همه چیز در رابطه با فلز آهن و خواص و ویژگی های آن

آهن (نماد = Fe) یکی از فلزهای پرکاربرد است که در گروه ۸ و دوره ۴ جدول تناوبی قرار دارد. عدد اتمی این فلز ۲۶ است و اصلی‌ترین عنصر سازنده هسته زمین به شمار می‌رود. فلز آهن از نظر فراوانی بر روی سطح زمین در رتبه چهارم قرار دارد و دارای ۴ ایزوتوپ طبیعی است. این فلز معمولا به صورت ترکیبی با اکسیژن و در قالب سنگ‌های معدنی اکسید آهن در طبیعت پیدا می‌شود.

از جمله این سنگ‌های معدنی می‌توان به هماتیت و مگنتیت اشاره کرد. فلز آهن نیز مانند بسیاری از فلزهای دیگر دارای خواصی همچون چکش‌خواری و رسانای الکتریکی است. بهتر است بدانید حدود ۲۰۰۰ هزار قبل از میلاد مسیح انسان‌ها توانستند آهن را استخراج کرده و از آن برای ساخت اشیا مختلف استفاده کنند. اگر دوست دارید اطلاعات بیشتری در رابطه با فلز آهن و خصوصیات آن به دست آورید تا انتها همراه ما باشید.

 

 

فلز آهن چیست و چه خواصی دارد؟

آهن ماده‌ای سخت است که در جدول تناوبی عناصر با نماد Fe شناخته می‌شود. این فلز از لحاظ فراوانی در سطح پوسته زمین در رده چهارم قرار دارد و در صورت قرار گرفتن در معرض هوا و رطوبت دچار زنگ‌زدگی می‌شود. بهتر است بدانید بیش از ۹۰ درصد از فلزهای مورد استفاده در صنایع را آهن تشکیل می‌دهد. آهن خالص به رنگ خاکستری نقره‌ای و سطح آن صاف و بکر است.

این عنصر طیف گسترده‌ای از حالت‌های اکسیداسیون از -۲ تا ۷ را دارد؛ اما رایج‌ترین حالت‌های اکسیداسیون آن آهن (||) و آهن (|||) است. هسته این عنصر دارای بالاترین انرژی اتصال در هر نکلئون شناخته می‌شود. چگالی آهن ۷۸۷۴ کیلوگرم بر متر مربع و وزن اتمی آن ۵۵.۸۴۷ گرم بر مول است.

آهن خالص معمولا حالتی نرم دارد؛ اما با اضافه کردن مقدار کمی کربن به آن مقاومتش تا دو برابر افزایش پیدا می‌کند. کربن به اندازه‌ای مقاومت آهن را افزایش می‌دهد که آلیاژهای آن مثل فولاد می‌توان تا ۱۰۰۰ برابر سخت‌تر از آهن خالص باشد.

در جدول زیر می‌توانید خواص فیزیکی، شیمیایی و اتمی آهن را مشاهده کنید.

 

شعاع اتمی	۱۲۶ pm
تعداد پروتون/ الکترون	۲۶
تعداد نوترون	۳۰
نقطه ذوب	۱۵۳۵ درجه سانتی‌گراد
نقطه جوش	۲۷۵۰ درجه سانتی گراد
ایزوتوپ‌ها	۸
ایزوتوپ‌های مصنوعی	۱۶
شعاع کووالانسی	۱۱۷ pm
شعاع واندروالس	۰.۱۲۶ nm

 

بهتر است بدانید آهن به صورت خالص مورد استفاده قرار نمی‌گیرد؛ بلکه آلیاژهای آن مثل فولاد و چدن هستند که در صنایع مختلف به کار برده می‌شوند.

 

مقاله پیشنهادی جهت مطالعه : ۷ کاربرد آهن در صنعت های مختلف

 

آشنایی با ویژگی‌های بی‌نظیر آهن

فلز آهن خواص و ویژگی‌های بسیاری زیادی دارد که همین مساله سبب شده تا به‌عنوان پرکاربردترین فلز در صنایع شناخته شود. در همه سازه‌ها، خودروها، وسایل آشپزخانه و هر وسیله دیگری که ساخته می‌شود رد پایی از آهن وجود دارد. در این بخش قصد داریم خواص و ویژگی‌های آهن را به طور کامل بررسی کنیم تا شناخت دقیقی نسبت به آن داشته باشید.

• به فراوانی در پوسته زمین وجود دارد

آهن بعد از اکسیژن، سیلیسیم و آلومینیوم چهارمین عنصر فراوان در پوسته زمین است. فراوانی این عنصر حدود ۵ درصد بوده و از معادن قابلیت استخراج دارد. کانی‌های مختلفی از آهن در پوسته زمین وجود دارد که از فراوان‌ترین آن‌ها می‌توان به اکسید آهن یا هماتیت (Fe2O3)، مگنیت (Fe3O4)، لیمونیت (Fe2O3) و سیدریت (FeCO3) اشاره کرد.

معادن آهن در بسیاری از کشورها از جمله کشور ایران به فراوانی یافت می‌شود. بهتر است بدانید بزرگترین منابع آهن در کشورهای کانادا، روسیه، چین، برزیل، هندوستان و استرالیا قرار دارد. بیشترین تولیدات آهن از سنگ معدن نیز مربوط به کشورهای ژاپن، آمریکا، روسیه، چین، آلمان و برزیل است.

• قابلیت شکل‌پذیری بالا

یکی از خواص بسیار مهم فلز آهن که آن را از سایر فلزات متمایز می‌کند قابلیت شکل‌پذیری آن است. شکل‌پذیری یعنی اینکه فلز بتواند تنش کششی را بدون شکست تحمل کند. به بیان ساده‌تر فلزات انعطاف‌پذیر را می‌توان تا میزان دلخواه تحت تنش کششی قرار داد بدون اینکه مقاومت خود را از دست دهند. معمولا اکثر فلزات در دمای بالا قابلیت انعطاف‌پذیری دارند؛ اما در دمای پایین شکننده هستند و با کوچکترین تغییر شکل دچار شکستگی می‌شوند. فلز آهن از این قاعده مستثنی بوده و هم در دمای بالا و هم در دمای پایین از قابلیت شکل‌پذیری بسیار مناسبی برخوردار است.

مهمترین عامل تاثیرگذار در میزان شکل‌پذیری یک فلز نحوه ساختار الکترون‌ها در داخل اتم است. فلزهایی که دارای الکترون‌های ظرفیتی بیشتری هستند قابلیت شکل‌پذیری بالایی دارند. در کارخانه‌ها آهن و فولاد را با اعمال فشار تغییر شکل می‌دهند و اشکال مختلفی را تولید می‌کنند.

فلزاتی که قابلیت شکل‌پذیری بالایی دارند در سازه‌های مهم مثل پل‌ها و ساختمان‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای مثال ستون‌های اصلی ساختمان از فولاد ساخته می‌شود تا در زمان زلزله به جای شکستن خم شوند و ایمنی افراد ساختمان افزایش پیدا کند.

• خاصیت چکش‌خواری بالا

خاصیت بعدی که فلز آهن دارد و باعث افزایش محبوبیت آن می‌شود خاصیت چکش‌خواری است. این خاصیت به فلز امکان می‌دهد تا در مقابل اعمال فشار یا نورد به ورق‌های نازک تبدیل شود؛ بدون اینکه در این عملیات شکست اتفاق بیفتد. دقت داشته باشید خاصیت چکش‌خواری با شکل‌پذیری کاملا متفاوت است و امکان دارد یک فلز فقط یکی از این‌ها را داشته باشد. برای مثال فلز چدن فقط خاصیت چکش‌خواری را دارد و شکل‌پذیر نیست.

وجود قابلیت چکش‌خواری بالا باعث می‌شود تا بتوان انواع مختلفی از ورق‌های فولادی از جمله ورق سیاه، ورق روغنی، ورق گالوانیزه و ورق رنگی را از آهن تولید کرد.

یکی از مهمترین مسائلی که در چکش‌خواری اهمیت دارد دما است. زمانی که دما افزایش پیدا می‌کند استحکام فلز کم شده و در نتیجه فرایند شکل‌دهی آسان می‌شود.فلز آهن و یکی از آلیاژهای آن یعنی فولاد فرفورژه خاصیت چکش‌خواری بالایی دارند و امکان تبدیل آن‌ها حتی به سیم‌های نازک نیز وجود دارد.

• فلز آهن سخت، محکم و بادوام است

از دیگر ویژگی های فلز آهن سختی بالا و استحکام بالای آن است. سختی نشان می‌دهد که آهن چقدر در مقابل تغییر شکل موضعی مقاومت دارد. برای مشخص کردن سختی یک فلز از معیاری به نام Mohs استفاده می‌کنند که سختی را بر طبق میزان سایش سطح مشخص می‌کند. برای مثال زمانی که ماده A ماده B را خراش می‌دهد یعنی ماده اول سخت‌تر از ماده دوم است. بر طبق این معیار میزان سختی آهن برابر با ۴ تعیین می‌شود.

علاوه بر روش Mohs مقیاس‌های دیگری هم برای بررسی سختی فلزات به کار برده می‌شود که از جمله آن‌ها می‌توان به تست سختی راکول، تست سختی برینل، ویکرز و میکرو سختی اشاره کرد.

دقت داشته باشید صنعتگران و متخصصان حوزه فولاد به آهنی که در ترکیب خود علاوه بر کربن عناصر دیگری همچون نیکل، کروم و مولیبدن دارد آهن سخت می‌گویند. این آهن مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارد و میزان استحکام آن بسیار بالا است.

بالا بودن میزان سختی آهن باعث می‌شود تا از آن در صنایع مختلفی همچون ساختمان سازی، خودروسازی و صنایع بزرگ و حساس استفاده کنند.

• قابلیت بازیافت و استفاده مجدد را دارد

در میان همه فلزات آهن بیشترین سهم را به خود اختصاص داده و از این جهت ارزش بسیار بالایی دارد. این فلز قابلیت بازیافت دارد و می‌توان بعد از انجام عملیات مربوطه مجددا آن را در صنعت مورد استفاده قرار داد. این مساله سبب می‌شود تا استفاده از منابع کاهش یافته و محیط زیست و منابع طبیعی حفظ شود. همچنین استفاده مجدد از آهن باعث می‌شود با هزینه کمتر نسبت به تامین قطعات مورد نیاز در صنایع خودروسازی، ساختمان سازی و ماشین سازی اقدام کرد.

برای بازیافت آهن ابتدا ضایعات آن را جمع‌آوری می‌کنند. معمولا در همه شهرها مراکزی وجود دارد که ضایعات آهنی و دور ریخته را از افراد می‌خرند. این ضایعات بعد از جمع آوری به کارخانه‌ها و کارگاه‌ها فرستاده می‌شوند تا بعد از ذوب شدن و از بین بردن ناخالصی‌ها دوباره به قطعات جدید تبدیل شوند.

در حالت کلی می‌توان فواید بازیافت فلز آهن را در موارد زیر خلاصه کرد:

کاهش آلودگی محیط: بازیافت آهن نسبت به استخراج به انرژی کمتری نیاز دارد؛ به همین دلیل میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای و مصرف انرژی‌های فسیلی به میزان قابل توجهی کاهش پیدا می‌کند.

حفظ منابع طبیعی: با بازیافت و استفاده از مجدد از آهن و فولاد مقدار استخراج از معادن کشف شده کاهش پیدا می‌کند؛ در نتیجه منابع طبیعی کشور حفظ می‌شود.

ایجاد فرصت شغلی: بازیافت فلزات باعث ایجاد شغل‌های زیادی به صورت مستقیم و غیرمستقیم می‌شود.

کاهش ضایعات فلزی: هر قطعه یا وسیله‌ای که با آهن ساخته می‌شود بعد از گذشت مدتی کاربرد خود را از دست می‌دهد. اگر نتوانیم از آهن به صورت مجدد استفاده کنیم ضایعات آهنی زیاد شده و مشکلات متعددی را به وجود می‌آورد.

• قابلیت تبدیل شدن به آلیاژهای مختلف را دارد

خاصیت بسیار مهم بعدی که فلز آهن دارد امکان ساخت آلیاژهای مختلف از آن است. آلیاژ به ماده‌ای می‌گویند که از ترکیب چند عنصر با یکدیگر به وجود می‌آید. در آلیاژهای آهنی عنصر اصلی فلز آهن است که در کنار آن از عناصر دیگری همچون مولیبدن، نیکل و منگنز استفاده می‌کنند. هر کدام از این عناصر خاصیت خاصی را به فلز آهن اضافه کرده و باعث افزایش کارایی آن می‌شوند.

همانطور که در بالا اشاره کردیم آهن در تماس با اکسیژن خیلی زود دچار زنگ‌زدگی و خوردگی می‌شود. برای اینکه مقاومت آهن در برابر خوردگی بیشتر شود در ترکیب آن از عنصر کروم استفاده می‌کنند که در نهایت فولاد زنگ نزن به وجود می‌آید.

آلیاژهای مختلفی از آهن در بازار وجود دارد که در جدول زیر می‌توانید نام، ترکیب و ویژگی‌های هر کدام را مشاهده کنید.

نام آلیاژ	عناصر به کار رفته	ویژگی ها
فولاد نرم	۰.۱۵ الی ۰.۳ درصد کربن	چکش‌خوار، انعطاف‌پذیر، سخت و دارای استحکام کششی بالا
فولاد متوسط	۰.۳۵ الی .۰۷ درصد کربن	استحکام کششی بالا، سخت، انعطاف‌پذیری کمتر نسب به فولاد نرم
فولاد کربن بالا	۰.۷ الی ۱.۵ درصد کربن	سختی بالا و انعطاف‌پذیری کم
چدن	۱ الی ۳ درصد سیلیکون، فسفر، گوگرد، منیزیم و ۲.۵ درصد کربن	مقاومت در برابر زنگ‌زدگی و پوست سخت
فولاد پر سرعت	کروم، وانادیوم، کبالت و ۰.۳۵ الی ۰.۷ درصد کربن	مقاومت بسیار بالا در برابر حرارت و سایش
فولاد ضد زنگ	کربن، ۸ درصد منیزیم، ۸ الی ۲۲ درصد نیکل و ۱۶ الی ۲۶ درصد کروم	مقاومت بالا در برابر خوردگی و سختی و استحکام زیاد

 

مقاله پیشنهادی جهت مطالعه : کاربرد آهن آلات در ساختمان سازی چیست؟

 

• هزینه استخراج پایین

آهن در کنار همه ویژگی‌ها و خواصی که در بالا معرفی کردیم هزینه استخراج پایینی نسبت به سایر فلزات دارد؛ این مساله سبب می‌شود تا خرید و استفاده از محصولات فولادی برای ساخت و ساز و سایر کاربردها توجیه اقتصادی داشته باشد. از آنجایی که آهن یک محصول استراتژیک است و تاثیر مستقیمی بر روی همه صنایع دارد هر چقدر قیمت تمام شده آن پایین باشد نقش مثبتی در پیشرفت خواهد داشت.

• آهن رسانای الکتریکی است

ویژگی و خاصیت دیگری که فلز آهن دارد رسانای الکتریکی بودن است. در دنیای مدرن برای اینکه بتوانند انرژی الکتریکی را به صورت بهینه و موثر انتقال دهند نیاز به فلزات رسانا دارند. فلزات رسانا اجازه می‌دهند جریان الکتریکی از آن‌ها عبور کند. میزان رسانایی بودن فلزات را با واحدی به نام IACS مشخص می‌کنند که بر طبق آن آهن خالص در رتبه ۸ قرار می‌گیرد. بهتر است بدانید از آهن در صنعت برق برای انتقال جریان الکتریکی استفاده نمی‌کنند و فلز مس بیشترین کاربرد را به خود اختصاص داده است.

• آهن سریع زنگ می‌زند

زنگ زدگی یکی از واکنش‌های شیمیایی طبیعی است که بر روی همه قطعات ساخته شده ازفلز آهن مشاهده می‌کنید. این واکنش شیمیایی خیلی سریع اتفاق می‌افتد و اگر توجهی به آن نشود مشکلات زیادی را به وجود می‌آورد. زمانی که فلز آهن در معرض اکسیژن و هوای آزاد قرار می‌گیرد خیلی زود واکنش داده و لایه‌ای قهوه‌ای رنگ بر روی فلز ایجاد می‌شود. به این لایه در اصطلاح اکسید آهن می‌گویند. بهتر است بدانید زنگ زدن اولین مرحله از پوسیدگی آهن به شمار می‌رود.

در صنایع برای اینکه جلوی زنگ زدگی آهن گرفته شود از روش‌های مختلفی استفاده می‌کنند که یکی از پرکاربردترین آن‌ها گالوانیزه کردن است. در این روش آهن را در حمامی از فلز روی فرو می‌برند. فلز روی از آهن در مقابل خوردگی و زنگ زدگی محافظت کرده و طول عمر آن را به مقدار قابل توجهی افزایش می‌دهد.

• محصولات بسیار زیادی از آن تولید می‌شود

آهن یکی از فلزات بسیار پرکاربرد در جهان است که تجهیزات و وسایل مختلفی را با آن درست می‌کنند؛ از کوچک‌ترین تجهیزات گرفته تا تجهیزات بزرگ و حساس. برخی از کاربردهای مهم آهن عبارتند از:

1. 1. ساخت اسکلت ساختمان‌ها
   2. ساخت بدنه اتومبیل‌ها
   3. ریل راه آهن
   4. چهارچوب تجهیزات صنعتی
   5. کشتی‌های بزرگ
   6. ساخت وسایل آشپزخانه
   7. ساخت پیچ و مهره و میخ

صنعت ساختمان سازی از جمله صنایعی است که به طور گسترده از آهن در بخش‌های مختلف استفاده می‌کند. تیرآهن، نبشی، توری، لوله، میلگرد و ناودانی از جمله محصولات تولید شده با فلز آهن است.

از جمله محصولات بسیار مهم و استراتژیک که از آهن و آلیاژهای آن ساخته می‌شود لوله مانیسمان است. از این لوله در صنایع بزرگ و کوچک برای جابه‌جایی مواد شیمیایی، مواد سمی و مایعات و گازها با فشار و دمای بالا استفاده می‌کنند. این لوله به صورت یکپارچه و بدون درز ساخته می‌شود و به همین دلیل در مقابل فشار و دما مقاومت بسیار بالایی دارد و دچار شکستگی و خوردگی نمی‌شود.

• سایر مشخصات و ویژگی‌های فلز آهن

علاوه بر مواردی که در بالا اشاره کردیم آهن خواص دیگری نیز دارد که از جمله آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

1. 1. آهن در دمای ۷۷۰ درجه سیلسیوس از حالت پارا مغناطیسی به حالت فرومغناطیسی تغییر حالت پیدا می‌کند.
   2. این فلز در دمای اتاق به صورت فریت (α-) بوده و ساختار مکعبی دارد. چگالی این آهن ۷.۸۶ گرم در سی سی بوده و در دمای ۹۱۰ درجه سانتی‌گراد تبدیل به آهن γ می‌شود.
   3. آهن در گوشت، محصولات غذایی، بدن انسان، سبزیجات و سیب زمینی نیز وجود دارد. وجود این فلز برای بدن ضروری بوده و کمبود آن مشکلات زیادی را به وجود می‌آورد.

 

“در حدود ۱٬۴۰۰ پیش از میلاد، از ساخته‌های آهنی در قلمرو هیتی‌ها در ارمنستان کنونی استفاده می‌شد که این به عنوان نخستین شواهد مصرف این عنصر است.”

منبع: ویکی پدیا

سخن پایانی در رابطه بافلز آهن و خواص و ویژگی های آن

آهن از نظر جرم فراوان‌ترین و از لحاظ فراوانی چهارمین عنصر در پوسته زمین است. همچنین آهن کم‌هزینه‌ترین فلز به شمار می‌رود و هزینه استخراج پایینی دارد. این موارد در کنار سایر ویژگی‌ها باعث می‌شود تا استفاده از آهن گسترده باشد. در این نوشته از آهن یک سعی کردیم همه چیز در رابطه با فلز آهن و خواص و ویژگی‌های آن را بررسی کنیم. خوشحال می‌شویم نظرات خود را در این رابطه با ما به اشتراک بگذارید.

در بازرگانی آهن ۱ انواع محصولات فولادی از جمله لوله مانیمسان، لوله درزدار، تیرآهن، نبشی، توری، ناودانی و انواع اتصالات با بالاترین کیفیت و قیمت مناسب تامین و در اختیار مصرف‌کنندگان قرار می‌گیرد. خرید از آهن یک به صورت کاملا آنلاین انجام می‌گیرد و کافی است محصول مورد نظر را در سایت انتخاب کرده و سفارش خود را ثبت نمایید. مقطع فلزی در سریع‌ترین زمان بارگیری شده و به آدرس اعلامی در سراسر کشور ارسال می‌شود.

چنانچه در رابطه با خدمات این مجموعه نیاز به راهنمایی بیشتری داشتید با یکی از شماره‌های درج شده در سایت تماس بگیرید.