در مهندسی و فناوری مدرن، فولاد به دلیل خواص مکانیکی استثنایی، مقرون به صرفه بودن و تطبیق پذیری، جایگاه محوری را اشغال می کند. فراتر از قابلیت های باربری مشهورش، رسانایی الکتریکی و حرارتی فولاد به عنوان ویژگی های اساسی عمل می کند که آن را در انتقال نیرو، سیستم های انرژی و ساخت و ساز ضروری می کند. این راهنمای جامع، خواص رسانایی فولاد، مکانیسم های انتقال حرارت و کاربردهای عملی را بررسی می کند و مرجعی معتبر را از اصول میکروسکوپی تا پیاده سازی های ماکروسکوپی برای مهندسان، طراحان، دانشمندان مواد و خوانندگان علاقه مند ارائه می دهد.

رسانایی الکتریکی که بر حسب زیمنس بر متر (S/m) یا میکروزیمنس بر سانتی متر (µΩ⁻¹cm⁻¹) اندازه گیری می شود، توانایی یک ماده را برای هدایت جریان الکتریکی تعیین می کند. این ویژگی به غلظت و تحرک حامل های بار آزاد (معمولاً الکترون ها) بستگی دارد. فلزات به دلیل ساختار اتمی منحصر به فرد خود که در آن الکترون های ظرفیت از حالت محلی خارج می شوند و یک "دریای الکترونی" تشکیل می دهند که جریان را تحت ولتاژ اعمال شده تسهیل می کند، رسانایی بالایی را نشان می دهند.

فولاد که عمدتاً از آهن با کربن و عناصر آلیاژی تشکیل شده است، رسانایی خود را از اوربیتال های d جزئی پر شده آهن می گیرد که امکان خارج شدن الکترون ها از حالت محلی را فراهم می کند. افزودن کربن و سایر عناصر آلیاژی ساختار کریستالی و غلظت الکترون را تغییر می دهد و در نتیجه بر رسانایی تأثیر می گذارد.

• دما: رسانایی با افزایش دما به دلیل افزایش ارتعاشات اتمی که مانع حرکت الکترون ها می شود، کاهش می یابد.
• ناخالصی ها: اتم های خارجی، تناوب شبکه را مختل می کنند و پراکندگی الکترون ها را افزایش می دهند.
• عناصر آلیاژی: کروم و نیکل به طور قابل توجهی رسانایی را کاهش می دهند، در حالی که سیلیکون تأثیر کمی دارد.
• نقص های کریستالی: جابجایی ها و مرزهای دانه، الکترون ها را پراکنده می کنند.
• کار سرد: نقص های ناشی از پردازش، رسانایی را کاهش می دهند.
• میدان های مغناطیسی: میدان های قوی مسیرهای الکترون را تغییر می دهند.

رسانایی حرارتی (W/m·K) ظرفیت انتقال حرارت را از طریق دو مکانیسم اصلی در فلزات اندازه گیری می کند: انتقال الکترون (غالب) و انتشار فونون (ارتعاشات اتمی). فولاد گرما را از طریق هر دو الکترون متحرک و ارتعاشات شبکه به طور موثر هدایت می کند.

مشابه رسانایی الکتریکی، عملکرد حرارتی با افزایش دما، محتوای ناخالصی، افزودن آلیاژ و نقص های ساختاری کاهش می یابد. تبدیل فاز نیز ویژگی های انتقال حرارت را تغییر می دهد.

پوشش روی روی فولاد گالوانیزه از طریق عملکرد آند فداشونده، محافظت در برابر خوردگی را فراهم می کند. در حالی که خود روی رسانایی کمتری نسبت به فولاد دارد، پوشش نازک حداقل بر عملکرد کلی تأثیر می گذارد. اکسیدهای سطحی ممکن است مقاومت تماسی را افزایش دهند و برای اتصالات الکتریکی بهینه، به تمیز کردن مکانیکی یا روان کننده های رسانا نیاز دارند.

نقره > مس > طلا > آلومینیوم > روی > نیکل > آهن > قلع > سرب

نقره > مس > طلا > آلومینیوم > آهن > روی > قلع > سرب > نیکل

در حالی که فولاد در رسانایی در رتبه پایین تر از مس و آلومینیوم قرار دارد، استحکام، دوام و مقرون به صرفه بودن برتر آن، آن را برای کاربردهای ساختاری که به عملکرد مکانیکی و الکتریکی ترکیبی نیاز دارند، ترجیح می دهد.

ساختارهای مشبک فولادی که از زوایا، لوله ها و صفحات ساخته شده اند، پشتیبانی مکانیکی را برای خطوط ولتاژ بالا فراهم می کنند و در عین حال رسانایی کافی برای محافظت در برابر صاعقه را ارائه می دهند. انتخاب مواد، استحکام، چقرمگی و مقاومت در برابر خوردگی را در اولویت قرار می دهد.

این کابل های ترکیبی، رسانایی آلومینیوم را با استحکام کششی فولاد ترکیب می کنند و نصب های با دهانه بلند را با وزن کم امکان پذیر می کنند.

نسبت استحکام به وزن فولاد، ساخت آسمان خراش ها و پل های با دهانه بلند را امکان پذیر می کند. رسانایی آن به سیستم های حفاظت از صاعقه در سازه های بلند کمک می کند.

فراتر از هادی های اولیه، فولاد در هسته های ترانسفورماتور، محفظه های موتور، قاب های سوئیچ گیر و سینک های حرارتی که در آن یکپارچگی ساختاری و رسانایی متوسط مورد نیاز است، استفاده می شود.

ملاحظات کلیدی عبارتند از:

• نوع مواد (فولاد کربنی، فولاد آلیاژی، فولاد ضد زنگ)
• مشخصات ابعادی
• الزامات خواص مکانیکی
• نیازهای مقاومت در برابر خوردگی
• عملکرد رسانا/حرارتی
• گواهینامه های کیفیت (استانداردهای ASTM)

تحقیقات بر روی فرمولاسیون های با استحکام بالا، طرح های سبک وزن، مواد هوشمند با قابلیت های خود نظارتی و روش های تولید پایدار از نظر زیست محیطی متمرکز است.

به عنوان یک ماده مهندسی همه کاره، خواص الکتریکی، حرارتی و مکانیکی ترکیبی فولاد، تسلط مستمر آن را در سراسر صنایع تضمین می کند. درک این ویژگی ها، انتخاب مواد بهینه را برای کاربردهای متنوع امکان پذیر می کند، در حالی که پیشرفت های مداوم، عملکرد پیشرفته را در پیاده سازی های آینده نوید می دهد.