الحديد والفولاذ هما مادتان أساسيتان تستخدمان على نطاق واسع في مختلف الصناعات والتطبيقات الهندسية. على الرغم من أن كلاهما يعتمد على الحديد كعنصر أساسي، إلا أن لهما خصائص مختلفة تجعلهما مناسبين لأغراض مختلفة. تهدف هذه المقالة إلى استعراض الاختلافات الرئيسية بينهما.
الاختلافات الجوهرية بين الحديد والفولاذ
تتنوع الاستخدامات والتطبيقات التي يتم فيها استخدام الحديد والفولاذ بسبب الاختلافات العديدة بينهما، والتي تتضمن:
القوة والوزن
يتميز الفولاذ بقوة أكبر من الحديد، بالإضافة إلى كثافته العالية. هذه الخاصية تجعله مناسبًا للاستخدام في مشاريع البناء والهندسة المدنية. لقد حل الفولاذ محل الحديد تدريجياً في البناء منذ القرن التاسع عشر، عندما أصبح متاحًا بكميات كبيرة. وعلى الرغم من قوته العالية، إلا أن الفولاذ يتميز أيضًا بخفة وزنه مقارنة بالحديد، مما يجعله مفضلاً في التطبيقات التي تتطلب تحملًا عاليًا للضغط والإجهاد مع الحفاظ على الوزن.
الصلابة والتحمل
يعتبر الفولاذ من بين المواد الأكثر صلابة المستخدمة في البناء مقارنة بالحديد. إنه مقاوم للتشقق والانقسام والتأثر بالظروف البيئية المتغيرة مثل الرياح والأمطار. كما أنه يتمتع بمقاومة جيدة للعفن والصدأ، ويتحمل درجات الحرارة العالية والضغوط الكبيرة. هذه الخصائص تجعله خيارًا ممتازًا لضمان استدامة البناء على المدى الطويل.
مقاومة الصدأ والتآكل
يمتاز الفولاذ بمقاومته العالية للتآكل مقارنة بالحديد. فهو أقل عرضة للصدأ والأكسدة بسبب طبيعته غير المسامية، مما يجعله أقل تأثرًا بالماء. لحسن الحظ، هناك العديد من الطرق التي يمكن استخدامها لزيادة مقاومة الفولاذ للتآكل عند تعرضه للماء أو الرطوبة، مثل استخدام الدهانات والبخاخات الواقية، والطلاء بمواد مقاومة للحريق.
السعر والتكلفة
بسبب هيكله الأخف مقارنة بالحديد، يعتبر إنتاج الفولاذ أقل تكلفة. وقد ساهم الطلب المتزايد على الفولاذ منذ الثورة الصناعية في زيادة إنتاجه. في المقابل، يتطلب إنتاج الحديد معدات أكثر تكلفة مقارنة بالفولاذ.
سهولة التشكيل والاستخدام
يفضل المهندسون المعماريون استخدام الفولاذ لسهولة ثنيه وتشكيله وتكييفه مع أي تصميم. يتميز الحديد أيضًا بسهولة استخدامه، خاصة عند دمجه مع عناصر أخرى. كان الحديد شائع الاستخدام في العصر الفيكتوري من قبل المهندسين، ولا يزال يستخدم حاليًا في التفاصيل التي تتطلب زخرفة.
الاستدامة وإعادة التدوير
يتميز كل من الحديد والفولاذ بالاستدامة، حيث يمكن إعادة تدوير الفولاذ بنسبة 100% وإعادة استخدامه عدة مرات دون فقدان متانته. وينطبق الشيء نفسه على الحديد، حيث يمكن إعادة تدويره بالكامل.
تركيبة المادة
الحديد هو عنصر كيميائي، بينما الفولاذ هو سبيكة تتكون من الحديد والكربون معًا. يتميز الفولاذ بإمكانية مزجه مع معادن أخرى مثل الكروم، مما يمنحه خاصية مقاومة الصدأ.
الخواص المغناطيسية
طبيعة عنصر الحديد الخام الهشة تجعل سبائك الفولاذ تتفوق عليه من ناحية كونها الأكثر مغناطيسية واستقرارًا.
الحديد
يرمز لمعدن الحديد بالرمز (Fe)، وهو يمتلك رقمًا ذريًا 26. إنه معدن لامع ومرن في الوقت نفسه، ويتميز بخصائصه المغناطيسية في جذب المعادن الأخرى، وقدرته على عكس الضوء الواقع عليه بسبب طلائه بالكروم.
لقد استخدم الحديد في البناء منذ 6000 عام مضت، حيث استخدم في بناء هيكل كل من برج إيفل وتمثال الحرية. إنه معدن شائع الاستخدام في شتى أنحاء الأرض. غالبًا ما يتم دمج الحديد مع عناصر أخرى من أجل تشكيل سبائك أكثر قوة ومرونة من الحديد نفسه.
يعتبر الحديد أيضًا من المعادن الأساسية التي تمد جسم الإنسان بالعناصر الغذائية المهمة في بناء الهيموجلوبين الموجود في خلايا الدَّم الحمراء. يمكن للإنسان الحصول عليه من الأغذية التي يتناولها، ومنها:
- اللحوم الحمراء
- الدجاج
- المحار
- البقوليات كالعدس والفول
- الخبز
- الخضراوات
- الحبوب المدعمة
- الأسماك
الفولاذ
الفولاذ هو سبيكة معدنية تتكون من عنصري الحديد والكربون، وكميات صغيرة من المعادن الأخرى. إضافة الكربون إليه هي الصفة التي تميزه عن الحديد. يحتوي الفولاذ على ما يصل إلى 2.14% من الكربون، مما أحدث تغييرًا فيزيائيًا كبيرًا، حيث جعله أقوى بكثير من الحديد الخام.
الفولاذ من صنع الإنسان ولا يمكن إيجاده بصورة طبيعية على سطح الأرض، كما أنه لا يدخل في النظام الغذائي للإنسان على عكس الحديد. تنتج الصين نصف كمية الفولاذ عالميًا.
يتم تصنيع الفولاذ عن طريق تسخين الحديد والكربون وبعض المعادن الأخرى معًا حتى تذوب ويسهل تفاعلها مع الأكسجين، ثم تتشكل وتتكون سبيكة الفولاذ. تستخدم الكهرباء أو اللهب لإتمام العملية بدقة.
أنواع الحديد والفولاذ
فيما يلي أبرز أنواع الحديد والفولاذ:
أصناف الحديد
تتعدد أنواع الحديد التي تعدل وتصنع اعتمادًا على نسبة الكربون التي تحتويها، وسنذكر بعضها فيما يلي:
- الحديد الزهر: هو سبيكة من الحديد مع الكربون بنسبة عالية تصل إلى (3-4) %، بالإضافة إلى الفسفور والمنغنيز والسيليكون، التي تضفي عليه الصلابة الشديدة. هناك عدة أنواع فرعية تندرج تحته اعتمادًا على توزيع الكربون داخله، فمنه الحديد الزهر الرمادي والحديد الزهر الأبيض.
- الحديد المطاوع: هو الحديد الذي يحتوي على كمية قليلة جدًا من الكربون، ويتميز بنعومته وممانعته من التعرض للصدأ، لكنه قليل الصلابة. ينتج بكميات قليلة، وهو رخيص الثمن وذو جودة جيدة نوعًا ما، وكان هو الحديد الأكثر شيوعًا بين الناس قبل القرن التاسع عشر.
أصناف الفولاذ
تتعدد أنواع الفولاذ كما يلي:
- الفولاذ الكربوني: هو الفولاذ الذي يحتوي على نسبة كربون تبلغ حوالي (1-2) %، وما دون ذلك يسمى بالفولاذ منخفض الكربون. يدخل في العديد من الصناعات، مثل أجسام السيارات والسفن والمحركات والعلب الفولاذية.
- سبائك الفولاذ: هي خليط من الحديد والكربون وبعض العناصر المعدنية الأخرى، مثل النحاس أو الكروم أو المنغنيز أو النيكل أو الفاناديوم. تعطي هذه العناصر سبائك الفولاذ ميزة خاصة تميزه عن الفولاذ الكربوني.
- فولاذ الأدوات: هو الفولاذ المخصص لصنع الأدوات والقوالب والآلات. يتكون من حديد وكربون وعناصر إضافية مثل النيكل والتنجستن والموليبدينوم، مما يضفي خاصية مقاومة الصدأ وزيادة الصلابة. تسمى آلية تكوين فولاذ المعدات بالتقسية.
- الفولاذ المقاوم للصدأ: هو النوع الأكثر انتشارًا وفي متناول الأيدي، إذ يدخل في صناعة أدوات المطبخ والأدوات الطبية. يتميز باحتوائه على نسبة عالية من الكروم والنيكل، مما يضفي عليه خاصية مقاومته للصدأ المميزة.
اعتمادًا على الفروقات بين الحديد والفولاذ، هناك العديد من الاختلافات بينهما من حيث القوة والمتانة والوزن وقابلية التآكل وسهولة الاستخدام. من الجدير بالذكر أن عنصر الكربون يلعب دورًا كبيرًا في إحداث التغير وتعدد الأنواع والصفات والخصائص.
المراجع
- steelfab (3/7/2018),”What Is the Difference Between Iron and Steel?”,steelfabservices.com.au
- Wasatch Steel,”Comparing Steel and Iron”,wasatchsteel.com
- “Iron vs Steel: Is There a Difference? Here are the Facts”,getmetals.com
- “Iron vs Steel: What’s the Difference?”,monroeengineering.com, 27/11/2019
- “WHAT’S THE DIFFERENCE BETWEEN IRON AND STEEL?”,benchmarksteel.com, 18/5/2020
- Chris Woodford (3/12/2020),”Iron and steel”,explainthatstuff.com
