Aço Carbono x Liga de Aço – Comparação – Prós e Contras

Aço carbono

Aços carbono são ligas ferro-carbono que podem conter concentrações apreciáveis ​​de outros elementos de liga. Aços de carbono simples são ligas de ferro-carbono nas quais as propriedades são derivadas principalmente da presença de carbono. Alguns elementos incidentais como manganês, silício, enxofre e fósforo estão presentes em pequenas quantidades devido ao método de fabricação dos aços e, não para modificar as propriedades mecânicas. Adicionar uma pequena quantidade de carbono não metálico ao ferro troca sua grande ductilidade por maior resistência. Devido à sua resistência muito alta, mas tenacidade ainda substancial, e sua capacidade de ser bastante alterada pelo tratamento térmico, o aço é uma das ligas ferrosas mais úteis e comuns em uso moderno. Existem milhares de ligas que possuem diferentes composições e/ou tratamentos térmicos. As propriedades mecânicas são sensíveis ao teor de carbono, que normalmente é inferior a 1,0% em peso. De acordo com a classificação AISI, o aço carbono é dividido em quatro classes com base no teor de carbono:

• Aços de Baixo Carbono. O aço de baixo teor de carbono, também conhecido como aço macio, é agora a forma mais comum de aço porque seu preço é relativamente baixo, ao mesmo tempo em que fornece propriedades de material aceitáveis ​​para muitas aplicações. O aço de baixo carbono contém aproximadamente 0,05–0,25% de carbono, tornando-o maleável e dúctil. O aço doce tem uma resistência à tração relativamente baixa, mas é barato e fácil de moldar; a dureza da superfície pode ser aumentada através da cementação.
• Aços de Médio Carbono. O aço de médio carbono tem aproximadamente 0,3–0,6% de teor de carbono. Equilibra a ductilidade e resistência e tem boa resistência ao desgaste. Este tipo de aço é usado principalmente na produção de componentes de máquinas, eixos, eixos, engrenagens, virabrequins, acoplamentos e peças forjadas e também pode ser usado em trilhos e rodas ferroviárias.
• Aços de alto carbono. O aço de alto carbono tem aproximadamente 0,60 a 1,00% de teor de carbono. A dureza é maior do que as outras classes, mas a ductilidade diminui. Aços de alto carbono podem ser usados ​​para molas, cabos de aço, martelos, chaves de fenda e chaves inglesas.
• Aço de ultra-alto carbono. O aço de ultra-alto teor de carbono tem aproximadamente 1,25–2,0% de teor de carbono. Aços que podem ser temperados a grande dureza. Este tipo de aço pode ser usado para produtos de aço duro, como molas de caminhão, ferramentas de corte de metal e outros fins especiais, como facas, eixos ou punções (para fins não industriais). A maioria dos aços com mais de 2,5% de teor de carbono é feita usando metalurgia do pó.

Ligas de aço

O aço é uma liga de ferro e carbono, mas o termo liga de aço geralmente se refere apenas a aços que contêm outros elementos – como vanádio, molibdênio ou cobalto – em quantidades suficientes para alterar as propriedades do aço base. Em geral, o aço-liga é o aço que é ligado com uma variedade de elementos em quantidades totais entre 1,0% e 50% em peso para melhorar suas propriedades mecânicas. Os aços inoxidáveis ​​são um grupo específico de aços de alta liga, que contém no mínimo 11% de cromo em massa e no máximo 1,2% de carbono em massa. As ligas de aço são divididas em dois grupos:

• Aços de baixa liga. Os aços de baixa liga constituem uma categoria de materiais ferrosos que exibem propriedades mecânicas superiores aos aços carbono comuns resultantes da adição de elementos de liga como níquel, cromo e molibdênio, manganês e silício. O papel dos elementos de liga é aumentar a temperabilidade para otimizar as propriedades mecânicas e tenacidade após o tratamento térmico. Em alguns casos, no entanto, adições de liga são usadas para reduzir a degradação ambiental sob certas condições de serviço especificadas.
• Aços de alta liga. Aços com liga superior a 5% em peso são normalmente classificados como aços de alta liga. Os aços inoxidáveis  ​são os principais tipos de aços de alta liga, mas dois outros tipos são os aços de níquel-cobalto de ultra-alta resistência e os aços maraging. Os aços inoxidáveis ​​são definidos como aços de alta liga de baixo teor de carbono com pelo menos 10,5% de cromo com ou sem outros elementos de liga.

Aço 41xx – Aço Chromoly – Aços de ultra-alta resistência de médio carbono

O aço cromoly é um aço de baixa liga de ultra-alta resistência de médio carbono que recebe o nome de uma combinação das palavras “cromo” e “molibdênio” – dois dos principais elementos de liga. O aço cromoly é frequentemente usado quando é necessária mais resistência do que o aço carbono macio, embora muitas vezes tenha um aumento no custo. Chromoly se enquadra nas  designações de aço AISI 41xx (ASTM A519). Exemplos de aplicações para 4130, 4140 e 4145 incluem tubos estruturais, quadros de bicicletas, virabrequins, elos de corrente, colares de perfuração, garrafas de gás para transporte de gases pressurizados, peças de armas de fogo, componentes de embreagem e volante e gaiolas de proteção.

Propriedades do aço carbono versus liga de aço

As propriedades dos materiais são propriedades intensivas, ou seja, independem da quantidade de massa e podem variar de um lugar para outro dentro do sistema a qualquer momento. A base da ciência dos materiais envolve estudar a estrutura dos materiais e relacioná-los com suas propriedades (mecânicas, elétricas, etc.). Uma vez que um cientista de materiais conheça essa correlação estrutura-propriedade, ele poderá estudar o desempenho relativo de um material em uma determinada aplicação. Os principais determinantes da estrutura de um material e, portanto, de suas propriedades são seus elementos químicos constituintes e a maneira como ele foi processado em sua forma final.

Densidade do aço carbono vs liga de aço

A densidade do aço típico é de 8,05 g/cm³.

A densidade da liga de aço típica é de 7,85 g/cm³ (4150 Cromoly).

A densidade é definida como a massa por unidade de volume. É uma propriedade intensiva, que é matematicamente definida como massa dividida por volume:

ρ = m/V

Em palavras, a densidade (ρ) de uma substância é a massa total (m) dessa substância dividida pelo volume total (V) ocupado por essa substância. A unidade SI padrão é quilogramas por metro cúbico (kg/m³). A unidade padrão inglesa é libras-massa por pé cúbico (lbm/ft³).

Como a densidade (ρ) de uma substância é a massa total (m) dessa substância dividida pelo volume total (V) ocupado por essa substância, é óbvio que a densidade de uma substância depende fortemente de sua massa atômica e também de a densidade do número atômico (N; átomos/cm³),

• Peso Atômico. A massa atômica é transportada pelo núcleo atômico, que ocupa apenas cerca de 10^-12 do volume total do átomo ou menos, mas contém toda a carga positiva e pelo menos 99,95% da massa total do átomo. Portanto, é determinado pelo número de massa (número de prótons e nêutrons).
• Densidade de Número Atômico. A densidade de número atômico  (N; átomos/cm³), que está associada aos raios atômicos, é o número de átomos de um determinado tipo por unidade de volume (V; cm³) do material. A densidade do número atômico (N; átomos/cm³) de um material puro com peso atômico ou molecular (M; gramas/mol) e a densidade do material (⍴; grama/cm³) é facilmente calculada a partir da seguinte equação usando o número de Avogadro (N_A = 6,022 ×10²³ átomos ou moléculas por mol):
• Estrutura de cristal. A densidade da substância cristalina é significativamente afetada por sua estrutura cristalina. A estrutura FCC, junto com seu parente hexagonal (hcp), tem o fator de empacotamento mais eficiente (74%). Metais contendo estruturas FCC incluem austenita, alumínio, cobre, chumbo, prata, ouro, níquel, platina e tório.

Propriedades mecânicas do aço carbono versus liga de aço

Os materiais são freqüentemente escolhidos para várias aplicações porque possuem combinações desejáveis ​​de características mecânicas. Para aplicações estruturais, as propriedades do material são cruciais e os engenheiros devem levá-las em consideração.

Resistência do aço carbono vs liga de aço

Na mecânica dos materiais, a resistência de um material é sua capacidade de suportar uma carga aplicada sem falha ou deformação plástica. A resistência dos materiais considera basicamente a relação entre as cargas externas aplicadas a um material e a deformação resultante ou mudança nas dimensões do material. A resistência de um material é sua capacidade de suportar essa carga aplicada sem falha ou deformação plástica.

Resistência à tração

A resistência à tração final do aço de baixo carbono está entre 400 – 550 MPa.

A resistência à tração máxima do aço de carbono ultra-alto é de 1100 MPa.

A resistência à tração final do aço 41xx – aço cromoly depende de certo grau, mas é de cerca de 700 MPa.

A resistência à tração final é o máximo na curva de tensão-deformação de engenharia. Isso corresponde à tensão máxima que pode ser sustentado por uma estrutura em tensão. A resistência à tração final é muitas vezes abreviada para “resistência à tração” ou mesmo para “o máximo”. Se essa tensão for aplicada e mantida, ocorrerá fratura. Freqüentemente, esse valor é significativamente maior do que o limite de escoamento (até 50 a 60 por cento a mais do que o rendimento de alguns tipos de metais). Quando um material dúctil atinge sua resistência máxima, ele sofre estricção onde a área da seção transversal é reduzida localmente. A curva tensão-deformação não contém tensão maior do que a resistência máxima. Mesmo que as deformações possam continuar a aumentar, a tensão geralmente diminui após o limite de resistência ter sido alcançado. É uma propriedade intensiva; portanto, seu valor não depende do tamanho do corpo de prova. Porém, depende de outros fatores, como o preparo do corpo de prova, temperatura do ambiente de teste e do material. A resistência máxima à tração varia de 50 MPa para um alumínio até 3000 MPa para aços de alta resistência.

Força de Rendimento

A resistência ao escoamento do aço de baixo carbono é de 250 MPa.

A resistência ao escoamento do aço de ultra-alto carbono é de 800 MPa.

A resistência ao escoamento do aço 41xx – aço cromoly depende de certo grau, mas é de cerca de 500 MPa.

O ponto de escoamento é o ponto em uma curva tensão-deformação que indica o limite do comportamento elástico e o início do comportamento plástico. Força de rendimento ou tensão de escoamento é a propriedade do material definida como a tensão na qual um material começa a se deformar plasticamente, enquanto o ponto de escoamento é o ponto onde começa a deformação não linear (elástica + plástica). Antes do ponto de escoamento, o material se deformará elasticamente e retornará à sua forma original quando a tensão aplicada for removida. Uma vez ultrapassado o ponto de escoamento, alguma fração da deformação será permanente e irreversível. Alguns aços e outros materiais exibem um comportamento denominado fenômeno do ponto de escoamento. As resistências ao escoamento variam de 35 MPa para um alumínio de baixa resistência a mais de 1400 MPa para aços de resistência muito alta.

Módulo de elasticidade de Young

O módulo de elasticidade de Young do aço de baixo carbono é de 200 GPa.

O módulo de elasticidade do aço 41xx de Young – aço cromoly é 205 GPa.

O módulo de elasticidade de Young é o módulo de elasticidade para tensão de tração e compressão no regime de elasticidade linear de uma deformação uniaxial e geralmente é avaliado por ensaios de tração. Até uma tensão limite, um corpo poderá recuperar suas dimensões com a retirada da carga. As tensões aplicadas fazem com que os átomos em um cristal se movam de sua posição de equilíbrio. Todos os átomos são deslocados na mesma quantidade e ainda mantêm sua geometria relativa. Quando as tensões são removidas, todos os átomos retornam às suas posições originais e nenhuma deformação permanente ocorre. De acordo com a lei de Hooke, a tensão é proporcional à deformação (na região elástica), e a inclinação é o módulo de Young. O módulo de Young é igual à tensão longitudinal dividida pela deformação.

Dureza do Aço Carbono vs Liga de Aço

A dureza Brinell do aço de baixo carbono é de aproximadamente 120 MPa.

A dureza Brinell do aço de alto carbono é de aproximadamente 200 MPa.

A dureza Brinell do aço 41xx – aço cromoly é de aproximadamente 200 MPa.

O teste de dureza Rockwell é um dos testes de dureza de indentação mais comuns, que foi desenvolvido para testes de dureza. Em contraste com o teste Brinell, o testador Rockwell mede a profundidade de penetração de um penetrador sob uma grande carga (carga principal) em comparação com a penetração feita por uma pré-carga (carga menor). A carga menor estabelece a posição zero. A carga principal é aplicada e, em seguida, removida, mantendo a carga secundária. A diferença entre a profundidade de penetração antes e depois da aplicação da carga principal é usada para calcular o número de dureza Rockwell. Ou seja, a profundidade de penetração e a dureza são inversamente proporcionais. A principal vantagem da dureza Rockwell é sua capacidade de exibir valores de dureza diretamente. O resultado é um número adimensional anotado como HRA, HRB, HRC, etc., onde a última letra é a respectiva escala Rockwell.

O teste Rockwell C é realizado com um penetrador Brale (cone de diamante de 120°) e uma carga maior de 150kg.

Propriedades Térmicas do Aço Carbono vs Liga de Aço

As propriedades térmicas dos materiais referem-se à resposta dos materiais às mudanças de thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/”>temperatura e à aplicação de calor. À medida que um sólido absorve thermodynamics/what-is-energy-physics/”>energia na forma de calor, sua temperatura aumenta e suas dimensões aumentam. Mas diferentes materiais reagem à aplicação de calor de forma diferente.

A capacidade térmica, a expansão térmica e a condutividade térmica são propriedades frequentemente críticas no uso prático de sólidos.

Ponto de Fusão do Aço Carbono vs Liga de Aço

O ponto de fusão do aço de baixo carbono é de cerca de 1450°C.

O ponto de fusão do aço 41xx – aço cromoly é de cerca de 1427°C.

Em geral, a fusão é uma mudança de fase de uma substância da fase sólida para a fase líquida. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ocorre essa mudança de fase. O ponto de fusão também define uma condição na qual o sólido e o líquido podem existir em equilíbrio.

Condutividade Térmica de Aço Carbono vs Liga de Aço

A condutividade térmica do aço típico é de 20 W/(mK).

A condutividade térmica do aço 41xx – aço cromoly é de cerca de 41 W/(mK).

As características de transferência de calor de um material sólido são medidas por uma propriedade chamada condutividade térmica, k (ou λ), medida em W/mK. É uma medida da capacidade de uma substância de transferir calor através de um material por condução. Observe que a lei de Fourier se aplica a toda matéria, independentemente de seu estado (sólido, líquido ou gasoso), portanto, também é definida para líquidos e gases.

A condutividade térmica da maioria dos líquidos e sólidos varia com a temperatura. Para vapores, também depende da pressão. Em geral:

A maioria dos materiais são quase homogêneos, portanto podemos geralmente escrever k = k (T). Definições semelhantes estão associadas às condutividades térmicas nas direções y e z (ky, kz), mas para um material isotrópico a condutividade térmica é independente da direção de transferência, kx = ky = kz = k.

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Veja acima:
Ligas