Aço-liga 4140 | 42CRMO4 | SCM440

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Aço de liga 4140 é Um aço de liga Cr-Mo versátil que oferece boa resistência, tenacidade e temperabilidade, tornando-o adequado para condições de serviço moderadamente severas após tratamento térmico adequado. É classificado com cromo e molibdênio como seus principais elementos de liga.

1. Composição química do aço de liga 4140

Carbono (C): Varia de 0,38% a 0,43%. O maior teor de carbono em comparação ao aço 4130 contribui para sua maior temperabilidade e resistência.
Manganês (Mn): Geralmente dentro da faixa de 0,75% a 1,00%.
Silício (Si): Normalmente entre 0,15% e 0,35%.
Cromo (Cr): Varia de 0,80% a 1,10%. Alguns padrões podem apresentar uma variação de 0,90% a 1,20%.
Molibdênio (Mo): Geralmente, de 0,15% a 0,25%. Outros padrões podem listar de 0,15% a 0,30%. O molibdênio ajuda a produzir uma microestrutura fina desejável após trabalho a quente e tratamento térmico.
Fósforo (P): Máximo de 0,035%.
Enxofre (S): Máximo de 0,040%. Alguns padrões específicos podem listar um máximo de 0,035%.

2. Propriedades físicas

Propriedades físicas do aço de liga 4140 (42CrMo4) vs. temperatura

Temperatura (°C)	Temperatura (°F)	Condutividade térmica (W/m·K)	Capacidade térmica específica média (kJ/kg·K)	Coeficiente Médio de Expansão Linear (x 10⁻⁶ K⁻¹)	Densidade (kg/m³)	Módulo de Young (x 10⁵ MPa)
20	68	46.71	472.91	11.28	7848.2	211.6
100	212	46.06	486.33	11.67	7820.7	203.1
200	392	45.59	499.21	12.32	7790.2	197.5
300	572	43.47	519.18	12.85	7757.4	193.7
400	752	40.7	543.45	13.37	7722.3	188.6
500	932	37.67	570.3	13.9	7684.7	180.2
600	1112	34.63	599.31	14.42	7644.5	167.0

3. Propriedades Mecânicas

As propriedades mecânicas do aço de liga 4140 podem ser significativamente adaptadas por meio de tratamento térmico. O processo mais comum, têmpera e revenimento, é amplamente utilizado em peças de máquinas, vasos de pressão e aplicações estruturais para aumentar a resistência ao escoamento, a resistência à tração e a tenacidade ao entalhe além do que é possível obter em estados laminados, recozidos ou normalizados.

3.1 Aço 4140 temperado e revenido

Quando o aço 4140 é temperado em óleo e posteriormente revenido a diversas temperaturas, suas propriedades mecânicas mudam de forma previsível. Isso permite um controle preciso sobre as características finais do aço para atender a demandas operacionais específicas. Abaixo, um resumo das propriedades mecânicas típicas obtidas em diferentes temperaturas de revenimento:

Tabela 1: Propriedades mecânicas típicas do aço de liga 4140 temperado e revenido em óleo

Temperatura de têmpera	Resistência à tração (MPa)	Resistência ao escoamento (MPa)	Alongamento (%)	Redução de Área (%)	Dureza (HB)
205 °C (400 °F)	1965 – 1980	1740 – 1860	11	39 – 42	520 – 578
260 °C (500 °F)	1860	1650	11	44	534
315 °C (600 °F)	1720 – 1760	1570 – 1620	11.5 – 12	44 – 46	490 – 495
425 °C (800 °F)	1450 – 1500	1340 – 1365	14 – 15	48 – 50	429 – 440
540 °C (1000 °F)	1150 – 1240	1050 – 1160	17 – 17.5	53 – 55	341 – 360
595 °C (1100 °F)	1020	910	19	58	311
650 °C (1200 °F)	900 – 1020	790 – 860	20 – 21	60 – 61	277 – 290
705 °C (1300 °F)	810 – 860	690 – 740	23	63 – 65	235 – 250

Observação: Os valores podem variar de acordo com as práticas específicas da fábrica e pequenas diferenças de composição. HB denota a Dureza Brinell.

3.2 Influência do tamanho da seção (efeito de massa) nas propriedades do aço 4140

É importante considerar o tamanho da seção, ou massa, do componente de aço 4140 durante a especificação do tratamento térmico, especialmente quando se busca altos níveis de resistência. O AISI 4140 não é um aço de têmpera profunda, o que significa que seções maiores podem não atingir a mesma dureza ou resistência que seções menores quando submetidas ao mesmo tratamento térmico.

A tabela a seguir ilustra o efeito do diâmetro da barra nas propriedades mecânicas do aço 4140 temperado em óleo a 845 °C (1550 °F) e revenido a 540 °C (1000 °F):

Tabela 2: Efeito do diâmetro da barra nas propriedades mecânicas do aço 4140 (revenido a 540 °C / 1000 °F)

Diâmetro da barra	Resistência à tração (MPa)	Resistência ao escoamento (MPa)	Alongamento (%)	Redução de Área (%)	Dureza de superfície (HB)
25 mm (1 pol.)	1140	985	15	50	335
50 mm (2 pol.)	920	750	18	55	202
75 mm (3 pol.)	860	655	19	55	293

Entender esse efeito de massa é crucial para projetar componentes que tenham desempenho confiável.

3.3 Propriedades mecânicas do aço 4140 em outras condições

Além da têmpera e revenimento, o aço de liga 4140 pode ser fornecido ou processado em outras condições:

3.3.1 Aço 4140 Recozido

O recozimento, que envolve o aquecimento do aço a temperaturas entre 830 °C e 870 °C (1525 °F a 1600 °F), seguido de resfriamento lento no forno, resulta em um material mais macio e dúctil. Essa condição é frequentemente preferida para operações de usinagem subsequentes.

Laminado a quente, recozido 4140: normalmente apresenta uma resistência ao escoamento de cerca de 434 MPa (63 ksi) e uma resistência à tração de 620 MPa (90 ksi), com alongamento de aproximadamente 27%.
Trefilado a frio, recozido 4140: geralmente apresenta maior resistência, com um limite de escoamento típico de 620 MPa (90 ksi) e uma resistência à tração de 703 MPa (102 ksi), e alongamento em torno de 18%.

3.3.2 Aço 4140 normalizado

A normalização envolve o aquecimento do aço 4140 a uma temperatura entre 845 °C e 925 °C (1550 °F a 1700 °F), seguido de resfriamento ao ar. Esse processo refina a estrutura dos grãos e melhora a uniformidade. Por exemplo, uma peça forjada de tampa de válvula feita de aço 4140, quando normalizada a 870 °C (1600 °F) e posteriormente revenida, pode atingir uma dureza na faixa de 220 a 240 HB.

3.4 Temperabilidade do Aço Liga 4140

Uma característica fundamental do aço-liga 4140 é sua boa temperabilidade, que se refere à sua capacidade de endurecimento por tratamento térmico. Esta é uma medida da profundidade de endurecimento do aço após a têmpera. Para aplicações especializadas, os aços 4140H oferecem características de temperabilidade garantidas, frequentemente verificadas pelo teste de têmpera final Jominy, com requisitos como uma dureza mínima de 49 HRC em distâncias Jominy específicas.

4. Tratamento térmico

Alcançar o desempenho máximo em aplicações com o aço-liga 4140 depende de um tratamento térmico preciso e adequado. Sendo um versátil aço-liga de cromo-molibdênio, o 4140 oferece uma excelente combinação de resistência, tenacidade e resistência ao desgaste quando processado corretamente.

4.1 Processos de tratamento térmico para aço de liga 4140

Diversos tratamentos térmicos padrão podem ser aplicados ao aço-liga 4140 para atingir uma ampla gama de propriedades mecânicas. A seleção do processo correto é crucial para a aplicação final.

4.1.1 Normalização do Aço 4140

A normalização é frequentemente empregada como tratamento de condicionamento antes do tratamento térmico final ou para refinar a estrutura dos grãos de componentes que passaram por resfriamento não uniforme devido a altas temperaturas. Esse processo melhora a homogeneidade e as propriedades mecânicas do aço 4140.

Temperatura de aquecimento: 845 °C a 925 °C (1550 °F a 1700 °F). Uma faixa específica comum é de 870 °C a 900 °C (1600 °F a 1650 °F).
Tempo de espera: mínimo de 1 hora ou 15-20 minutos por 25 mm (1 polegada) de espessura máxima da seção.
Resfriamento: Resfriamento a ar.

4.1.2 Recozimento de Aço 4140

O recozimento é usado principalmente para amolecer o aço-liga 4140, melhorando sua usinabilidade e aliviando tensões internas. Esse tratamento resulta em um material mais dúctil.

Temperatura de aquecimento: Normalmente de 830 °C a 870 °C (1525 °F a 1600 °F). Uma faixa alternativa para atingir uma dureza máxima de 197 HB é de 790 °C a 845 °C (1450 °F a 1550 °F).
Tempo de espera: Depende da espessura da seção ou da carga do forno.
Resfriamento: O forno é resfriado a uma taxa controlada de aproximadamente 15°C/h (30°F/h) até 480°C (900°F), seguido de resfriamento a ar.
Dureza esperada: Aproximadamente 150-200 HB na condição recozida.

4.1.3 Esferoidização do aço 4140 para usinabilidade aprimorada

A esferoidização cria uma microestrutura de carbonetos globulares dentro de uma matriz ferrítica, o que é ideal para a usinabilidade do aço 4140.

Temperatura de aquecimento: 760°C a 775°C (1400°F a 1425°F).
Tempo de espera: 4 a 12 horas.
Resfriamento: Resfriamento lento. Nota: A esferoidização completa pode envolver austenitização em temperaturas ligeiramente acima de Ac1 ou intermediárias entre Ac1 e Ac3, seguidas de resfriamento ou manutenção muito lentos.

4.1.4 Têmpera do Aço Liga 4140: Têmpera e Revenimento

O método mais comum para obter alta resistência e tenacidade no aço de liga 4140 é por meio de têmpera e têmpera. Este tratamento térmico de liga de aço 4140 de dois estágios é essencial para aplicações exigentes.

a. Austenitização (Aquecimento para Endurecimento).

Temperatura de aquecimento do forno: 830°C a 855°C (1525°F a 1575°F).
Temperatura de aquecimento por indução: 870°C a 900°C (1600°F a 1650°F) é recomendada para têmpera por indução.
Faixa geral de endurecimento: 860°C a 885°C (1575°F a 1625°F).
Tempo de imersão: uma diretriz geral é de 5 minutos por polegada (25 mm) da menor seção transversal quando a peça atinge a temperatura.

b. Têmpera.

Meio de têmpera: Óleo é o meio preferido para o aço 4140. A têmpera em água é possível, mas aumenta o risco de rachaduras e distorções devido ao teor de carbono do aço; se utilizada, é necessário extremo cuidado.
Etapa crítica pós-têmpera: o revenimento deve ser iniciado assim que as peças esfriarem entre 52°C e 65°C (125°F e 150°F) para evitar rachaduras.
Controle de distorção: para seções planas ou tubulares, a imersão vertical durante a têmpera pode ajudar a minimizar o estresse e a distorção.

c. Têmpera de aço 4140.

Processo: Aquecer a peça temperada a uma temperatura específica abaixo do ponto crítico (Ac1), manter por um período suficiente e depois esfriar.
Tempo de espera: normalmente 2 horas por polegada (25 mm) de seção transversal.
Faixa de “Fragilidade Azul”: Evite revenir o aço 4140 entre 230°C e 370°C (450°F a 700°F), pois isso pode resultar em tenacidade reduzida.

4.2 Temperabilidade em Aço 4140

Temperabilidade refere-se à profundidade em que o aço pode ser temperado durante a têmpera. O cromo e o molibdênio do aço-liga 4140 contribuem significativamente para sua temperabilidade. É essencial reconhecer que as propriedades mecânicas, particularmente em seções transversais maiores, podem variar da superfície ao núcleo devido a diferenças nas taxas de resfriamento.

4.3 Tratamentos Térmicos Especializados para Aço Liga 4140

Além dos processos primários, outros tratamentos podem ser aplicados ao aço 4140 para requisitos específicos:

a. Alívio do estresse:

Objetivo: Reduzir tensões internas induzidas por usinagem, conformação ou endireitamento, especialmente antes do endurecimento.
Temperatura: 650 °C a 675 °C (1200 °F a 1250 °F). Se aplicado em material endurecido, a temperatura de alívio de tensões não deve exceder a temperatura de revenimento anterior.

b. Têmpera por indução:

Finalidade: Uma técnica de têmpera superficial para melhorar significativamente a resistência ao desgaste e o limite de escoamento superficial, criando uma camada rígida sobre um núcleo mais resistente. Frequentemente utilizada em pinos, eixos e outros componentes de alta resistência após têmpera e revenimento primários.
Temperatura de austenitização (indução): 870°C a 900°C (1600°F a 1650°F).
Têmpera (indução): envolve ciclos muito curtos; tempo e temperatura são críticos.

c. Nitretação:

Objetivo: Um processo de endurecimento superficial que introduz nitrogênio na superfície do aço, aumentando a resistência ao desgaste e, muitas vezes, melhorando a vida útil da fadiga. O aço 4140 é facilmente nitretável.
Temperatura: Normalmente em torno de 520°C a 550°C (970°F a 1020°F) por longos períodos em uma atmosfera rica em nitrogênio.

5. Aplicações do Aço Liga 4140

As aplicações do aço-liga 4140 se beneficiam plenamente do tratamento térmico. Processos como têmpera e revenimento desenvolvem uma ampla gama de propriedades mecânicas.

5.1 Usos industriais do aço de liga 4140

As propriedades inerentes do aço 4140 o tornam excepcionalmente adequado para uma ampla gama de componentes em diversos setores. Aqui está uma análise das aplicações típicas do aço-liga 4140:

Categoria de aplicação	Exemplos específicos	Propriedades Chave 4140 Utilizadas
Componentes de máquinas	Eixos (uso primário), eixos, engrenagens, fusos, acoplamentos, virabrequins, bielas, tampas de válvulas, corpos de mandris, pinças	Alta resistência à tração e ao escoamento, boa tenacidade, resistência ao desgaste, temperabilidade moderada
Ferramentas e acessórios	Gabaritos, fixações, porta-ferramentas, colares de perfuração, parafusos, pinos, peças de transportadores	Boa resistência, durabilidade, usinabilidade (especialmente classes pré-endurecidas ou modificadas)
Automotivo e aeroespacial	Eixos, virabrequins, juntas de direção, peças estruturais de alta resistência	Relação resistência-peso, Resistência à fadiga, Tenacidade
Indústria de Petróleo e Gás	Ferramentas de perfuração de fundo de poço, juntas de ferramentas, eixos de bombas	Resistência sob estresse, Resistência ao desgaste e corrosão moderada
Peças de superfície endurecida	Componentes que requerem maior durabilidade da superfície	Excelente para nitretação (melhor que 4337, 4340, 8640), adequado para indução e endurecimento por chama

5.2 Adaptação do aço 4140 para aplicações específicas

Tratamento térmico e temperabilidade:

Uma boa temperabilidade é essencial para muitas aplicações de aço-liga 4140, garantindo dureza suficiente em toda a seção transversal da peça. Embora não seja tão temperado quanto ligas como o 4340, oferece um excelente equilíbrio para diversos tamanhos de componentes. O aço 4140 pré-endurecido (tipicamente 262-321 HB) é popular para peças de máquinas e ferramentas devido às suas altas resistências à tração e ao escoamento, prontas para uso, muitas vezes dispensando tratamento térmico adicional pelo usuário final.

Capacidades de endurecimento de superfície:

Para uma resistência superior ao desgaste superficial, o aço-liga 4140 oferece excelentes características de têmpera superficial. É particularmente adequado para nitretação, frequentemente superando outros aços contendo cromo devido ao seu maior teor de cromo e à sua composição isenta de níquel. Têmpera superficial por indução e chama também são métodos comuns para melhorar as superfícies dos componentes 4140.

Considerações sobre usinabilidade:

Embora o aço padrão 4140 tenha usinabilidade razoável, para aplicações que priorizam a facilidade de usinagem, estão disponíveis classes modificadas. Versões ressulfuradas (p. ex., 4140+S) e variantes com chumbo (p. ex., 41L40) são aços de baixa liga de corte fácil, que oferecem usinagem aprimorada para produção em larga escala.

Soldabilidade:

O aço-liga 4140 é soldável, mas sua natureza de endurecimento ao ar e seu alto teor de carbono equivalente exigem procedimentos específicos, como pré-aquecimento, alívio de tensões pós-soldagem (por exemplo, recozimento ou normalização e revenimento) e materiais de enchimento adequados para evitar trincas e garantir soldas sólidas. Seu projeto se concentrou em alta resistência por meio de tratamento térmico, não em soldabilidade ideal.

Formulários e especificações disponíveis:

Para atender a diversas aplicações de liga de aço 4140, esta classe está disponível em várias formas:

Tarugos
Barras (redondas, quadradas, planas)
Varas
Forjados
Folha
Tubulação
Placa de Luz

As AMS (Especificações de Materiais Aeroespaciais) específicas incluem:

AMS 6349B: Barras normalizadas
AMS 6381E, AMS 6390C: Tubulação mecânica
AMS 6382K: Barras, peças forjadas e anéis

6. Graus equivalentes para aço de liga 4140

Europa (EN/DIN): 42CrMo4 ou 1.7225
Japão (JIS): SCM440
China (GB/T): 42CrMo
Grã-Bretanha (BS): EN19 (ou 708M40/709M40)

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