فولاد چیست؟
فلز فولاد آلیاژی تشکیل شده از آهن است که 2 درصد ترکیب آن را کربن تشکیل می‌دهد. اگر میزان کربن کمتر از این حد باشد، ویژگی‌های آن به آهن نزدیک می‌شود و اگر بیشتر شود، نام چدن می‌گیرد. تمام این‌ها به شرطی است که دست‌کم پنجاه درصد آلیاژ، آهن باشد در غیر این صورت اصلا فولاد نامیده نمی‌شود.
تولید فولاد یک صنعت قدیمی است که سابقه آن در جهان به چندین قرن و حتی در برخی مناطق به چندین هزاره بازمی‌گردد. آنچه اهمیت دارد تولید گسترده و پیشرفته فولاد است که به چند دهه اخیر مربوط می‌شود.
در سال 2013 تولید فولاد خام جهان 1.6 میلیارد تن بوده است. امروز فولاد چنان اهمیتی در توسعه زیرساختی و صنعتی دارد که به عنوان یک شاخص اصلی توسعه کشورها مطرح می‌شود.
سهولت تولید و فراوری
فراوانی دو ماده اصلی برای تولید آن یعنی سنگ آهن (آهن اسفنجی) و قراضه
هزینه ساخت نسبتا کم
دامنه‌ای بی‌نظیر از خواص مکانیکی مانند استحکام کشش نهایی
کاربردهای گسترده در صنایع گوناگون ازجمله سازه‌های زیرساختی، ساختمان‌سازی، خودروسازی و ساخت وسایل حمل‌ونقل بزرگ، ساخت ابزار، تجهیزات و ماشین‌آلات، تجهیزات نظامی و …
همه این موارد سبب می‌شود فولاد یکی از بیشترین فلزات تولید شده توسط بشر باشد. انواع فولاد از نظر خواص شیمیایی و فیزیکی می‌توانند دسته‌بندی‌های گوناگونی را به وجود آورند که یکی از مهمترین و پرکاربردترین آن‌ها ورق استنلس استیل است. برای آشنایی با انواع فولاد ابتدا باید دید ویژگی‌های فولاد چیست.
فولاد از چه فلزاتی تشکیل شده
فولاد از آهن و کربن تشکیل شده است. به طور کلی، درصد کربن در فولاد حدود 0.2 تا 2.1 درصد است و مقدار آهن بیشتر از 98 درصد می‌باشد. این دو عنصر به صورت آلیاژ با یکدیگر ترکیب می‌شوند تا خواص مکانیکی، سختی و مقاومت فولاد بهبود یابد.
مشخصات فولاد چیست؟
مشخصات فولاد شامل ویژگی‌ها و خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی این فلز است. این مشخصات برای تعریف و تفکیک انواع فولادها استفاده می‌شود و به طور کلی شامل موارد زیر می‌باشد:
ترکیب شیمیایی: شامل درصد عناصر مختلف در فولاد است که بر اساس آن، فولاد به گروه‌های مختلف تقسیم می‌شود. عناصر اصلی در فولاد عبارتند از آهن (Fe)، کربن (C)، منگنز (Mn)، سولفور (S)، فسفر (P) و سایر عناصر کمتر رایج.
خواص فیزیکی: شامل خواص نظیر چگالی، نقطه ذوب، نقطه جوش، راندمان حرارت‌بردار، هدایت الکتریک و حجم خمیر است.
خواص مکانيكي: شامل خواص نظیر استحكام كششي (تحمل فشار)، استحكام كششي، سختي، انعطاف‌پذيري و تغيير شكل پذيري است.
خواص حرارتی: شامل خواص نظیر راندمان حرارتی، ضریب گسترش حرارتی و مقاومت در برابر حرارت است.
خواص الکترومغناطیسی: شامل خواص نظیر مقاومت الکتریکی و مقاومت مغناطیسی است.
خواص کوروزیون: شامل خواص نظیر مقاومت به زنگ زدگی و تأثیرات شیمیایی دیگر است.
همچنین، بسته به نوع فولاد (فولاد کربنی، فولاد آلیاژی و غیره)، مشخصات دقیق‌تر و جزئی‌تر دیده می‌شود که بسته به نحوه استفاده از فولاد در صنایع مختلف (ساختمان‌سازی، خودروسازی، صنایع دریایی و …) تعداد و اهمیت هر گروه از مشخصات ممکن است متفاوت باشد.
بیشترین سهم در ترکیب فولاد را آهن از آن خود کرده است. آهن در حالت جامد یک فلز چندبلوری است. به این معنا که از بلورهای متعددی تشکیل می‌شود که به یکدیگر چسبیده‌اند.
آهن مذاب تصفیه شده با افزودن کربن و برخی فلزات دیگر مانند نیکل، منگنز، کروم، تیتانیوم و وانادیم در مقدار معین تبدیل به فولاد می‌شود.
برخی از فولادهای خاص ممکن است در ترکیب خود مولبیدن یا تنگستن یا عناصری دیگر را جای دهند. دیگر فلزاتی که ممکن است در فولاد وجود داشته باشند، سیلیسیم، کبالت، نیوبیوم، گوگرد، فسفر، کلسیم و سرب هستند.
به آهن و کربن دمای زیادی داده می‌شود و این دو باهم ترکیب می‌شوند. از ترکیب آن‌ها کاربید آهن با نام سمنتیت شکل می‌گیرد. با سرد شدن سریع سمنتیت، فولاد شکل می‌گیرد. ویژگی فولاد سختی و درخشندگی است. این فلز در دمای 1510 درجه سانتیگراد ذوب می‌شود بنابراین نقطه ذوب بسیار بالایی دارد. چگالی آن نیز برابر با 7.9 گرم در سانتی‌متر مکعب است.
سختی فولاد بیشتر از عنصر پایه‌اش آهن است و مقاومت کششی زیادی دارد که سبب می‌شود در برابر فشارهای وارد شده به این سادگی‌ها شکل و خواص خود را از دست ندهد. به همین دلیل کاربرد فولاد در انواع صنایع فراوان و بی‌نظیر است.
البته میزان مقاومت و سختی در انواع فولاد گوناگون است و باید دید ترکیب آلیاژی در فولاد چیست و به چه صورت تنظیم شده است.
در کل ترکیب آلیاژی انواع فولاد به گونه‌ای است که سبب می‌شود این ویژگی‌ها را کم‌وبیش در خود داشته باشند:
قابلیت سخت‌کاری
مقاومت در برابر سایش
مقاومت در برابر حرارت
چقرمگی و استحکام
ریز بودن میکروساختار
قابلیت ماشین‌کاری
روش تولید فولاد
فولادسازی به روش‌های گوناگونی صورت می‌گیرد. یکی از آن‌ها روش استفاده از آهن و کوره قوس الکتریکی است. پیش‌تر دانستیم که دو ماده اصلی فولاد چیست. قراضه و آهن اسفنجی در کوره قوس الکتریکی قرار می‌گیرند.
ابتدا آهن قراضه وارد کوره می‌شود و پس از این‌که با ایجاد قوس الکتریکی ذوب شد، آهن اسفنجی در کوره به آن ملحق می‌شود.
ویژگی‌های فیزیکی قراضه باید استاندارد باشد تا عملیات قوس به درستی صورت گیرد. در غیر این صورت ممکن است اتفاقاتی از این قبیل رخ دهد:
شکستن الکترودها
انفجار
ذوب و سرریز شدن فولاد
کاربرد فولاد چیست؟
کاربرد فولاد با توجه به ویژگی‌ها و انواعی که دارد، بسیار گسترده و گوناگون است. گفتیم انواع فولاد از نظر درصد آلیاژ و نوع ترکیب‌ها باهم متفاوت هستند. این گوناگونی انواع در کاربرد فولاد نیز تأثیر دارد. اگر ریزترین و جزئی‌ترین صنایع (مانند ساخت ابزارهای کارگاهی و آشپزخانه) تا صنایع عظیم (مانند ساخت کشتی و هواپیما، پالایش نفت و پتروشیمی و یا ساختمان‌سازی) را در نظر بگیریم، نقش اساسی و غیرقابل جایگزین فولاد در آن‌ها رخ می‌نماید.