آهن یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین فلزات در صنایع مختلف است. ویژگی‌های منحصر به فرد این فلز، مانند استحکام بالا، مقاومت در برابر خوردگی و قابلیت شکل‌پذیری، آن را به یکی از فلزات محبوب و مورد استفاده بشر تبدیل کرده است. آهن در طبیعت به ندرت به صورت خالص یافت می‌شود؛ زیرا اکسیژن موجود در سنگ‌های معدنی مانند سنگ آهن باید از طریق فرآیندهای ذوب و احیا جداسازی شود تا بتوان به فلز آهن دست یافت. این فرآیند که در صنایع فولادسازی انجام می‌گیرد، باعث می‌شود که آهن خالص تولید و در انواع کاربردها مورد استفاده قرار گیرد.
چگالی آهن یکی از ویژگی‌های فیزیکی مهم آن است که در بسیاری از محاسبات و کاربردهای مهندسی نقش بسزایی ایفا می‌کند. چگالی آهن به عوامل مختلفی مانند نوع آلیاژ، میزان ناخالصی‌ها و حتی فشردگی ساختار بلوری آن بستگی دارد و واحد آن، کیلوگرم بر مترمکعب (kg/m3) است. شناخت این ویژگی و بررسی عوامل موثر بر آن، اهمیت زیادی در طراحی و ساخت قطعات، ماشین‌آلات و سازه‌های مهندسی دارد.
چگالی آهن چقدر است؟ نحوه محاسبه چگالی آهن و فولاد
چگالی به نسبت جرم به حجم یک ماده اطلاق می‌شود. برای محاسبه چگالی هر جسم، باید جرم آن را بر حجم آن تقسیم کرد. در مورد آهن، جرم یک متر مکعب آهن، برابر با 7860 کیلوگرم است.
این چگالی نسبتا بالا نشان می‌دهد که آهن یک ماده فشرده و متراکم است. به عبارت دیگر، آهن دارای جرم زیادی در حجم کمی است. چگالی بالا باعث می‌شود که خواص مکانیکی آهن مانند استحکام و سختی آن نیز نسبتا بالا باشد.
برای محاسبه چگالی، باید جرم و حجم نمونه‌ای از ماده را اندازه‌گیری کرد. فرمول چگالی به صورت زیر است:
چگالی = جرم / حجم
برای محاسبه چگالی آهن، ابتدا باید نمونه‌ای از آهن را تهیه کرد و جرم و حجم آن را اندازه‌گیری نمود. جرم را می‌توان با استفاده از ترازو و حجم را با استفاده از ظرف مدرج یا روش دیگری همچون جابجایی مایع اندازه گیری کرد.
مثلا اگر جرم نمونه آهن 100 گرم و حجم آن 12.7 سانتی متر مکعب باشد، چگالی آهن برابر خواهد بود با:
چگالی آهن = 100 گرم / 12.7 سانتی متر مکعب = 7.87 گرم بر سانتی متر مکعب
برای محاسبه چگالی فولاد نیز به همین روش عمل می‌کنیم. با توجه به اینکه فولاد، آلیاژی از آهن با کربن و دیگر عناصر است، چگالی آن کمی متفاوت از چگالی آهن خواهد بود.
معمولا چگالی فولاد بین 7750 تا 8050 کیلوگرم بر متر مکعب متغیر است. این اختلاف چگالی به ترکیب شیمیایی فولاد بستگی دارد. هرچه درصد کربن و سایر عناصر آلیاژی در فولاد بیشتر باشد، چگالی آن نیز افزایش می‌یابد.
به طور مثال، اگر نمونه‌ای از فولاد را با جرم 150 گرم و حجم 18.5 سانتی متر مکعب در نظر بگیریم، چگالی آن به صورت زیر به دست خواهد آمد:
چگالی فولاد = 150 گرم / 18.5 سانتی متر مکعب = 8.11 گرم بر سانتی متر مکعب
در مجموع، با اندازه‌گیری دقیق جرم و حجم نمونه‌های آهن و فولاد و استفاده از فرمول چگالی، می‌توان مقدار دقیق چگالی هر کدام را محاسبه کرد. تفاوت چگالی این فلزات، به ترکیب شیمیایی و مقدار عناصر آلیاژی آنها بستگی دارد.
همان طور که گفتیم، چگالی آهن برابر با 7860 کیلوگرم بر متر مکعب است. به عبارت دیگر، یک مکعب با ابعاد یک متر مربع از آهن، به وزن 7860 کیلوگرم یا بیش از 17000 پوند و نزدیک به 9 تن خواهد بود.
این عدد نشان می‌دهد که آهن یک ماده بسیار متراکم و سنگین است. علت آن را می‌توان در ساختار اتمی و مولکولی این فلز جستجو کرد. آهن دارای اتم‌های بزرگ و سنگین با فاصله کم بین آنها است که سبب می‌شود ماده بسیار چگال و سنگینی را تشکیل دهد.
چگالی آهن به عوامل مختلفی بستگی دارد، از جمله آلیاژهای موجود در آن. آهن خالص دارای چگالی 7874 کیلوگرم بر متر مکعب است؛ اما آلیاژهای آهن با سایر عناصر ممکن است چگالی کمی متفاوتی داشته باشند. همچنین، روش ساخت و تولید نیز می‌تواند بر چگالی آهن تاثیرگذار باشد.
فرمول محاسبه چگالی آهن: ρ (چگالی یا Rho) = m (جرم آهن) / V (حجم آهن)
دقت در تعیین چگالی آهن به ویژه در صنایعی که از این فلز استفاده می‌کنند، بسیار مهم است. برای مثال، در طراحی و ساخت خودروها، چگالی آهن مورد استفاده در قطعات مختلف نقش بسزایی دارد؛ زیرا بر وزن نهایی خودرو و در نهایت، بر ایمنی و استحکام آن تاثیر می‌گذارد. همچنین در صنعت ساختمان سازی نیز آگاهی از چگالی این فلز به منظور محاسبه بار مرده سازه‌ها ضروری است.