تعریف آهن و فولاد

آهن يا واژه آنگلوساكسون به معني فلز مقدس است. نماد فلز آهن Fe از واژه لاتين Ferrum   اقتباس شده است. آهن دومين فلز فراوان و چهارمين عنصر فراوان در پوسته زمين با فراواني 5 درصد و ششمين ماده باريوني فراوان در كهكشان راه شيري ميباشد [1 .[جدول 1-1 خواص فلز آهن را نشان ميدهد.

عدد اتمی (g·mol−1)	جرم اتمی (g·mol−1)	ظرفیت گرمایی (J·mol−1·K−1) ﻩﮋﻳﻭ	نقطه جوش (°C)	نقطه ذوب (°C)	چگالی (g·cm-3)	ویژگی های فیزیکی
26	55/845	25/10	2862	1538	7/874	آهن

آهن فلزي خالص كاربرد بسيار محدودي در مهندسي دارد چون داراي استحكام بسيار پايين و مقاومت اندك در برابر خوردگي است. آهن خالص جامد بين دماي محيط و دماي ذوبش، دچار دو تغيير در ساختمان بلوري ميشود. آهن يك ساختار بلوري در دماهاي پايين و خيلي زياد و يك ساختار بلوري در دماهاي بينابين دارد. زير 912 درجه سانتيگراد، آهن داراي ساختار بلوري مكعب مركزدار( bcc) است.
اين ماده، آهن آلفا (iron-α) ناميده ميشود. در دماهاي بالاتر از °1395 تا نقطه ذوب، آهن همچنان داراي ساختار بلوري bcc است و در اين دامنه دمايي به آن آهن دلتا (iron δ) ميگويند. در دماهاي متوسط بين C°912 تا C°1395 ساختمان بلوري آهن، مكعب با وجوه مركزدار (fcc) است و آهن گاما (iron – γ) ناميده ميشود. نحوه چيدمان اتمها در ساختارهاي آهن در شكل 1-1 قابل مشاهده است.

شكل 1-1 ساختار بلوري آهن- مكعبي مركزدار(bcc) و مكعبي با وجوه مركزدار(fcc)

کلمه فولاد به آلياژهايي گفته ميشود كه حداقل پنجاه درصد آن را آهن تشكيل ميدهد و شامل يك يا 1 كلمه فولاد چند عنصر ديگر ميباشد. اين عناصر معمولا شامل كربن، منگنز، سيليسيم، نيكل، كرم، واناديم، موليبدن، تيتانيوم، نيوبيم و آلومينيوم هستند. كربن به عنوان مهمترين ماده آلياژي فولاد محسوب ميگردد هر چند كه ممكن است در انواع مختلف فولاد، مواد آلياژي ديگري نيز به ميزان زيادتري يافت شود يا حتي كربن در بعضي از آلياژهاي فولاد ناخالصي محسوب شود. كربن در آهن bcc حل شده و يك محلول جامد به نام فريت (Ferrite) تشكيل ميدهد. حل شوندگي كربن در فريت آلفا حداكثر 025/0 درصد و در فريت دلتا 09/0 درصد است. كربن در ساختار بلوري گاما (fcc) حل شده و محلول جامد آستنيت (Austenite) به دست ميآيد. حل شوندگي كربن در fcc اندكي بيشتر بوده و به ميزان 14/2 درصد ميرسد. با افزايش ميزان كربن در آلياژ آهن تا حداكثر 67/6 درصد، ميتوان فاز كاربيد آهن يا سمنتيت (Cementite) را به دست آورد كه ساختاري ترد و شكننده دارد. ميزان حداكثر انحلال كربن در آهن براي فازهاي مختلف در دماهاي مختلف روي ميدهد و فولادهاي مختلف را از يكديگر متمايز ميسازد. با توجه به آلياژ فولاد و نرخ سرد كردن آن پرليت (Pearlite) يا مارتنزيت (Martensite) ميتواند تشكيل شود. مارتنزيت هنگام سرد شدن سريع آلياژ فولاد به دست ميآيد. ميزان كربن موجود در فولاد معمولاً بين 025/0 تا 14/2 درصد تغيير ميكند. آلياژ آهن با كربن بين 14/2 تا 67/6 درصد چدن ناميده ميشود [2 .[خواص چدن و فولاد به درصد كربن، فلزهاي آلياژ دهنده و عمليات حرارتي انجام شده بر روي آنها بستگي دارد.