برای ساخت تیرآهن از چه آلیاژهایی استفاده می کنند؟

در دنیای امروز، ساخت و ساز به عنوان یکی از ارکان اصلی توسعه کشورها شناخته می‌شود. از پل‌ها و برج‌ها گرفته تا ساختمان‌های مسکونی و صنعتی، همه و همه نیازمند مصالحی هستند که در برابر فشار، کشش و عوامل محیطی مقاوم باشند. یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین مصالح ساختمانی، تیرآهن است؛ عنصری کلیدی که نقش اسکلت فلزی در ساختمان‌ها را ایفا می‌کند. اما شاید کمتر کسی بداند که ساخت این قطعه‌ی مهم، نیازمند ترکیبی خاص از مواد است؛ یعنی آلیاژهایی که خواص فیزیکی و شیمیایی ویژه‌ای به تیرآهن می‌دهند.

در این تحقیق، به بررسی دقیق این آلیاژها و دلایل استفاده از آن‌ها در تولید تیرآهن می‌پردازیم.

تیرآهن چیست؟

تیرآهن نوعی پروفیل فولادی است که به صورت مقطع I شکل یا H شکل تولید می‌شود. این مقاطع برای تحمل بارهای خمشی، فشاری و برشی در اسکلت ساختمان به کار می‌روند. تیرآهن‌ها به دلیل شکل هندسی خاص و جنس مقاوم خود، نقش ستون فقرات سازه‌های فلزی را ایفا می‌کنند. اما کیفیت و دوام این محصول مستقیماً به نوع مواد اولیه‌ و فرمولاسیون آلیاژی آن بستگی دارد.

آلیاژ چیست و چرا در تولید تیرآهن اهمیت دارد؟

آلیاژ ترکیبی از دو یا چند عنصر است که در آن حداقل یکی از عناصر فلز است. هدف از ساخت آلیاژ، افزایش مقاومت، سختی، شکل‌پذیری، دوام در برابر خوردگی و ویژگی‌های مکانیکی خاص دیگر است. در تولید تیرآهن، تنها استفاده از آهن خالص کافی نیست، چراکه آهن خالص بسیار نرم است و مقاومت مکانیکی پایینی دارد. به همین دلیل، از آلیاژهایی خاص استفاده می‌شود تا محصول نهایی دارای کیفیت و عملکرد مطلوب باشد.

عناصر اصلی در آلیاژ تیرآهن

عبارتند از:

۱- آهن (Fe)

عنصر پایه در تولید تیرآهن، آهن است. این فلز در حالت خالص خود بسیار نرم است، اما پایه‌ اصلی در تولید فولاد محسوب می‌شود.

۲- کربن (C)

افزودن کربن به آهن، سبب تولید فولاد کربنی می‌شود. درصد کربن در تیرآهن‌ها معمولاً بین ۰٫۲ تا ۰٫۶ درصد است. کربن باعث افزایش سختی و مقاومت کششی تیرآهن می‌شود، اما اگر بیش از حد باشد، موجب شکنندگی فلز خواهد شد.

۳- منگنز (Mn)

منگنز یکی دیگر از عناصر پرکاربرد در تولید تیرآهن است. این عنصر به فولاد کمک می‌کند تا در برابر ضربه مقاوم‌تر شود و همچنین قابلیت جوش‌پذیری را بهبود می‌بخشد. منگنز همچنین از ترک‌خوردگی در هنگام نورد جلوگیری می‌کند.

سیلیکون (Si)

سیلیکون برای افزایش مقاومت به خوردگی و بهبود خواص حرارتی فولاد اضافه می‌شود. همچنین به عنوان عامل احیاءکننده در فرآیند ذوب فولاد کاربرد دارد.

گوگرد (S) و فسفر (P)

هرچند گوگرد و فسفر به صورت ناخالصی در سنگ‌آهن وجود دارند، اما میزان این دو عنصر در فولاد تیرآهن باید تا حد ممکن کم باشد. گوگرد باعث شکنندگی گرم می‌شود و فسفر نیز شکنندگی سرد ایجاد می‌کند. استانداردهای تولید تیرآهن معمولاً حداکثر مقدار مجاز این عناصر را تعیین می‌کنند.

کروم (Cr)

در مواردی که مقاومت بالا در برابر خوردگی یا زنگ‌زدگی مورد نیاز است، مقدار اندکی کروم نیز به آلیاژ اضافه می‌کنند. البته در تیرآهن‌های معمولی به ندرت از کروم استفاده می‌شود، اما در تیرآهن‌های خاص صنعتی این عنصر نقش مهمی دارد.

طبقه‌بندی فولادهای ساختمانی بر اساس آلیاژ

شامل موارد زیر است:

۱- فولاد کربنی ساده (Mild Steel)

این نوع فولاد رایج‌ترین ماده در تولید تیرآهن است. درصد کربن در آن پایین و در نتیجه دارای چکش‌خواری و جوش‌پذیری بالایی است.

۲- فولاد کم‌آلیاژ

در این نوع فولاد، علاوه بر کربن، مقادیر کمی از عناصر آلیاژی مانند منگنز، سیلیکون و آلومینیوم وجود دارد. این فولادها نسبت به فولادهای ساده، مقاومت بیشتری دارند و برای شرایط سخت‌تر کاربرد دارند.

۳- فولادهای پرآلیاژ

در موارد خاص صنعتی (مثلاً تیرآهن‌هایی که در محیط‌های دریایی یا صنعتی قرار دارند)، از فولادهایی با درصد بالای عناصر آلیاژی مانند کروم، نیکل یا وانادیوم استفاده می‌شود. این تیرآهن‌ها در برابر زنگ‌زدگی، حرارت بالا و خوردگی مقاومت ویژه‌ای دارند.

فرآیند تولید تیرآهن

پس از انتخاب و ترکیب آلیاژ مناسب، مراحل زیر برای تولید تیرآهن طی می‌شود:

ذوب و آلیاژسازی: سنگ آهن در کوره بلند ذوب شده و همراه با کربن و سایر عناصر آلیاژی ترکیب می‌شود.

ریخته‌گری: فولاد مذاب را در قالب‌های شمش می‌ریزند.

نورد گرم: شمش‌ها پس از گرم شدن، تحت فشار غلطک‌های مخصوص به شکل تیرآهن با مقاطع I یا H در می‌آیند.

برش و خنک‌کاری: تیرآهن‌ها به طول مشخص بریده شده و پس از خنک شدن، بسته‌بندی می‌شوند.

نتیجه‌گیری

تولید تیرآهن یک فرآیند پیچیده و مهندسی‌شده است که به انتخاب صحیح آلیاژ بستگی دارد. استفاده از عناصر آلیاژی مانند کربن، منگنز، سیلیکون و غیره باعث بهبود خواص مکانیکی و فیزیکی تیرآهن می‌شود. تیرآهنی که با آلیاژ مناسب تولید شود، می‌تواند وزن بالا را تحمل کرده، در برابر زلزله و ضربه مقاوم باشد و سال‌ها بدون افت کیفیت در سازه باقی بماند. بنابراین، شناخت آلیاژهای مورد استفاده در تیرآهن نه تنها برای مهندسان مواد بلکه برای مهندسان عمران و فعالان حوزه ساخت و ساز نیز اهمیت بالایی دارد.