شاید تا به امروز تعریف ذهنی شما از فولاد، یک فلز بسیار محکم و یا نوعی آهن مستحکم بوده است. اما آیا واقعاً فولاد یک فلز است؟ خیر! فولاد نوعی فلز نیست بلکه یک آلیاژ است. آلیاژ به ترکیبی از فلزات و نافلزات گفته می‌شود که در آنها حداقل دو جزء با یکدیگر ترکیب شده اند.
در تعریف دقیقتر، فولاد آلیاژی از آهن و کربن با مقدار کربن بین 0.002 تا 2.1 درصد می باشد و سایر عناصر آلیاژی مانند کروم، نیکل، منگنز و... به مقدار متفاوت در ترکیب انواع فولادها وجود دارند. آهن، عنصر آلیاژی اصلی در فولادها می باشد و درنتیجه، فولادها یک خانواده بزرگ از آلیاژهای آهنی را تشکیل می‌دهند. از آنجایی که میزان کربن موجود در فولادها مهمترین فاکتور محسوب می‌شود، بنابراین انواع فولادها براساس ترکیب شیمیایی و میزان کربن، به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شوند که در ادامه آنها را بررسی خواهیم کرد.
اما نکته مهم اینجاست که اگر میزان کربن در فولاد بیش از 2 درصد شود، دیگر آن آلیاژ فولاد نیست! آلیاژی از آهن و کربن که بیش از 2 درصد کربن دارد را چدن می‌گویند. بنابراین، این کربن است که تعیین میکند یک آلیاژ همچون فولاد آن‌قدر مستحکم و بادوام باشد یا اینکه با تبدیل به چدن، سخت و شکننده شود.
استحکام فولاد، با میزان کربن محلول به شدت افزایش می‌یابد اما از طرفی این افزایش سختی باعث کاهش قابلیت جوشکاری و افزایش احتمال شکست ترد می‌شود. پس کربن فولاد را ترد میکند و به تاب کششی آن می‌افزاید. مرز تناسب میان تنش و انبساط فولاد را بالا می‌برد و سختی آن را افزایش میدهد. هر چه کربن در فولاد کمتر باشد، جنس آن نرم تر و چکش خوری آن بیشتر است. استحکام فولادهای فریتی (فرومغناطیس) رابطه معکوسی با شکل‌پذیری دارد. تلفیق استحکام و شکل‌پذیری با پایدارسازی فاز آستنیت (پارامغناطیس) در فولادهای مدرن چندفازی قابل بهبود می باشد.
همانطور که گفته شد، فولاد یک آلیاژ بر پایه آهن است که توانسته به کمک کربن و سایر عناصر آلیاژی، استحکام و کاربرد خود را گسترش دهد. در حالی که آهن، تنها یکی از عناصر جدول تناوبی مندلیف است که استحکام لازم برای کاربردهای مهندسی را نداشته و نمی‌تواند به تنهایی مورد استفاده قرار بگیرد. در واقع تمامی مقاطع آهنی موجود در بازار، فولادهای آلیاژی و استنلس استیل نوعی فولاد می‌باشند که میزان کربن و نوع عناصر آلیاژی آنها با یکدیگر متفاوت است. لازم به ذکر است در تمامی فولادهای ساخته شده در دنیا، میزان کربن موجود در ساختار، کمتر از ۲/۱ درصد می‌باشد. استفاده از کربن بیش از این مقدار، منجر به تولید چدن بجای فولاد می‌شود.
تولید فولاد به روش خمیری یک قدیمی می باشد که در حال حاضر دیگر کاربردی ندارد. در این روش آهن خام در تشت کوره‌ی شعله‌ای گذاشته می‌شود و روی آن شعله دمیده می‌شود تا مذاب شود. آهن‌خام آب شده را به هم می زدند تا کربن آن با تماس با اکسیژن هوا بسوزد، کم‌کم که کربن آهن خام می سوخت، درجه ذوب شدنش بالا می‌رفت و خمیری می‌شد. خمیر فولاد به صورت تکه‌تکه با گازانبر از کوره بیرون آورده می‌شود و با پتک روی آن می‌کوبند تا سرباره شان بریزد و یکپارچه شوند. این روش به دلیل اینکه فولاد بدست آمده کیفیت یکسانی نداشت مورد استفاده قرار نمیگیرد.
در حال حاضر تقریباً تمامی فولادها از طریق ذوب آهن به روشهای مختلف بدست می آیند، که در ادامه به توضیح سه روش خواهیم پرداخت.
در روش کوره القایی آهن قراضه و آهن اسفنجی به کمک انرژی الکتریکی به فولاد تبدیل می شود. در این روش از جریان های متناوب برای ایجاد گرمای لازم، برای ذوب فلز استفاده می شود. پوشش آنها از موادی مانند آلومینا، سیلیس و منیزیم ساخته شده است. این کوره ها برای ذوب فلزات مانند آهن و همچنین فلزات غیر آهنی به خوبی کار می کنند. درون کوره القایی کویل های مس قرار دارد که با آب سرد می شوند.
قاعده کلی ذوب القایی این است که یک منبع الکتریکی با ولتاژ بالا از کویل اولیه یک جریان بالا با ولتاژ پایین، در فلز یا کویل ثانویه را ایجاد می کند. گرمایش القایی به سادگی یک روش انتقال انرژی گرمایی می باشد. کوره های القایی برای ذوب و آلیاژ کردن انواع مختلف فلزات با حداقل هدر رفتگی ذوب ایده آل می باشد. با این حال، می توان فلز را کمی تصفیه کرد.
در روش‌هایی که از کنوروتور استفاده می‌شود، آهن‌خام مذابی که از فرآیند کوره بلند به دست آمده‌است را درون کنورتور ریخته تا با استفاده از دمش گاز اکسیژن کربن اضافی آن سوزانده شود. بدین ترتیب کربن فولاد به میزان مورد نظر خواهد رسید. سپس با اضافه کردن عناصر آلیاژی به آن استحکام فولاد افزایش خواهد یافت.
مواد شارژی این کوره جهت تولید فولاد بیشتر قراضه آهن(Scrap Steel) یا مخلوطی از قراضه و آهن اسفنجی می باشد. در ابتدا آهن اسفنجی تولید شده در فرآیند احیای مستقیم درون کوره قوس الکتریکی ریخته می‌شود تا ذوب شود. دمای این کوره‌ها به حدی است که در همان ذوب اولیه، فولاد با درصد کربن نسبتاً پایین تولید می‌شود. سپس فولاد تولید شده درون کوره پاتیلی ریخته می‌شود تا در آنجا عملیات آلیاژسازی انجام شود. این عملیات شامل تنظیم کردن میزان کربن، اضافه کردن عناصر آلیاژی و یکدست‌سازی ترکیب فولاد می باشد.
پس از بدست آمدن ترکیب شیمیایی مورد نظر، لازم است آن را به صورت مورد نیاز ریخته‌گری کرد. در اکثر موارد فولاد بدست آمده به صورت تختال، تیرآهن و یا میلگرد ریختگری مداوم می‌گردد.
مقالات تخصصی در حوزه مواد و مصالح ساختمانی را مطالعه نمایید.
مهمترین خواص فولادها شامل موارد زیر می‌شوند:
فولادها براساس فاکتورهای مختلفی طبقه‌بندی می‌شوند. برخی از مهمترین این فاکتورها شامل طبقه‌بندی براساس ترکیب شیمیایی، روش تولید، نوع ریزساختار و ... می‌شوند. در مقاله انواع فولاد، بیشتر با این دسته‌بندی‌ها آشنا شوید.
جهت مطالعه ادامه مقاله اینجا کلیک کنید.
