فرق بین فولاد و چدن و آهن چیست؟ بررسی ویژگی های هریک

زمان مطالعه: 10 دقیقه

آهن، فولاد و چدن به عنوان سه ماده پرکاربرد، در ساخت بسیاری از وسایل کاربرد دارند. چدن و فولاد آلیاژهایی بر پایه آهن هستند که مهم ترین تفاوت آن ها، میزان کربن استفاده شده در هر کدام است. اگر دقت کرده باشید، بسیاری از ظروف آشپزخانه از چدن ساخته شده‌ اند. چدن ها همه کاره و مقرون به صرفه‌ اند. اما به نظر شما مهمترین فرق بین فولاد و چدن و آهن چیست؟ در این مقاله قصد داریم به بررسی تفاوت ها و کاربرد هر یک بپردازیم. با ما همراه باشید.

آشنایی با فلز آهن

آهن یکی از مهم‌ ترین و فراوان‌ ترین عناصر روی زمین است که نقش بسیار مهمی در زندگی انسان‌ ها و بسیاری از موجودات زنده دارد. این فلز به دلیل خواص منحصر به فردی مانند استحکام، شکل‌ پذیری و قابلیت ترکیب با عناصر دیگر، از دیرباز مورد توجه بشر بوده است.

نماد شیمیایی و مشخصات اصلی آهن:

• نماد شیمیایی: Fe (از کلمه لاتین Ferrum به معنای آهن)
• عدد اتمی: 26 (یعنی 26 پروتون در هسته اتم آهن وجود دارد)
• جرم اتمی: تقریباً 55.85 واحد جرم اتمی (amu)
• گروه در جدول تناوبی: گروه 8
• دوره در جدول تناوبی: دوره 4
• حالت فیزیکی در دمای اتاق: جامد
• رنگ: نقره‌ای مایل به خاکستری
• چگالی: 7.874 گرم بر سانتی‌متر مکعب

ویژگی‌های مهم فلز آهن عبارتند از:

• استحکام و شکل‌ پذیری: آهن فلزی نسبتاً سخت و در عین حال شکل‌ پذیر است. به همین دلیل به راحتی می‌ توان آن را به شکل‌ های مختلف درآورد و برای ساخت انواع ابزار و سازه‌ ها استفاده کرد.
• مغناطیسی شدن: برخی از آلیاژهای آهن خاصیت مغناطیسی دارند و به همین دلیل در ساخت آهن‌ رباها و تجهیزات الکترونیکی کاربرد دارند.
• واکنش‌ پذیری: آهن با اکسیژن ترکیب شده و زنگ می‌ زند. این فرایند باعث کاهش استحکام آهن می‌ شود.
• رسانایی الکتریکی و حرارتی: آهن رسانای خوبی برای گرما و الکتریسیته است.

آهن به دلیل استحکام و قابلیت شکل‌ پذیری، در ساخت انواع سازه‌ ها مانند ساختمان‌ ها، پل‌ ها و خودروها به کار می‌ رود. فولاد آلیاژی از آهن و کربن است که بسیار سخت‌ تر و مقاوم‌ تر از آهن خالص است. فولاد در ساخت انواع ابزار، وسایل آشپزخانه و قطعات خودرو کاربرد دارد. برخی از آلیاژهای آهن در ساخت قطعات الکترونیکی مانند هسته ترانسفورماتورها استفاده می‌ شوند. آهن در ساخت توربین‌ های بادی و قطعات نیروگاه‌ های برق نیز کاربرد دارد.

چدن چیست؟

چدن یکی از آلیاژهای آهن است که مقدار قابل توجهی کربن (بین ۲ تا ۴ درصد) دارد. این عنصر کربن به همراه عناصر دیگری مثل سیلیسیم، منگنز و گوگرد، به چدن خواص ویژه‌ ای می‌ بخشد. چدن به دلیل وجود کربن آزاد، شکننده‌ تر از فولاد است و به راحتی می‌ شکند.

نقطه ذوب چدن نسبت به فولاد پایین تر است، به همین دلیل قابلیت ریخته‌ گری بسیار خوبی دارد و به راحتی می‌ توان آن را در قالب‌ های مختلف ریخت. همچنین چدن به دلیل وجود کربن آزاد، مقاومت سایشی بالایی دارد. چگالی بالا در این آلیاژ باعث شده که در ساخت قطعاتی که نیاز به وزن زیاد دارند، استفاده شود.

انواع چدن

چدن‌ ها بر اساس ساختار میکروسکوپی و خواص مکانیکی به انواع مختلفی تقسیم می‌ شوند که از جمله آن‌ ها می‌ توان به موارد زیر اشاره کرد:

چدن خاکستری

چدن خاکستری به دلیل داشتن تخلخل و حفره های کمتر در ساختار خود، از رسانایی گرمایی بالاتری نسبت به سایر انواع چدن برخوردار است. به همین دلیل، از چدن خاکستری در ساخت ظروف آشپزخانه استفاده می شود. از دیگر ویژگی های این فلز، جنس سخت و شکننده آن است. از دیگر موارد مصرف چدن خاکستری می توان به نکات زیر اشاره کرد:

• پایه های ماشین
• بلوک موتور
• محفظه های موتور الکتریکی
• لوله های چدنی
• چرخ دنده

چدن سفید

چدن سفید از سرد شدن سریع چدن خام تولید می شود. در این فرایند، کربن موجود در ساختار چدن فرصت کافی برای تبدیل شدن به گرافیت را ندارد. به همین دلیل، به رنگ سفید (نقره فام) در می آید. ضمنا باید به این نکته توجه داشته باشید که چدن سفید، ترد است و خاصیت شکنندگی زیادی دارد.

چدن سخت

چدن سخت به دلیل روند ساخت خاصی که دارد، از مقاومت بالایی برخوردار است و دیرتر ساییده می شود. علت نام گذاری این فلز، همین ویژگی است. برای ساخت چدن سخت، ابتدا آن را گرم کرده و سپس سطح آن را به سرعت سرد می کنند. این موضوع، موجب می شود تا سطح این فلز از نوع چدن سفید و بخش داخلی آن، به صورت چدن خاکستری شکل بگیرد.

چدن نرم

چدن نرم محصولی است که برای افزایش قابلیت چکش خواری و شکل پذیری انواع چدن تولید شده است. در تولید این فلز، تکه هایی از چدن سفید و خاکستری را با مقداری گرد سنگ مخلوط می کنند و حرارت می دهند. طی این فرایند، مقداری از کربن موجود در ساختار چدن خارج می شود تا بخشی از خاصیت ترد بودن و شکنندگی آن کاهش یابد. از چدن نرم برای تولید یراق در و پنجره، قفل، کلید و شیر آب استفاده می‌کنند.

فولاد چیست و چه ویژگی هایی دارد؟

فولاد آلیاژ آهنی سخت و محکمی است که از دو عنصر اصلی آهن و کربن ساخته می شود. در تولید انواع مختلف فولاد، کمتر از 2 درصد کربن مورد استفاده قرار می گیرد. بنابراین بسته به میزان کربن موجود، خاصیت سختی یا شکندگی فولاد تغییر می کند.

به عنوان مثال، فولاد ضدزنگ حاوی 1.2 درصد کربن است. عنصر دیگری که در ساختار فولاد استفاده می شود، کروم است. این عنصر، قابلیت ضدزنگ فولاد را تامین می کند و کمی براق است؛ در حالی که فولادی که با عنوان مات شناخته می شود، خاصیت براقیت کمتری دارد.

انواع فولاد

فولادها بر اساس ترکیب شیمیایی و روش تولید به انواع مختلفی تقسیم می‌ شوند. برخی از مهم‌ ترین انواع فولاد عبارتند از:

1. فولاد نرم (Mild Steel)

فولاد نرم کمترین میزان کربن را در بین فولادها دارد. شکل‌ پذیری، جوش‌ پذیری و چکش خواری آن بالاست؛ استحکام کششی متوسطی دارد. قیمت آن نسبت به سایر فولادها پایین‌ تر است.

کاربردها: ساخت سازه‌ های فلزی (مانند تیرآهن، نبشی و ناودانی)، ساخت ورق‌ های فلزی برای سقف و دیوار، ساخت لوله‌ ها و اتصالات ساخت بدنه خودرو، ساخت قطعاتی که نیاز به جوشکاری دارند و… همگی به کمک فولاد نرم انجام می شود.

2. فولاد متوسط (Medium Carbon Steel)

درصد کربن در فولاد متوسط، بین 0.2 تا 0.6 درصد است. از فولاد متوسط معمولا برای ساخت ریل، دیگ بخار و حتی ماشین آلات استفاده می شود. میزان کربن این فولاد بیشتر از فولاد نرم است. استحکام کششی و سختی بالاتری نسبت به فولاد نرم دارد اما شکل پذیری و جوش پذیری آن کمتر است.

کاربردها: ساخت محورها و شفت‌ ها، ساخت چرخ‌ دنده‌ ها، ساخت فنر و ساخت ابزار آلات دستی همگی با استفاده فولاد متوسط انجام می شود.

3. فولاد سخت (High Carbon Steel)

فولاد سخت بیشترین میزان کربن را در بین فولادها دارد به همین دلیل سخت‌ ترین و مقاوم‌ ترین نوع فولاد است. قابلیت سخت‌ کاری بسیار بالایی دارد و به دلیل شکل پذیری و جوش پذیری بسیار پایین، شکننده تر از سایر فولادهاست.

کاربردها: ساخت ابزارآلات برشی (مانند تیغه چاقو، قیچی و اره)، ساخت قالب‌های صنعتی و ساخت فنرهای بسیار قوی با استفاده از فولاد سخت انجام می شود.

جدول مقایسه ویژگی های مختلف انواع فولاد، به صورت زیر است:

ویژگی	فولاد نرم	فولاد متوسط	فولاد سخت
میزان کربن	کم	متوسط	زیاد
استحکام	متوسط	بالا	بسیار بالا
سختی	کم	متوسط	بسیار بالا
شکل‌پذیری	بالا	متوسط	کم
جوش‌پذیری	بالا	متوسط	کم
قیمت	پایین	متوسط	بالا

مهمترین ویژگی‌ های فولاد

فولاد به عنوان یکی از پرکاربردترین آلیاژهای فلزی در جهان، به دلیل مجموعه ای از ویژگی‌ های منحصر به فرد خود، جایگاه ویژه‌ ای در صنایع مختلف پیدا کرده است. در ادامه به برخی از مهمترین ویژگی‌ های فولاد اشاره می‌ کنیم.

1. استحکام بالا
   • مقاومت کششی عالی: فولاد توانایی تحمل نیروهای کششی بسیار بالایی دارد و به همین دلیل در ساخت سازه‌های بزرگ، پل‌ها و ساختمان‌ها استفاده می‌شود.
   • مقاومت فشاری خوب: فولاد در برابر نیروهای فشاری نیز مقاومت خوبی از خود نشان می‌دهد.
   • مقاومت برشی بالا: فولاد در برابر نیروهای برشی نیز مقاوم است و به همین دلیل در ساخت قطعاتی که تحت تنش‌های برشی قرار می‌گیرند، مانند پیچ و مهره، استفاده می‌شود.
2. شکل‌پذیری
   • قابلیت شکل‌ دهی: فولاد را می‌ توان به شکل‌ های مختلف مانند ورق، لوله، میلگرد و پروفیل درآورد.
   • قابلیت جوشکاری: بسیاری از انواع فولاد را می‌ توان به راحتی جوشکاری کرد.
   • قابلیت ماشینکاری: فولاد را می‌ توان به راحتی برش، سوراخکاری و تراشکاری کرد.
3. مقاومت در برابر سایش
   • مقاومت سایشی بالا: برخی از انواع فولاد، به ویژه فولادهای آلیاژی، مقاومت سایشی بسیار بالایی دارند و به همین دلیل در ساخت ابزارآلات برش و قطعاتی که در معرض سایش مداوم هستند، استفاده می‌ شوند.
4. مقاومت در برابر خوردگی
   • فولادهای ضد زنگ: برخی از انواع فولاد، به ویژه فولادهای ضد زنگ، مقاومت بسیار بالایی در برابر خوردگی دارند و در محیط‌ های خورنده مانند محیط‌های دریایی استفاده می‌ شوند.
5. هدایت حرارتی و الکتریکی
   • هدایت حرارتی خوب: فولاد رسانای خوبی برای گرما است و به همین دلیل در ساخت مبدل‌ های حرارتی و قطعات موتور استفاده می‌ شود.
   • هدایت الکتریکی خوب: فولاد رسانای خوبی برای جریان الکتریکی است و به همین دلیل در ساخت ترانسفورماتورها و موتورهای الکتریکی استفاده می‌ شود.

در کل، فولاد به دلیل تنوع بسیار زیاد در ترکیب شیمیایی و روش‌ های تولید، طیف گسترده‌ ای از خواص مفید را دارد و به همین دلیل در صنایع مختلف، از ساخت ساختمان‌ ها تا تولید خودرو و… استفاده می شود.

البته باید به این موضوع دقت داشته باشید که خواص فیزیکی فولاد با استفاده از فرایندهایی که با عنوان نورد گرم یا سرد شناخته می شوند، قابل تغییر است.

فرق بین فولاد و چدن و آهن چیست؟

مقایسه آهن، فولاد و چدن بر اساس چند معیار قابل انجام است. با اطلاع از این موارد، می توانید بهترین محصول را برای کار خود انتخاب کنید. اما برخی از این معیارها عبارتند از:

• مشاهده سطح دو فلز: از روی ظاهر به راحتی می توان آهن، فولاد و چدن را از هم تشخیص داد. سطح فلز آهن به رنگ خاکستری تیره و براق است؛ در حالی که سطح چدن مات، کدر و تیره یا سفید است. همچنین فولاد بر اساس عناصر موجود در ساختار خود، دارای جلای براق یا مات است.
• رنگ فلز ذوب شده: در صورت ذوب شدن آهن، فولاد و چدن، این فلزات دچار تغییر رنگ می شوند. از این نکته می توان برای تشخیص آن ها استفاده کرد. اگر رنگ فلز گداخته قرمز باشد، چدن است. این در حالی است که اگر رنگ فلز گداخته سفید باشد، آهن است.
• تست براده :چدن فلزی ترد است. پس براده‌ آن نیز ترد و شکننده است. در صورت وجود دستگاه تراش یا فرز، می‌توان قسمتی از فلز مورد نظر را ماشین‌کاری کرد. اگر براده ناپیوسته باشد، فلز چدن است و اگر براده پیوسته باشد، آهن است. البته انجام این تست با یک قلم تیز هم امکان پذیر است. با برداشتن یک لایه نازک از فلز، اگر لایه مانند نوار برداشته شد، آهن و اگر براده ها ریز برداشته شدند، فلز چدن است.
• آلیاژ به کار رفته: فولاد باید شامل حداقل 50 % آهن و یک یا چند عنصر آلیاژی دیگر باشد. از متداول ترین عناصر به کار رفته در فولاد می‌توان به کربن، منگنز، سیلیسیم، نیکل، کرم، مولیبدن، تیتانیوم و حتی آلومینیوم اشاره کرد. این در حالی است که در آلیاژ چدن عناصر دیگری با درصدهای متفاوت استفاده می شوند.
• نقطه‌ی ذوب: از نظر نقطه‌ ذوب، آهن، فولاد و چدن به همین ترتیب و از بیشترین به کمترین قرار می گیرند. یکی از روش های تشخیص چدن از آهن، همین ویژگی است.
• آسیب‌ پذیری: چدن نسبت به آهن در برابر خوردگی آسیب‌پذیر‌تر است؛ همچنین نسبت به فولاد و آهن، بسیار خشک و خمش ناپذیر است.
• هزینه: برای مقایسه تفاوت فولاد و چدن از نظر هزینه، باید گفت که چدن خرج کمتری خواهد داشت.
• شکستگی: از دیگر تفاوت های آهن، فولاد و چدن این است که چدن به راحتی می‌شکند و در محل ناخالصی‌ها ترک می خورد؛ در صورتی که فولاد به راحتی شکسته نمی شود و قابل انعطاف است.

تشخیص چدن از آهن

چدن و آهن دو فلز بسیار شبیه به هم هستند که اغلب با یکدیگر اشتباه گرفته می‌ شوند. هر دو از آهن به عنوان عنصر اصلی تشکیل شده‌ اند اما تفاوت در میزان کربن و عناصر آلیاژی دیگر، خواص و کاربردهای آن‌ها را به طور قابل توجهی متفاوت می‌ کند. در این مقاله به روش‌ های مختلف تشخیص چدن از آهن می‌ پردازیم.

روش‌ های تشخیص چدن از آهن

1. تست براده:

• با استفاده از یک ابزار تیز مانند چاقو یا قلم، سعی کنید از سطح فلز براده بردارید.
• چدن: براده‌ های چدن کوتاه، ترد و به صورت پودر در می‌ آید.
• آهن: براده‌ های آهن بلندتر و انعطاف‌ پذیرتر هستند.

2. تست جرقه:

• با سایش فلز بر روی یک سنگ سنباده، جرقه‌ هایی ایجاد می‌ شود.
• چدن: جرقه‌ های چدن کوتاه‌ تر و پرشعاع‌ تر هستند.
• آهن: جرقه‌ های آهن بلندتر و باریک‌ تر هستند.

3. تست چگالی:

• چدن معمولاً چگالی کمتری نسبت به آهن دارد. با استفاده از ترازوی دقیق می‌ توان چگالی نمونه را محاسبه کرد.

4. تست سختی:

• چدن معمولاً سخت‌ تر از آهن است. با استفاده از دستگاه سختی‌ سنجی می‌ توان سختی نمونه را اندازه‌ گیری کرد.

5. تست ساختاری:

• با استفاده از میکروسکوپ می‌ توان ساختار کریستالی چدن و آهن را بررسی کرد. این روش دقیق‌ ترین روش برای تشخیص است، اما نیاز به تجهیزات تخصصی دارد.

6. تست شیمیایی:

• با انجام آزمایش‌ های شیمیایی می‌ توان میزان کربن و عناصر آلیاژی دیگر را در نمونه اندازه‌ گیری کرد.

تفاوت فولاد و چدن

فولاد و چدن دو آلیاژ مهم و پرکاربرد هستند که هر دو بر پایه آهن ساخته می‌ شوند. با این حال، تفاوت‌ هایی در ترکیب شیمیایی، خواص و کاربردهای آن‌ ها وجود دارد که باعث می‌ شود برای مصارف مختلف مناسب باشند. درصد کربن فولاد و چدن، بسیار متفاوت است.

از لحاظ ترکیبات شیمیایی فولاد آلیاژی از آهن و کربن است که معمولاً بین 0.2 تا 2.1 درصد کربن دارد. علاوه بر کربن، عناصر آلیاژی دیگری نیز مانند منگنز، سیلیکون، کروم، نیکل و مولیبدن به فولاد اضافه می‌ شود تا خواص آن بهبود یابد. چدن آلیاژی از آهن و کربن است که بین 2 تا 4 درصد کربن دارد. علاوه بر کربن، عناصر آلیاژی دیگری مانند سیلیکون و منگنز نیز در چدن وجود دارد.

از لحاظ خواص مکانیکی فولاد معمولاً استحکام کششی بالا، شکل‌ پذیری خوب و چکش‌ خواری مناسبی دارد. اما چدن معمولاً سخت‌ تر و شکننده‌ تر از فولاد است. مقاومت سایشی بالایی دارد اما شکل‌ پذیری آن کمتر است.

در ساختار میکروسکوپی فولاد دارای ساختار پرلیتی است. در حالی که چدن ساختار میکروسکوپی پرک مانند یا کاربیدی دارد.

ویژگی	فولاد	چدن
میزان کربن	0.2 تا 2.1 درصد	2 تا 4 درصد
استحکام	بالا	متوسط
شکل‌پذیری	بالا	کم
شکنندگی	کم	زیاد
مقاومت سایشی	متوسط	بالا
کاربردها	سازه‌ها، خودرو، ابزارآلات	قطعات موتور، لوله‌ها، دریچه‌ها

آهن و فولاد چه فرقی دارند؟

آهن و فولاد هر دو از فلزات پرکاربرد هستند، اما تفاوت‌ های اساسی دارند. آهن یک عنصر خالص است که به طور طبیعی در زمین یافت می‌ شود و نرم، چکش‌ خوار و مستعد زنگ‌ زدگی است. اما فولاد، آلیاژی از آهن و کربن است که گاهی با افزودن عناصر دیگر مانند منگنز، سیلیکون و کروم خواص آن بهبود می‌ یابد.

حضور کربن و عناصر آلیاژی باعث می‌ شود فولاد سخت‌ تر، قوی‌ تر و مقاوم‌ تر از آهن در برابر خوردگی باشد. به همین دلیل، فولاد در مقایسه با آهن، کاربردهای بسیار گسترده‌ تری در صنایع مختلف دارد.

ویژگی	آهن	فولاد
ترکیب	عنصر خالص	آلیاژ (آهن + کربن + عناصر آلیاژی)
استحکام	کم	بالا
شکل‌پذیری	بالا	متوسط تا بالا (بسته به نوع فولاد)
مقاومت در برابر خوردگی	کم	بالا (به ویژه فولاد ضد زنگ)
کاربردها	محدود (به دلیل زنگ زدگی آسان)، ساخت آهنربا	سازه‌های ساختمانی، خودرو، ابزارآلات، ریل قطار و بسیاری از محصولات دیگر

در مجموع تفاوت آهن، فولاد و چدن از ویژگی های ساختاری این سه شروع می شود و به قابلیت های فیزیکی می رسد. با توجه به عناصری که در ساختار هر یک استفاده می شود، آهن، فولاد و چدن از نظر قابلیت شکنندگی، چقرمگی، شکل پذیری، چکش خواری و… با یکدیگر تفاوت دارند. در پایان، اگر سوالی در مورد هر یک از این فلزات دارید، می توانید در قسمت نظرات مطرح کنید تا توسط کارشناسان ما پاسخ داده شود.