Melhor resposta
O antigo engenheiro metalúrgico e siderúrgico diz:
O aço não é um composto , que definiu proporções dos elementos que o compõem. O aço é uma liga e, como tal, pode conter várias quantidades de elementos de liga. Não existe uma fórmula “molecular” para o aço, porque não existe uma molécula de aço.
Por exemplo, AISI 6150H é uma liga de aço com a seguinte composição química (em\% em peso do elemento de liga):
0,75 – 1,20 Cr
0,60 – 1,00 Mn
0,47 – 0,54 C
0,15 – 0,30 Si
≥0,15 V
≤0,040 S
≤0,035 P
Você pode ver que os elementos de liga têm uma gama de valores; não há proporção fixa.
Informações adicionais sobre o aço AISI 6150H:
Módulo de elasticidade: 200GPa
Resistência à tração: 924 MPa (134.000 psi)
Força de rendimento: 800MPa (116.000 psi)
Dureza: Brinell 269 (Rockwell C 27)
Alongamento na ruptura 19,5\%
Resposta
Vejo que muitas dessas respostas estão ficando presas na palavra fórmula, em vez de tentar interpretar a intenção de sua pergunta. Como um leigo, considero “composição química” e “fórmula química” idênticas o suficiente para interpretar “fórmula estrutural” como “composição estrutural”, então tentarei o meu melhor para explicar a complicada composição estrutural do aço.
Estruturalmente, é uma dispersão idealmente homogênea de estruturas cristalinas cúbicas de átomos de ferro com átomos de carbono dissolvidos dentro e entre esses cubos. A estrutura cúbica dos cristais de ferro pode ser cúbica centrada no corpo, BCC, com um átomo de ferro no centro de um cubo de átomos de ferro em cada um de seus seis vértices, ou cúbica centrada na face, com um átomo de ferro localizado centralmente em cada um as seis faces do cubo. Quando o aço é aquecido a uma temperatura suficiente, chamada de ponto eutético, a configuração BCC dos átomos de ferro chamados transições de ferrita para a forma FCC chamada austenita, uma solução sólida que permite que os átomos de carbono se dissolvam em sua estrutura cristalina. Dependendo da composição química do aço, ele pode permanecer como austenita em temperatura ambiente. Este é o caso de alguns aços inoxidáveis e podem ser identificados como tal com um ímã. O aço austenítico não é magnético. O aço tem uma propriedade única em que, quando aquecido até seu ponto eutético e rapidamente resfriado ou temperado, a austenita FCC com átomos de carbono dissolvidos nela se converte rapidamente em uma forma BCC altamente tensionada, distinta da ferrita, congelando os átomos de carbono no lugar . Este material é denominado martensita. Os aços martensíticos são magnéticos. Dependendo da composição química do aço e da taxa de resfriamento, quantidades variáveis de austenita permanecerão no aço. A austenita retida é geralmente mantida baixa em aços martensíticos. A dispersão de átomos de carbono fixados em aços martensíticos evita o deslocamento dos átomos de ferro de suas posições em suas estruturas cristalinas. Isso é o que dá ao aço martensítico sua alta dureza. É por isso que o aço é tão legal. Ao manipular a temperatura, o tempo e a composição química, podemos controlar o que acontece quando, digamos, uma barra de aço, é dobrada. Podemos fazê-lo ficar dobrado permanentemente, ou dobrar um pouco e depois quebrar, ou voltar à sua forma original. Além disso, podemos mudar a dureza do aço.
Também encontradas no aço são inclusões de carbonetos de ferro, Fe3C, materiais cerâmicos duros e quebradiços dispersos entre a liga de ferro-carbono. A presença desses carbonetos pode melhorar o limite superior de quanto um aço pode ser endurecido, mas também torna o aço mais frágil. O aço também contém alguns níveis variáveis de impurezas ou elementos de liga podem ser adicionados para aumentar ou diminuir certos atributos do aço. Cromo, tungstênio, vanádio, molibdênio, nióbio, níquel, titânio, boro e manganês são elementos adicionados intencionalmente para melhorar a dureza do aço, resistência ao choque, resistência à deformação, resistência ao impacto e resistência a arranhões e trabalhabilidade em temperaturas variáveis. O cromo que precipita na superfície do aço forma óxido de cromo em contato com o oxigênio, melhorando a resistência do aço à corrosão. Muitos desses elementos também formam carbonetos e nitretos, entre os materiais mais duros conhecidos. Carboneto de tungstênio e nitreto de boro seriam dois bons exemplos de materiais extremamente duros que podem ser encontrados em alguns aços.
Outros elementos encontrados no aço que são menos frequentemente desejados são silício, enxofre, oxigênio, fósforo, nitrogênio, hidrogênio e cobre. O silício diminui algumas das propriedades mecânicas do aço, mas também melhora suas propriedades magnéticas – diminuindo a histerese e as perdas de núcleo, melhorando a permeabilidade magnética É essa propriedade que torna o aço com alto teor de silício muito útil como material de núcleo em eletroímãs, motores elétricos e transformadores e indutores de baixa frequência.O enxofre melhora as propriedades de usinabilidade do aço antes de ser temperado. Fósforo e nitrogênio podem ajudar a melhorar a resistência do aço à corrosão. O cobre aumenta a ductilidade, o que geralmente é uma coisa ruim, mas torna o aço mais fácil de trabalhar a quente. O oxigênio expulsa as impurezas durante o processo de fabricação do aço, mas, como impureza, torna o aço mais suscetível à corrosão e diminui a temperabilidade. O hidrogênio é simplesmente ruim. Torna o aço muito frágil, promovendo deslocamentos na estrutura do cristal de ferro. Isso torna o aço uma escolha ruim quando o hidrogênio e as altas temperaturas coexistem.
A dispersão homogênea de elementos de liga no ferro é altamente procurada e dá aos aços modernos propriedades incríveis de material em comparação com o que era possível com os primeiros produção de aço. Temperaturas suficientemente altas que podem derreter todos os elementos usados no processo de fabricação de aço tornam mais fácil para eles se misturarem. Uma técnica para aumentar essa dispersão homogênea de elementos que é usada para aços de alto desempenho é a metalurgia do pó. O aço é derretido, pulverizado como gotículas finas que esfriam e formam um pó que é então moldado e formado em formas básicas. Aços de soldagem de padrão de propriedades diferentes juntos em temperaturas muito altas são úteis, por exemplo, na fabricação de ferramentas de corte onde a aresta de corte tem alta dureza e é revestida em um aço que tem uma dureza menor, mas melhor resistência à deformação, deformação e corrosão. Os processos químicos também podem ser usados para melhorar a dureza da superfície e a resistência à corrosão dos aços. Aquecer o aço a temperaturas que permitem que outros elementos, como carbono, boro e nitrogênio adicionais como uma atmosfera com baixo teor de oxigênio e alto teor de gases contendo esses elementos, são usados para fornecer ferramentas como limas, torneiras, matrizes e brochas a capacidade de cortar aços ou para dar às peças da arma uma maior resistência à corrosão, escoriação e deformação por arranhões e abrasão.
Por último, existe uma forma cristalina amorfa de liga de ferro-carbono. Tecnicamente, isso o torna um vidro e tem algumas propriedades incrivelmente estranhas que estão além do escopo desta resposta. Bola 8 mágica diz pergunte novamente mais tarde.