Aço carbono x aço inoxidável: Propriedades, custo, aplicação

Muitos acreditam que a principal distinção entre aço carbono e aço inoxidável é sua resistência à ferrugem, que é obtida com pelo menos 10,5% de teor de cromo. No entanto, existem inúmeras outras distinções além desta, com implicações para o uso prático. 

Este artigo explora as diferenças nas propriedades mecânicas e outras perspectivas, com o objetivo de aumentar a compreensão e ajudar na seleção do aço adequado para diversos setores.

O que é aço carbono?

Aço carbono, ou aço carbono simples, tem 0,05% a 2% de carbono e ferro, geralmente na forma sólida. Também pode se referir a aço não inoxidável, incluindo aço de liga. É classificado como baixo, médio ou aço com alto teor de carbono. Resistência, ductilidade e soldabilidade são características-chave, tornando-o comum na construção. É processado principalmente por laminação a quente. Comparado ao aço inoxidável, o aço carbono tem menor resistência à corrosão, limitando seu uso em ambientes severos.

O Instituto Americano de Ferro e Aço (AISI) declara a Definição de Aço Carbono

Definição por AISI:O aço carbono não tem teor mínimo especificado para elementos como cromo, cobalto, molibdênio, níquel, nióbio, titânio, tungstênio, vanádio, zircônio ou outros elementos de liga.

Teor de cobre: O teor máximo de cobre é 0,40%.

Conteúdo Máximo Especificado:

• Manganês: 1.65%
• Silício: 0,60%
• Cobre: 0,60%

O que significa aço inoxidável?

Aço inoxidável, ou inox, significa “não oxidante”, indicando alta resistência à corrosão. Ele contém pelo menos 10,5% de cromo, que forma uma fina camada protetora de óxido na superfície. Esta película passiva previne mais oxidação e ferrugem. Se arranhado, o cromo reagirá com o oxigênio para restaurar a camada. O aço inoxidável pode ser classificado em tipos como austenítico, ferrítico e martensítico, cada um adequado para várias aplicações, mostrando a versatilidade dos metais resistentes à corrosão.

Propriedades químicas do aço carbono versus aço inoxidável

O teor de carbono no aço carbono afeta principalmente a resistência, com níveis mais altos aumentando a dureza, mas diminuindo a ductilidade. Em contraste, o cromo no aço inoxidável aumenta significativamente a resistência à corrosão, permitindo que ele tenha um bom desempenho em ambientes severos.

Resistência à corrosão:

• Aço carbono: Geralmente baixa resistência à corrosão devido à falta de cromo; propenso a enferrujar quando exposto à umidade e ácidos, levando à degradação.
• Aço inoxidável: Alta resistência à corrosão devido ao cromo (mínimo 10,5%), que forma uma camada protetora de óxido, prevenindo a ferrugem e aumentando a durabilidade.

Reatividade química:

• Aço carbono: Mais reativo com ácidos e fatores ambientais, resultando em maior suscetibilidade à ferrugem; a ausência de cromo e outros elementos de liga contribui para essa reatividade.
• Aço inoxidável: Menos reativo devido ao cromo e outros elementos de liga, como níquel e molibdênio, que estabilizam a estrutura e aumentam a resistência ao ataque químico.

Propriedades eletroquímicas:

• Aço carbono: Maior suscetibilidade à corrosão galvânica na presença de umidade, pois não possui a camada protetora de óxido encontrada no aço inoxidável.
• Aço inoxidável: Melhor estabilidade eletroquímica devido à sua composição de liga, tornando-o mais adequado para uso em ambientes corrosivos.

Aço carbono vs. aço inoxidável: propriedades mecânicas

O aço inoxidável tem resistência (até 1.500 MPa) e dureza (até 350 HB) relativamente maiores do que o aço carbono, tornando-o mais adequado para aplicações que exigem durabilidade e resistência ao desgaste. O aço inoxidável tem melhor alongamento e tenacidade para ter um desempenho eficaz em ambientes severos.

Força:

• Resistência à tração: O aço carbono varia de 370 – 700 MPa (53.000 – 101.500 psi), enquanto o aço inoxidável é significativamente mais forte em 520 – 1.500 MPa (75.000 – 217.500 psi). A resistência à tração mede o estresse máximo antes da ruptura, indicando que o aço inoxidável pode suportar cargas maiores sem falhas.
• Resistência ao rendimento:O aço carbono tem um limite de escoamento de 250 – 450 MPa (36.000 – 65.000 psi), comparado a 210 – 1.100 MPa (30.000 – 160.000 psi) para aço inoxidável. A resistência ao escoamento é o estresse onde a deformação plástica começa, mostrando que o aço inoxidável mantém sua forma melhor sob alto estresse.

Dureza:

• Dureza Vickers: O aço carbono normalmente fica entre 120 – 250 AT, enquanto o aço inoxidável é mais duro, variando de 150 – 300 AT. O aumento da dureza do aço inoxidável contribui para sua resistência ao desgaste.
• Dureza Brinell:O aço carbono possui valores de 120 – 300 libras esterlinas, enquanto o aço inoxidável apresenta uma gama de 150 – 350 libras esterlinas, indicando que o aço inoxidável é geralmente mais resistente à indentação e à deformação.

Resistência e Ductilidade:

• Alongamento: Exposições de aço carbono 10% – 30% alongamento, indicando ductilidade moderada. Em contraste, o aço inoxidável tem um alongamento maior de 30% – 50%, apresentando maior tenacidade e capacidade de suportar estresse sem fraturar.

Módulo elástico:

Módulo elástico: O aço carbono varia de 200 – 210 GPa (29.000 – 30.500 ksi), ligeiramente superior ao do aço inoxidável 190 – 200 GPa (27.500 – 29.000 ksi). Isso sugere que o aço carbono é mais rígido, enquanto o aço inoxidável pode absorver mais energia durante a deformação.

Aço carbono vs. aço inoxidável: propriedades físicas

O aço carbono tem maior condutividade térmica e ponto de fusão, enquanto o aço inoxidável oferece melhor isolamento e densidade, resultando em maior resistência e durabilidade.

Densidade:

• Aço carbono:Varia de 7,75 – 8,05 g/cm³ (0,28 – 0,29 lb/in³). A densidade mais alta proporciona boa resistência, tornando-o ideal para aplicações estruturais.
• Aço inoxidável:Ligeiramente mais denso em 7,90 – 8,10 g/cm³ (0,285 – 0,293 lb/in³), o que contribui para sua resistência e durabilidade.

Ponto de fusão:

• Aço carbono: Os pontos de fusão variam de 1425 – 1540 °C (2600 – 2800 °F). O ponto de fusão mais alto permite um processamento mais fácil em temperaturas elevadas.
• Aço inoxidável: Pontos de fusão são ligeiramente mais baixos em 1400 - 1450 °C (2550 – 2640 °F), afetando suas aplicações em ambientes de alta temperatura.

Condutividade térmica:

• Aço carbono: Exposições 50 – 60 W/m·K (34 – 42 BTU·in/(hr·ft²·°F)), tornando-o um bom condutor de calor.
• Aço inoxidável: Menor condutividade térmica em 15 – 25 W/m·K (10 – 17 BTU·in/(hr·ft²·°F)), o que pode limitar seu uso em aplicações de troca de calor.

Resistividade elétrica:

• Aço carbono: Mostra a resistividade de 0,0006 – 0,0007 Ω·m. Essa característica o torna adequado para diversas aplicações elétricas.
• Aço inoxidável: Resistividade ligeiramente maior em 0,0007 – 0,0008 Ω·m, o que pode afetar sua condutividade elétrica.

Capacidade térmica específica:

• Aço carbono:Varia de 460 – 500 J/(kg·K) (110 – 120 BTU/(lb·°F)), indicando boa retenção de calor.
• Aço inoxidável: Valores mais altos em 500 – 520 J/(kg·K) (120 – 124 BTU/(lb·°F)), permitindo que ele absorva mais calor antes que a temperatura mude.

Coeficiente de expansão térmica:

• Aço carbono:Varia de 11 – 13 x 10⁻⁶/K (11 – 13 x 10⁻⁶/°F). Seu coeficiente mais baixo significa menos expansão sob calor.
• Aço inoxidável:Um pouco mais alto em 15 – 17 x 10⁻⁶/K (15 – 17 x 10⁻⁶/°F), o que pode levar a uma maior expansão, mas também a uma maior adaptabilidade em determinadas aplicações.

Diferenças de custo entre aço carbono e aço inoxidável

Custos de materiais

O aço carbono é mais barato devido à sua produção mais simples e ao menor número de elementos de liga. O aço inoxidável é mais caro porque inclui cromo, níquel e vários elementos que melhoram suas características.

Custos de fabricação

Os custos de processamento e fabricação do aço inoxidável são mais altos devido a vários fatores:

• Fusão e liga: Requer controle preciso de elementos como cromo e níquel, o que aumenta a complexidade e o custo.
• Formar e moldar: Mais difícil de formar, necessitando de equipamentos especializados e mais energia, aumentando os custos de processamento.
• Tratamento térmico: Alguns tipos precisam de tratamentos térmicos específicos, o que aumenta o tempo e as despesas.
• Acabamento: Processos adicionais, como retificação e polimento, aumentam o custo total.

Custos de manutenção

A resistência superior à corrosão do aço inoxidável reduz os custos de manutenção e de longo prazo. O aço carbono requer revestimentos protetores e manutenção regular, aumentando os custos gerais ao longo do tempo.

Vida útil e durabilidade

O preço elevado do aço inoxidável é compensado por sua maior longevidade e robustez, principalmente em ambientes corrosivos. O aço carbono, embora seja menos caro no início, frequentemente incorre em despesas maiores a longo prazo devido a reparos e substituições regulares.

Em resumo, embora o aço carbono seja mais econômico no início, o aço inoxidável pode oferecer um valor melhor em aplicações de longo prazo devido à sua durabilidade e menor necessidade de manutenção.

Comparação das propriedades de usinagem do aço carbono e do aço inoxidável

Usinagem e soldagem são processos-chave na fabricação de qualquer estrutura de aço. O aço inoxidável, como um metal difícil de usinar, requer ferramentas e técnicas especializadas. No entanto, ele pode ser processado, embora o aço carbono seja uma escolha mais conveniente.

Usinagem de corte

Aço carbono

• Métodos de Processamento: Torneamento, fresamento, perfuração e retificação.
• Efeitos: O aço carbono é facilmente usinado, permitindo bons acabamentos superficiais e alta precisão.
• Considerações: Use ferramentas afiadas para evitar o endurecimento e o superaquecimento; a lubrificação adequada é essencial para reduzir o atrito.

Aço inoxidável

• Métodos de Processamento: Torneamento, fresamento, perfuração e retificação com ferramentas especializadas; difícil de usinar usando métodos padrão.
• Efeitos: Mais desafiador devido à tenacidade e ao endurecimento por trabalho, exigindo maiores velocidades de corte e materiais de ferramentas.
• Considerações: Utilize fluidos de corte e ferramentas projetados para aço inoxidável; evite superaquecimento para evitar descoloração e danos.

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Conformação de plástico

Aço carbono

• Métodos de Processamento: Forjamento, laminação e dobra.
• Efeitos: Boa ductilidade permite modelagem eficaz em temperatura ambiente ou em temperaturas elevadas.
• Considerações: O teor de carbono pode afetar a conformabilidade; aços com alto teor de carbono podem exigir aquecimento.

Aço inoxidável

• Métodos de Processamento: Trabalho a quente e a frio; conformabilidade limitada em baixas temperaturas.
• Efeitos: Pode ser formado, mas pode levar ao aumento da dureza e à redução da ductilidade após o trabalho a frio.
• Considerações: O tratamento térmico pode ser necessário para restaurar a ductilidade após o trabalho a frio.

Tratamento térmico

Aço carbono

• Métodos de Processamento: Recozimento, têmpera e revenimento.
• Efeitos: Aumenta significativamente a dureza, a resistência e a ductilidade.
• Considerações: O controle adequado das taxas de aquecimento e resfriamento é crucial para evitar distorções e rachaduras.

Aço inoxidável

• Métodos de Processamento: Recozimento e envelhecimento em solução; não é adequado para todos os tratamentos térmicos, como aço carbono.
• Efeitos: Melhora a resistência à corrosão e as propriedades mecânicas.
• Considerações: Diferentes graus exigem temperaturas e tempos específicos; evite o superaquecimento para evitar perda de resistência à corrosão.

Soldagem

Aço carbono

• Métodos de Processamento: Soldagem MIG, TIG e arco.
• Efeitos: Boa soldabilidade com requisitos mínimos de pré-aquecimento.
• Considerações: Garanta o projeto adequado da junta e a entrada de calor para evitar empenamento.

Aço inoxidável

• Métodos de Processamento: Soldagem TIG e MIG; requer técnicas específicas não necessárias para aço carbono.
• Efeitos: Soldas fortes e limpas são possíveis; maior risco de distorção e precipitação de carboneto de cromo.
• Considerações: Use materiais de enchimento compatíveis; controle a entrada de calor para minimizar a deformação e manter a resistência à corrosão.

Tratamento de superfície

Aço carbono

• Métodos de Processamento: Galvanização, pintura e revestimento.
• Efeitos: Melhora a resistência à corrosão e a aparência.
• Considerações:A preparação adequada da superfície é essencial para a adesão dos revestimentos.

Aço inoxidável

• Métodos de Processamento: Passivação, eletropolimento e revestimentos; requer mais cuidado em comparação ao aço carbono.
• Efeitos: Aumenta a resistência à corrosão e melhora a estética.
• Considerações: Garanta a limpeza da superfície antes do tratamento para evitar contaminação.

No geral, o aço carbono geralmente oferece melhor usinabilidade e capacidades de conformação plástica, enquanto o aço inoxidável requer técnicas mais especializadas e manuseio cuidadoso durante o processamento. Entender essas diferenças ajuda a selecionar os métodos apropriados para aplicações específicas.

Fatores ambientais que afetam o aço carbono e o aço inoxidável

Além da corrosão ambiental, há outros fatores que podem afetar o aço carbono ou o aço inoxidável, resultando em redução do desempenho e da vida útil.

Variações de temperatura:

• Aço carbono: Pode perder resistência e dureza em altas temperaturas e tornar-se frágil em temperaturas muito baixas, o que o torna adequado para aplicações em temperaturas moderadas.
• Aço inoxidável: Preserva sua durabilidade e integridade em um espectro mais amplo de temperaturas, abrangendo extremos altos e baixos. As classes austeníticas, em particular, são eficazes em ambientes de alta temperatura de até 1.000°C.

Oxidação:

• Aço carbono: Propenso à oxidação quando exposto ao ar e à umidade, levando à ferrugem. Requer manutenção regular para proteger contra oxidação, como aplicação de tinta, verniz ou cromagem.
• Aço inoxidável: Forma uma camada de óxido estável que protege contra oxidação adicional, exigindo menos manutenção e se mostrando mais durável em condições de oxidação.

Exposição a produtos químicos:

• Aço carbono: Vulnerável a reações químicas com ácidos, sais e outros produtos químicos, o que pode causar rápida corrosão e degradação do material.
• Aço inoxidável: Suporta vários produtos químicos, inclusive ácidos e soluções alcalinas, o que o torna perfeito para os setores de processamento químico.

Umidade:

• Aço carbono: Altos níveis de umidade podem acelerar a corrosão e a formação de ferrugem, exigindo medidas de proteção.
• Aço inoxidável: Apresenta bom desempenho em alta umidade devido à sua resistência à corrosão, adequado para ambientes com níveis de umidade flutuantes.

Estresse e fadiga:

• Aço carbono: Pode desenvolver rachaduras por corrosão sob tensão em determinados ambientes, principalmente quando há presença de cloretos. Inspeções e manutenções frequentes são necessárias para manter a integridade.
• Aço inoxidável: Geralmente mais resistente a rachaduras por corrosão sob tensão, especialmente em ambientes ricos em cloreto, proporcionando melhor longevidade sob cargas e tensões cíclicas.

Exposição aos raios UV:

• Aço carbono: A exposição aos raios UV pode degradar os revestimentos de proteção ao longo do tempo, exigindo reaplicação regular para manter a proteção.
• Aço inoxidável: Não é afetado pela exposição aos raios UV, mantendo sua aparência e integridade sem a necessidade de proteção adicional.

Respeito ao meio ambiente:

• Aço carbono: Geralmente menos amigável ao meio ambiente devido à maior necessidade de manutenção e possíveis complicações na reciclagem de materiais tratados.
• Aço inoxidável: Mais amigável ao meio ambiente devido à sua durabilidade, menores exigências de manutenção e maiores taxas de reciclagem. Sua maior durabilidade e resistência à corrosão o tornam uma opção mais sustentável em diversas aplicações.

Embora o aço inoxidável normalmente supere o aço carbono em muitas condições ambientais, o aço carbono ainda pode ser preferível em ambientes moderados devido ao seu custo inicial mais baixo e desempenho suficiente quando mantido adequadamente.

Diferenças de aplicação entre aço carbono e aço inoxidável

Construção:

• Aço carbono: Amplamente utilizado para vigas estruturais, barras de reforço e infraestrutura devido à sua resistência e preço acessível.
• Aço inoxidável: Usado em elementos arquitetônicos, revestimentos e fachadas em que a resistência à corrosão e o apelo estético são importantes.

Automotivo:

• Aço carbono: Utilizado em chassis, painéis de carroceria e componentes de motor por sua resistência e economia.
• Aço inoxidável: Preferido para sistemas de escapamento, acabamento e peças expostas a altas temperaturas e corrosão.

Médico:

• Aço carbono: Raramente usado, exceto em aplicações não críticas.
• Aço inoxidável: Essencial para ferramentas cirúrgicas, implantes e equipamentos médicos devido à sua biocompatibilidade e capacidade de esterilização.

Petróleo e gás:

• Aço carbono: Empregado para tubulações e componentes estruturais em ambientes menos corrosivos.
• Aço inoxidável: Vital em condições severas, como plataformas offshore e refinarias, devido à sua excelente resistência à corrosão.

Aeroespacial:

• Aço carbono: Usado em alguns componentes estruturais, mas limitado por considerações de peso.
• Aço inoxidável: Utilizado para peças de alta resistência e resistentes à corrosão, como fixadores e componentes de motores.

Doméstico:

• Aço carbono: Comum em ferramentas, molduras e ferragens em geral.
• Aço inoxidável: Preferido para eletrodomésticos, utensílios de cozinha e talheres devido à sua durabilidade e acabamento estético.

Alimentos e bebidas:

• Aço carbono: Uso limitado em equipamentos de processamento de alimentos devido ao risco de corrosão.
• Aço inoxidável: Crucial para utensílios de cozinha, equipamentos de processamento e tanques de armazenamento devido à sua limpeza e resistência à ferrugem.

Comparação de graus específicos em diferentes setores

Em suma, o aço carbono é preferido por seu custo e alta resistência e é ideal para ambientes de trabalho menos corrosivos. No entanto, sua manutenção posterior é mais cara. O aço inoxidável, embora mais caro, destaca-se pela resistência à corrosão, higiene e durabilidade em ambientes adversos.

Avançando a energia renovável com o aço: Usos do aço inoxidável e do aço carbono

Na energia renovável, o aço inoxidável e o aço carbono são cruciais. A resistência à corrosão do aço inoxidável é adequada para turbinas eólicas, enquanto a relação custo-benefício do aço carbono beneficia as estruturas dos painéis solares. Cada material oferece vantagens específicas para aprimorar o desempenho e a sustentabilidade nesses setores.

Aço inoxidável na fabricação de turbinas eólicas

No campo de rápido crescimento da energia renovável, o aço inoxidável se destaca como um material ideal para a fabricação de turbinas eólicas. Devido à sua notável resistência à ferrugem e à elevada resistência, o aço inoxidável é ideal para as condições desafiadoras encontradas nas máquinas de energia eólica.

Resistência à corrosão:

• Essencial para turbinas eólicas offshore e costeiras.
• Aumenta a longevidade do equipamento em condições severas.

Resistência e durabilidade:

• Resiste a altas tensões mecânicas e à fadiga.
• Ideal para componentes críticos, como lâminas de rotor e torres.

Manutenção:

• Reduz a necessidade de manutenção devido à sua resiliência.
• Reduz o tempo de inatividade e os custos operacionais.

Reciclabilidade:

• A alta capacidade de reciclagem se alinha com as metas ecológicas da energia eólica.
• Apoia práticas de fabricação sustentáveis.

Estabilidade térmica:

• Mantém as propriedades mesmo com flutuações de temperatura.
• Garante um desempenho consistente em climas variados.

Componentes principais:

• Usado em naceles, parafusos e peças estruturais.
• Essencial para garantir a confiabilidade e a eficiência das turbinas eólicas.

As propriedades do aço inoxidável o tornam indispensável no setor de energia eólica, aumentando a durabilidade, reduzindo a manutenção e apoiando a sustentabilidade.

Aço carbono na fabricação de painéis solares

O aço carbono é amplamente usado na produção de armações de painéis solares e sistemas de montagem na indústria de energia solar. Sua acessibilidade e resistência o tornam uma opção sensata para estruturas de suporte em instalações solares.

Força e custo:

• Oferece forte apoio aos painéis solares.
• Apresenta uma alternativa econômica em comparação com outros materiais.

Resistência à corrosão:

• Requer revestimentos protetores para evitar ferrugem, especialmente em ambientes externos.
• Os revestimentos galvanizados aumentam a longevidade em várias condições climáticas.

Durabilidade:

• Adequado para componentes estruturais expostos a estresse mecânico.
• Eficaz para manter os painéis solares firmemente no lugar.

Manutenção:

• Os revestimentos exigem inspeção e manutenção periódicas.
• As necessidades de manutenção aumentam em ambientes adversos, afetando os custos de longo prazo.

Reciclabilidade:

• O aço carbono é reciclável, apoiando práticas ecológicas.
• Entretanto, a reciclagem geralmente envolve mais processamento em comparação com o aço inoxidável.

Estabilidade térmica:

• Mantém a integridade estrutural sob flutuações de temperatura.
• Lida com a expansão e a contração térmica de forma eficaz.

Componentes principais:

• Usado em molduras, suportes de montagem e estruturas de suporte.
• Essencial para criar instalações de painéis solares estáveis e confiáveis.

As vantagens do aço carbono em termos de resistência e eficiência de custo fazem dele um material essencial na fabricação de painéis solares, embora seu desempenho possa ser aprimorado com revestimentos e manutenção adequados.

Como a escolha entre aço carbono e aço inoxidável afeta os custos de manutenção a longo prazo?

O aço inoxidável geralmente tem custos de manutenção mais baixos devido à sua resistência à corrosão, enquanto o aço carbono pode exigir manutenção frequente e revestimentos de proteção para evitar ferrugem.

Qual tipo de aço oferece melhor desempenho para aplicações de alta temperatura?

O aço inoxidável tem melhor desempenho em ambientes de alta temperatura, mantendo sua resistência e integridade até 1000°C, enquanto o aço carbono perde resistência e dureza em temperaturas elevadas.

O aço carbono enferruja?

Sim, aço carbono enferruja devido ao seu teor de ferro quando exposto ao ar e à umidade. Ele oxida facilmente sem medidas de proteção como revestimentos ou manutenção regular, levando à corrosão e degradação estrutural. No entanto, o aço carbono continua sendo uma boa escolha se você estiver procurando por um metal de baixo custo, mas forte.

O que é melhor, aço carbono ou aço inoxidável?

O aço inoxidável é geralmente melhor para ambientes em que a resistência à corrosão é crucial, enquanto o aço carbono é preferível por seu custo mais baixo e alta resistência em aplicações menos corrosivas.

O aço carbono é à prova de ferrugem?

Não, o aço carbono não é à prova de ferrugem. Ele é propenso à ferrugem e à corrosão se não for adequadamente protegido ou revestido.

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Em resumo, o aço carbono é excelente em termos de resistência e custo-benefício, o que o torna adequado para aplicações estruturais. O aço inoxidável, com sua excelente resistência à ferrugem e robustez, é perfeito para ambientes que exigem alto desempenho e longevidade. Ambos os materiais oferecem benefícios distintos com base nos requisitos específicos do projeto.

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