1. Introdução
Aço sustenta a infraestrutura moderna, De arranha -céus altos a ferramentas cirúrgicas de precisão.
Como o material mais reciclado do mundo, Oferece uma combinação incomparável de força, Formabilidade, e custo-efetividade.
Neste artigo, Comparamos duas famílias de aço fundamental - aço de carbono e aço liga, propriedades, processamento, Economia, e aplicações.
Até o final, Você entenderá quando escolher cada tipo para desempenho de pico e valor.
2. O que é aço carbono?
Aço carbono se destaca como uma das famílias de aço mais simples e amplamente usadas.
Por definição, Consiste principalmente em ferro (Fe) ligado de carbono (C), normalmente variando de 0.05 % para 1.00 % por peso.
À medida que você aumenta o teor de carbono, A força e a dureza da liga aumentam - mas a ductilidade e o declínio da soldabilidade.
Além disso, Adições controladas de manganês (até ~ 1,65 %), silício (0.15 %–0.30 %), fósforo (< 0.04 %), e enxofre (< 0.05 %) Ajude a refinar a estrutura de grãos, melhorar a hardenabilidade, e aprimorar a usinabilidade.
Tipos de aço carbono
Os engenheiros classificam aços de carbono em quatro categorias principais com base na porcentagem de carbono. Cada categoria tem um papel distinto, De formas de fio flexíveis a lâminas resistentes ao desgaste:
| Categoria | C conteúdo | Traços -chave | Usos comuns |
|---|---|---|---|
| Baixo carbono (Leve) | 0.05 %–0.30 % | Excelente ductilidade; fácil de soldar e formar | Painéis automotivos, formas estruturais, cercar |
| Médio carbono | 0.30 %–0.60 % | Força e resistência equilibradas; Trial | Engrenagens, eixos, eixos, componentes de máquinas |
| Alto carbono | 0.60 %–1,00 % | Alta dureza após a queima; menor ductilidade | Ferramentas de corte, molas, Fios de alta resistência |
| Carbono muito alto | 1.00 %–2.00 % | Resistência excepcional ao desgaste; frágil de natureza | Facas especializadas, Blades de cisalhamento, peças fundidas |
3. O que é aço de liga?
Liga de aço eleva o aço carbono simples, adicionando deliberadamente um ou mais elementos de liga,
como cromo, níquel, molibdênio, vanádio, tungstênio, ou boro, Para alcançar propriedades que o conteúdo de carbono sozinho não pode entregar.
Essas adições estratégicas refinam a microestrutura do aço, Aumente o desempenho mecânico, e melhorar a resistência ao calor, vestir, e corrosão.
Composição química e microestrutura
Cada elemento de liga contribui com benefícios distintos:
- Cromo (0.5–2 %) promove a formação de carbonetos de cromo duro e um fino, camada de óxido aderente, Aumentar a resistência ao desgaste e proteção contra corrosão.
- Níquel (1–5 %) estabiliza a fase de austenita à temperatura ambiente, dramaticamente crescente tenacidade-particularmente em ambientes de baixa temperatura.
- Molibdênio (0.2–0.6 %) Aumenta a força da fluência e mantém a dureza a temperaturas elevadas, restringindo o crescimento de grãos.
- Vanádio (0.1–0.3 %) refina o tamanho do grão anterior a-austenita, proporcionando maior força de escoamento e vida de fadiga superior.
- Tungstênio (até 2 %) e Boro (0.0005–0.003 %) melhorar ainda mais a dureza de alta temperatura e a endurecimento da seção profunda, respectivamente.
Tipos de aço de liga
Enquanto as combinações podem variar amplamente, Os cinco grupos de aço de liga mais comuns incluem:
| Família de ligas | Elementos -chave | Benefícios primários | Exemplo de uso |
|---|---|---|---|
| Aços de baixa liga | Cr, Em, MO (total ≤ 5 %) | Força equilibrada, tenacidade moderada, Hardenabilidade aprimorada | Chassi automotivo, vigas estruturais |
| Aços de alta liga | Cr, Em, MO, V, C (total > 5 %) | Força excepcional e corrosão/resistência ao calor | Blades de turbina, Peças do reator nuclear |
| Aços da ferramenta | Cr, MO, C, V, C (C até ~ 2 %) | HUDENDADE muito alta, resistência ao desgaste, estabilidade dimensional | Ferramentas de corte, socos, morre |
| Aços inoxidáveis | ≥ 10.5 % Cr, mais ni, MO, N | Excelente resistência à corrosão, Formabilidade | Instrumentos médicos, Equipamento de processamento de alimentos |
| Aços maraging | Em (15–25 %), Co, MO, De, Al (baixo c) | Força ultra-alta com excelente resistência | Componentes estruturais aeroespaciais, ferramentas |
4. Decodificar o sistema de designação de aço AISI de quatro dígitos
Antes de distinguir entre aços de carbono e liga, É essencial entender sua convenção de nomenclatura.
No AISI de quatro dígitos (Instituto Americano de Ferro e Aço) sistema, Os dois primeiros dígitos identificam a família de aço, Enquanto os dois dígitos finais especificam o teor de carbono nominal (em centésimos de porcentagem, até 1.00 %).
Por exemplo, O prefixo “10” designa aços de carbono simples, com 1018 contendo 0.18 % carbono e 1045 contendo 0.45 %.
Da mesma maneira, 4140- apesar de seu prefixo "41" - também denota 0.40 % carbono, Mas como parte da família de ligas de cromo-molibdênio.
Todas as notas da série “10” incluem pequenas quantidades de manganês, fósforo, e silício para refinar a estrutura de grãos e melhorar a força.
Ocasionalmente, As cartas do sufixo aparecem: L indica um chumbo adicionado para a maquiagem superior, e B sinaliza uma adição de boro que aumenta a hardenabilidade em seções mais profundas.
Decodificando esses prefixos, dígitos, e cartas, Você pode prever a química básica de um aço - e assim inferir sua dureza, resistência à tracção, e adequação ao tratamento térmico.
Abaixo está a tabela de numeração AISI/SAE completa de quatro dígitos, mostrando a sub-série de carbono simples (10xx - 15xx) e a principal série de aço de liga (2xxx - 9xxx).
Os dois últimos dígitos sempre dão o conteúdo n nominal em centésimos de uma porcentagem (E.G.. “18” → 0.18 %C).
| Série | Elemento de liga primária(s) | Faixa de carbono (%C) | Principais características / Notas |
|---|---|---|---|
| 10xx | Carbono simples (C + Mn, P, E) | 0.06 - 0.60 | Pedido a frio & Aços de carbono enrolados a quente (E.G.. 1018, 1045) |
| 11xx | Carbono resulfurizado (adiciona s) | 0.06 - 0.60 | Melhor usinabilidade (E.G.. 1117, 1144) |
| 12xx | Resulfurizado + Refosforizado carbono (S+p) | 0.06 - 0.60 | Endurecimento por óleo, boa máquinabilidade (E.G.. 1215) |
| 15xx | Carbono-alto-munganês (adiciona ~ 1,00 % Mn) | 0.20 - 0.50 | Força aprimorada & MACHINABILIDADE (E.G.. 1541) |
| 15Bxx | Alto mn + boro (B ~ 0,0005-0,003 %) | 0.20 - 0.50 | Hardenabilidade aprimorada |
2xxx |
Aços de níquel (Em 1-5 %) | 0.06 - 0.60 | Difícil, desempenho de baixo teor (E.G.. 2024) |
| 3xxx | Aços de níquel-cromo (Em + Cr) | 0.06 - 0.60 | Resistente ao calor & alta resistência (E.G.. 3090) |
| 4xxx | Aços molibdênio (MO 0,2-0,5 %) | 0.06 - 0.60 | Força de alta temperatura, Resistência à corrosão (E.G.. 4042) |
| 41xx | Aços cromium-molibdênio (Cr + MO) | 0.06 - 0.60 | Boa hardenabilidade & resistência ao desgaste (E.G.. 4140, 4130) |
| 43xx | Aços de cromo (CR 0,5-1.5 %) | 0.06 - 0.60 | Alta resistência, alguma resistência à corrosão (E.G.. 4310) |
5xxx |
Aços de cromo (CR mais alto que 4xxx) | 0.06 - 0.60 | Aços da ferramenta de endurecimento do ar (E.G.. 5140) |
| 6xxx | Aços cromium-vanádio (Cr + V) | 0.06 - 0.60 | Primavera & peças de estresse alto (E.G.. 6150) |
| 7xxx | Aços de tungstênio (W 1–5 %) | 0.06 - 0.60 | De alta velocidade & Aços de ferramentas de trabalho a quente (E.G.. 7Série XXX HSS) |
| 8xxx | Níquel-cromo-molibdênio (AT + CR + I) | 0.06 - 0.60 | Força ultra-alta & resistência (E.G.. 815M40) |
| 9xxx | Aços de silício-manganeses (E + Mn) | 0.06 - 0.60 | Aços de primavera, Alta vida de fadiga (E.G.. 9260) |
Cartas de sufixo
- L: Líder adicionado para melhorar a mágoga (E.G.. 1215L)
- B: Adicionado boro para a hardenabilidade (E.G.. 8640B)
- H: Requisitos especiais de hardenabilidade (E.G.. 4140H)
5. Propriedades mecânicas de aço de liga vs. Aço carbono
O desempenho mecânico aciona a seleção de material, e liga vs aço carbono divergem significativamente em métricas -chave.
Resistência à tracção, Força de escoamento, e ductilidade
- Aço carbono: Graus de baixo carbono (E.G.. Aisi 1018) exibe forças de tração em torno de 400-550 MPa e forças de escoamento perto de 250-350 MPa, com alongamento no intervalo de 20 a 30 %.
Aços de médio carbono (E.G.. 1045) Empurre a resistência à tração para 600-800 MPa e renda para 350-550 MPa, No entanto, a ductilidade cai para ~ 15 %. - Liga de aço: Por contraste, um 4340 liga de aço, extinto e temperado, alcança pontos fortes de tração de 1 100–1 400 MPA e pontos fortes de 950–1 150 MPA, enquanto mantém 12 a 18 % alongamento.
Consequentemente, Aços de liga entregar até o dobro da força dos aços carbono sem sacrificar a ductilidade excessiva.
Além disso, Adições estratégicas - como níquel ou vanádio - o comportamento de rendimento de alfaiate mais.
Por exemplo, um 2 % Ni Baixo liga aumenta o rendimento testado por impacto em ~ 10 % comparado a aço Cr-Mo semelhante.
Dureza e resistência ao desgaste
- Aço carbono: Aços de alto carbono tratados termicamente podem alcançar 60 HRC (Dureza de Rockwell c), oferecendo boa resistência ao desgaste para lâminas e molas.
No entanto, como o carbono excede 0.8 %, A formabilidade sofre e o risco de rachaduras durante a têmpera aumenta. - Liga de aço: Aços da ferramenta (E.G.. D2 com ~ 12 % Cr, 1.5 % C) atingir 62–64 HRC com excelente retenção de arestas.
Enquanto isso, Notas de trabalho quente em liga de tungstênio (H13) entrega de 48 a 52 HRC, juntamente com a resistência vermelha até 600 ° c.
Além disso, Aços de liga costumam incorporar carbonetos duros (Cr, V, ou w) que resistem à abrasão muito melhor que a cimentita em aço carbono.
Consequentemente, Você verá ligas reforçadas com carboneto durarem 2 a 3 × mais em moldes e matrizes de roupas altas.
Resistência à resistência e impacto
- Aço carbono: Aços de baixo carbono absorvem facilmente o impacto, Rendimento de valores charpy em V-Notch de 80-120 J à temperatura ambiente.
Ainda, Como carbono sobe acima 0.6 %, A resistência mergulha abaixo 20 J, tornando a fratura frágil mais provável. - Liga de aço: Ligas de níquel (E.G.. 8640 com 2 % Em) Manter valores de charpy acima 50 J mesmo a –40 ° C.
Além disso, Aços de vanádio microalotados proporcionam alta resistência à fratura (K_ic > 80 Mpa · √m) Refinando o tamanho do grão.
Desempenho de fadiga e resistência à fluência
- Fadiga: Aços de liga normalmente exibem limites de fadiga em torno de 50-60 % de força de tração final, comparado a ~ 40 % para aços de carbono.
Por exemplo, um extinto e temperado 4140 A liga tem um limite de resistência próximo 650 MPA, enquanto 1045 Girando em 320 MPA. - Rastejar: A temperaturas elevadas (> 300 ° c), Aços de carbono rastejam rapidamente, Uso limitador em peças expostas ao calor.
Por outro lado, As ligas CR-MO e NI-CR-MO sustentam o estresse de 200 a 300 MPa por milhares de horas e 550 ° c, Graças a redes de carboneto estáveis que impedem deslizamento de grãos.
Tabela de comparação
| Propriedade | Aço carbono | Liga de aço |
|---|---|---|
| Resistência à tracção | 400 - 550 MPA (BOW-C); 600 - 800 MPA (Med-C) | 1 100 - 1 400 MPA (E.G.. 4340 Qt) |
| Força de escoamento | 250 - 350 MPA (BOW-C); 350 - 550 MPA (Med-C) | 950 - 1 150 MPA (E.G.. 4340 Qt) |
| Ductilidade (Alongamento no intervalo) | 20 - 30 % (BOW-C); ~ 15 % (Med-C) | 12 - 18 % (4340 Qt); varia com elementos de liga |
| Dureza (HRC após tratamento térmico) | Até ~ 60 HRC (High-C); risco de rachaduras de Quench acima de ~ 0,8 % C | 48 - 52 HRC (H13); 62 - 64 HRC (D2); mantido a temperaturas elevadas |
Impacto charpy (20 ° c) |
80 - 120 J (BOW-C); < 20 J (High-C) | ≥ 50 J a –40 ° C (Notas portadoras de Ni); K_ic > 80 Mpa · √m (Aços vicro-mecânicos) |
| Limite de fadiga | ~ 40 % de UTS (E.G.. ~ 320 MPa para 1045) | ~ 50 - 60 % de UTS (E.G.. ~ 650 MPa para extinto 4140) |
| Resistência à fluência (no > 300 ° c) | Pobre; Limites rápidos de deformação usam | Bom; As ligas Cr-Mo e Ni-Cr-Mo mantêm 200 - 300 MPA enfatiza mais de milhares de horas a ~ 550 ° C |
| Resistência ao desgaste | Dependem da cementita; moderado | Excelente devido a CR duro, V, ou W Carbides; dura 2 - 3 × mais em moldes e matrizes |
Qt = extinto e temperado
6. Corrosão e resistência ambiental
- Aço carbono oxida prontamente, com taxas de corrosão típicas de 0,1 a 0,5 mm/ano em condições ambientais.
- Liga de aço com ≥ 12 % Cr forma um filme passivador, reduzindo as taxas de corrosão para < 0.01 mm/ano em muitos ambientes.
Além disso, Adições de níquel e molibdênio combate o pitting em mídia rica em cloreto. Embora revestimentos (galvanizando, epóxi) Ajude aço carbono, Eles adicionam custos de manutenção recorrentes.
Em contraste, aços de liga inoxidável e intemperista oferecem proteção a longo prazo apenas por metalurgia.
7. Tratamento térmico e fabricação de aço de liga vs. Aço carbono
- Aço carbono Tratamentos térmicos - Segurando, normalização, Querece & temperamento - controle de dureza e resistência. Por exemplo, 1045 O aço extinto em petróleo alcança ~ 55 hrc.
- Liga de aço Geralmente sofre tratamento de solução (Por exemplo, 17-4PH em aço inoxidável) ou endurecimento por idade (Por exemplo, Superlloys baseados em NI) Para desbloquear propriedades de pico.
Além disso, Soldabilidade e formabilidade diminuem à medida que o conteúdo da liga aumenta.
Por exemplo, Carbono simples 1018 soldas facilmente com eletrodos comuns, Enquanto Austenítico A aço inoxidável 304L exige preenchimento especializado e pré -aquecimento.
Consequentemente, Fabricantes planejam controles mais rígidos e tratamentos pós-solda para notas de alta liga.
8. Custo e considerações econômicas
| Fator de custo | Aço carbono | Liga de aço |
|---|---|---|
| Matéria-prima | $500 - $700 por tom | $1,000 - $3,000 por tom (dependendo das ligas) |
| Energia & Processamento | Moderado (derreter mais simples & refinar) | Alto (tratamentos a vácuo, composições precisas) |
| Tratamento térmico | $50 - $200 por tom | $200 - $800 por tom (ciclos complexos) |
| Manutenção & Vida útil | Reparação periódica de recuperação ou corrosão | Mínimo para aços inoxidáveis e intemperativos |
| Custo total de propriedade (TCO) | Início inferior; Manutenção mais alta | Maior investimento; menor custo do ciclo de vida |
9. Aplicações de liga vs aço carbono
Aplicações de aço carbono
- Construção: Vigas estruturais, barras de reforço
- Automotivo: Quadros, painéis corporais
- Pipelines & Vasos de pressão: Óleo, água, transporte de gás
- Engenharia Geral: Peças de máquinas, Equipamento agrícola
Aplicações de aço de liga
- Aeroespacial: Trem de pouso, Discos de turbina
- Óleo & Gás: Colares de perfuração, Válvulas submarinas
- Geração de energia: Tubos de caldeira, Componentes do reator nuclear
- Ambientes de alta temperatura: Peças do forno, trocadores de calor
10. Quais são as diferenças entre aço de liga e aço carbono?
| Dimensão | Aço carbono | Liga de aço |
|---|---|---|
| Composição química | Fe + 0.05–1.0 % C; traços de Mn, E, P, S | Fe + C + ≥ 0.5 % elementos estratégicos (Cr, Em, MO, V, C, B, etc.) |
| Teor de carbono | 0.05–2.0 % | Normalmente 0,1-1,0 %, mas varia com a nota |
| Elementos de liga primária | Nenhum (além de traços) | Cr, Em, MO, V, C, B - cada um personalizado para dureza, resistência, corrosão ou força de alta T |
| Resistência à tracção | 400–800 MPa (baixo- para High-C) | 900–1 400 MPA (baixo- para a alta liga extinta & temperado) |
| Força de escoamento | 250–550 MPA | 800–1 200 MPA |
| Alongamento (Ductilidade) | 20–30 % (BOW-C); ~ 10–15 % (High-C) | 10–20 %, Dependendo da mistura de liga |
| Dureza (HRC) | ≤ 60 HRC (Classes altas) | 48–64 HRC (Alações de ferramentas até 65 HRC; Notas de trabalho quente ~ 50 hrc) |
Resistência ao desgaste |
Moderado (baseado em cementita) | Alto (carbonetos duros de CR, V, C); 2–3 × vida mais longa em abrasão |
| Taxa de corrosão | 0.1–0,5 mm/ano não revestido | < 0.01 mm/ano para aço inoxidável/intemperativo; 0.02–0,1 mm/ano para baixa liga |
| Condutividade térmica | 45–60 w/m · k | 20–50 w/m · k (Ligas Cr/Ni inferiores; Altas de MO/W mais altas) |
| Expansão térmica | 11–13 × 10⁻⁶/k | 10–17 × 10⁻⁶/k (inoxidável ≈ 17; Cr-Mo ≈ 11; Crianças ≈ed 13) |
| Resistividade elétrica | 10–15 µΩ · cm | 20–100 µΩ · cm (Aço inoxidável ~ 70; sobe com conteúdo de liga) |
| Permeabilidade magnética | Alto (≈ 200–1 000) | Variável: baixo em austenítico (~ 1–2), ricos em notas ferríticas/martensíticas |
| Tratamento térmico | Simples: recozimento, normalizar, Querece & temperamento | Complexo: tratamento de solução, endurecimento da idade, Taxas precisas de extinção, tratamentos térmicos especiais pós-solda |
Fabricação |
Excelente formabilidade, soldabilidade, MACHINABILIDADE | Mais desafiador à medida que o conteúdo de liga aumenta - realizar controles mais apertados e consumíveis especializados |
| Densidade | ≈ 7.85 g/cm³ | 7.7–8.1 g/cm³ (varia ligeiramente com elementos de liga) |
| Temperatura máxima de serviço. | ≤ 300 ° c (acima do qual a fluência/escala acelera) | 400–600 ° C. (Cr-Mo); 700–1 000 ° c (Superlloys baseados em NI) |
| Custo (USD/TON) | $500- $ 700 | $1 000- $ 3 000 (dependendo da complexidade da liga) |
| Aplicações típicas | Vigas estruturais, quadros automotivos, Pipelines, peças gerais de engenharia | Componentes aeroespaciais, óleo & válvulas de gás, Turbinas da planta de potência, Ferramentas de alto desempenho, médico |
11. Conclusão
Resumindo, Aço de liga vs.. aço carbono cada ocupar nichos vitais.
O aço carbono oferece acessibilidade, facilidade de fabricação, e desempenho adequado para usos estruturais e mecânicos cotidianos.
Por outro lado, Aço de liga-com suas propriedades aprimoradas mecânicas e de resistência à corrosão-resfira as demandas do aeroespacial, energia, e outras indústrias de alto risco.
Avaliando a composição química, Requisitos mecânicos, Capacidades de fabricação, e fatores econômicos, Os engenheiros podem selecionar a nota de aço ideal que os saldos custam, durabilidade, e desempenho.
