف بوده و به راحتی دچار خوردگی می‌شود.

تفاوت آهن و فولاد در ترکیب شیمیایی در قالب جدول
ویژگی	آهن	فولاد
ترکیب شیمیایی	عنصری (آهن)	آلیاژی (آهن و کربن)
میزان کربن	کمتر	متغیر
سختی و استحکام	کمتر	متغیر
چکش خواری	بیشتر	متغیر
مقاومت در برابر ترک‌ها	کمتر	متغیر
ویژگی‌های مغناطیسی	دارای خواص مغناطیسی	متغیر

 

تفاوت آهن و فولاد از نظر ساختار

تفاوت دیگر بین آهن و فولاد ساختار آنها در سطح اتمی است. آهن دارای ساختار دستگاه بلوری مکعبی (BCC) است، به این معنی که هر اتم آهن توسط هشت اتم آهن دیگر در گوشه‌های یک مکعب احاطه شده است. از سوی دیگر، فولاد دارای شبکه مکعبی وجوه‌پر (FCC) است، به این معنی که هر اتم آهن توسط شش اتم آهن دیگر در مراکز وجوه یک مکعب احاطه شده است. ساختار FCC فضای بیشتری را برای جای گرفتن اتم‌های کربن بین اتم‌های آهن فراهم می‌کند و یک محلول جامد بینابینی تشکیل می‌دهد. ساختار BCC آهن آن را نسبت به فولاد چکش خوارتر می‌کند، زیرا می‌تواند بدون شکستن به راحتی تحت فشار تغییر شکل دهد. ساختار FCC فولاد آن را نسبت به آهن سفت‌تر می کند، زیرا در برابر تغییر شکل بیشتر مقاومت می‌کند. با این حال، ساختار BCC همچنین باعث می شود آهن نسبت به فولاد مستعد انبساط و انقباض حرارتی باشد و هنگام گرم شدن یا سرد شدن شکل خود را به طور قابل توجهی تغییر می‌دهد.

ویژگی‌های مقایسه‌ای بین ساختار آهن و فولاد
ویژگی	آهن	فولاد
ساختار اتمی	دستگاه بلوری مکعبی (BCC)	شبکه مکعبی وجوه‌پر (FCC)
تعداد اتم‌های احاطه‌کننده برای هر اتم	8	6
مقاومت در برابر تغییر شکل	کمتر	بیشتر
مقاومت در برابر خوردگی و سایش	کمتر	بیشتر
رفتار در برابر تغییرات حرارتی	مستعد انبساط و انقباض حرارتی	کمتر مستعد انبساط و انقباض حرارتی

 

تفاوت قیمت آهن و فولاد

قیمت آهن و فولاد به عوامل مختلفی مانند عرضه و تقاضا، کیفیت، گرید، نوع، اندازه، شکل و غیره بستگی دارد. با این حال، به طور کلی، به دلیل نیاز به فرآوری و پالایش بیشتر برای تولید، فولاد از آهن گران‌تر است. طبق انجمن جهانی فولاد، در سال ۲۰۲۳ قیمت متوسط فولاد حدود ۱۰۰۰ دلار در هر تن (تن متریک) بوده است، در حالی که قیمت متوسط چدن ۴۰۰ دلار در هر تن بوده است. آهن چکش‌خوار حتی ارزان‌تر بود، زیرا بیشتر از ضایعات فلزی بازیافت می‌شد. تفاوت قیمت بین آهن و فولاد نشان دهنده کاربردها و ارزش متفاوت آنهاست. فولاد به دلیل عملکرد و دوام بهتر نسبت به آهن، در صنایع مختلفی مانند ساخت و ساز، حمل و نقل، تولید و غیره کاربرد گسترده‌تری دارد. آهن عمدتا به دلیل خواص مغناطیسی و به عنوان ماده اولیه برای ساخت فولاد استفاده می‌شود. در همین راستا، قیمت تیرآهن یا سایر محصولات این‌چنینی نیز عموماً تحت تاثیر قیمت فولاد قرار دارد.

عوامل تعیین کننده قیمت آهن و فولاد
ویژگی	آهن	فولاد
قیمت متوسط (در هر تن)	حدود ۴۰۰ دلار	حدود ۱۰۰۰ دلار
عوامل تأثیرگذار	عرضه و تقاضا، کیفیت، گرید، نوع، اندازه، شکل و …	عرضه و تقاضا، کیفیت، گرید، نوع، اندازه، شکل و …
عامل اصلی تعیین قیمت	بیشترین عوامل	بیشترین عوامل
دلیل تفاوت در قیمت	نیاز به فرآوری و پالایش کمتر	نیاز به فرآوری و پالایش بیشتر
کاربردها	اصلیا به عنوان ماده اولیه برای ساخت فولاد	در صنایع مختلفی مانند ساخت و ساز، حمل و نقل، تولید و …

 

تفاوت چکش‌خواری فولاد و آهن

چکش‌خواری، توانایی یک ماده برای کشیده شدن یا خم شدن بدون شکستن یا از دست دادن استحکام است. چکش‌خواری ویژگی مهمی برای موادی است که نیاز به تحمل فشار کششی یا تغییر شکل دارند. چکش‌خواری همچنین بر جوشکاری و شکل‌پذیری مواد نیز تأثیر می‌گذارد. چکش‌خواری آهن و فولاد بسته به میزان کربن آنها متفاوت است. همانطور که قبلا گفتیم، هر چه میزان کربن بالاتر باشد، ماده سخت‌تر و محکم‌تر، اما همچنین شکننده‌تر و کمتر چکش‌خوار می‌شود. بنابراین، آهن چکش‌خوار با داشتن کمترین میزان کربن (کمتر از 0.02%)، بالاترین چکش‌خواری را در میان همه انواع آهن و فولاد دارد. آهن چکش‌خوار را می‌توان بدون ترک خوردگی یا شکستگی به سیم تبدیل یا به اشکال مختلف درآورد.

فولاد نسبت به آهن دارای قابلیت چکش‌خواری ضعیف‌تری است، زیرا دارای مقدار متوسط کربن (۰.۰۲٪ تا ۲.۱۱٪) می‌باشد. فولاد را می‌توان تا حدودی بدون شکستن یا از دست دادن استحکام خم یا کشید. با این حال، اگر میزان کربن بیش از حد بالا باشد (بیش از ۰.۸٪)، فولاد کمتر چکش‌خوار شده و جوشکاری یا شکل دادن آن دشوارتر می‌شود. چدن با داشتن بالاترین میزان کربن (2.11%-4.3%) کمترین چکش‌خواری را در بین همه انواع آهن و فولاد دارد. چدن سخت و شکننده است و بدون ترک خوردن یا شکستن نمی‌توان آن را تغییر شکل داد یا شکل داد.

مقایسه قابلیت چکش‌خواری بین آهن، فولاد و چدن
نوع ماده	میزان کربن	قابلیت چکش‌خواری
آهن	کمتر از 0.02%	بالا (قابلیت تغییر شکل بدون شکستگی)
فولاد	0.02% تا 2.11%	متوسط (تا حدودی قابلیت تغییر شکل بدون شکستگی)
چدن	2.11% تا 4.3%	کم (شکننده و غیرقابل تغییر شکل بدون شکستگی)

 

جمع‌بندی مهمترین تفاوت بین آهن و فولاد

در انتها، فکر می‌کنید مهم‌ترین فرق بین آهن و فولاد کدام مورد باشد؟ مهمترین تفاوت بین آهن و فولاد این است که آهن یک عنصر فلزی است که به طور طبیعی در زمین یافت می‌شود، در حالی که فولاد یک آلیاژ دست ساز از آهن و کربن است. این یک تفاوت اساسی و پایه است که بر ترکیب شیمیایی، ساختار، قیمت، شکل پذیری،‌ بازیافت و همه‌چیز آنها تأثیر می‌گذارد. فولاد نسبت به آهن از استحکام، سختی، مقاومت، قابلیت بازیافت و قیمت بالاتری دارد و از سوی دیگر، از شکل پذیری کمتری برخوردار است. از طرف دیگر آهن نرم تر، ضعیف‌تر، شکل پذیرتر، ارزان‌تر و کمتر قابل بازیافت است. در مجموع، آهن و فولاد خواص متفاوتی دارند که هریک از آن‌ها را برای کاربردها و اهداف مختلف مناسب می‌کند. فولاد به دلیل عملکرد و دوام بهتر نسبت به آهن در صنایع مختلف مانند ساخت و ساز، حمل و نقل، تولید و غیره کاربرد بیشتری دارد، ولی آهن عمدتاً به دلیل خواص مغناطیسی و به عنوان ماده اولیه برای ساخت فولاد استفاده می شود.