Visão geral técnica do aço 4140

O aço 4140 é um aço versátil de médio carbono e baixa liga. Contém cromo e molibdênio como principais elementos de liga. Este aço é conhecido por sua boa temperabilidade, permitindo-lhe atingir alta resistência e dureza por meio de processos de tratamento térmico como têmpera e revenimento. É comumente utilizado em aplicações que exigem um bom equilíbrio entre resistência e tenacidade, como eixos, engrenagens e outros componentes de máquinas. Pode ser submetido a diversos tratamentos térmicos, incluindo recozimento para amolecimento, normalização para melhorar a microestrutura e moderar a resistência, e têmpera seguida de revenimento para atingir as propriedades mecânicas desejadas.

1. Composição química

Carbono (C)	Manganês (Mn)	Fósforo (P)	Enxofre (S)	Silício (Si)	Cromo (Cr)	Molibdênio (Mo)
0.38% – 0.43%	0.75% – 1.00%	≤ 0,035% (máx.)	≤ 0,040% (máx.)	0.15% – 0.35%	0.80% – 1.10%	0.15% – 0.25%

2. Aplicações

Com base em suas propriedades, o aço 4140 encontra aplicações em diversos componentes de engenharia exigentes devido à sua boa temperabilidade, alto potencial de resistência e dureza, além de um nível razoável de tenacidade quando tratado termicamente de forma adequada. Aqui está uma análise das aplicações com base nessas propriedades:

2.1 Componentes que requerem alta resistência e dureza (obtidas por meio de têmpera e revenimento):

• Peças de motores e máquinas automotivas submetidas a cargas estáticas e dinâmicas, como virabrequins. A alta dureza alcançada após o endurecimento o torna adequado para essas aplicações exigentes.
• Usina peças com grandes seções transversais, onde alta resistência pode ser obtida após o refinamento. Sua boa temperabilidade permite o endurecimento total em espessuras significativas.
• Componentes para condições de serviço moderadamente severas, onde é necessário um equilíbrio entre resistência e tenacidade.
• Engrenagens que exigem têmpera completa para atingir a resistência necessária e a resistência ao desgaste.
• Pinos e eixos em diversas aplicações de engenharia, onde alta resistência e tenacidade são cruciais. Para aplicações de alta resistência, podem ser temperados e revenidos para atingir resistências de núcleo na faixa de 100-140 kgf/mm².
• Os componentes exigem resistência ao desgaste, tornando-os adequados para técnicas de endurecimento de superfície, como têmpera por chama e indução.
• Peças automotivas de alta demanda, como eixos, se beneficiam de sua resistência e temperabilidade.
• Tubos de aço-liga para aplicações gerais e estruturais, onde sua resistência após tratamento térmico é vantajosa.
• Barras e peças forjadas para diversos fins de engenharia são frequentemente tratadas termicamente para atingir níveis de resistência específicos.

2.2 Componentes que requerem dureza superficial e resistência ao desgaste (obtida por nitretação ou têmpera por indução):

• Engrenagens que exigem uma caixa profunda e dureza superficial abaixo de 60 HRC podem ser feitas de aço 4140 e submetidas à nitretação.
• Engrenagens e outros componentes se beneficiam do endurecimento por indução para uma camada superficial dura e resistente ao desgaste.

2.3 Aplicações de ferramentas:

Embora não seja considerado principalmente um aço para ferramentas, o 4140 é popular na área de ferramentas para diversas aplicações que exigem temperabilidade moderada e boa resistência e tenacidade.

3. Propriedades físicas

3.1 Resistência à Tração do Aço 4140

Condição	Resistência à tração (MPa)	Resistência à tração (ksi)
Recozido	434-620	63-90
Normalizado	Pode variar de 483 a 690 dependendo do conteúdo de carbono	Pode variar de 70,0 a 100,0 dependendo do conteúdo de carbono
Temperado e revenido a 205 °C (400 °F)	1965-1980	285-287
Temperado e revenido a 425 °C (800 °F)	1450-1500	210-217
Temperado e revenido a 540 °C (1000 °F)	1140-1240	165-180
Temperado e revenido a 650 °C (1200 °F)	900-1020	130-148
Trefilado a frio e recozido	Aproximadamente 620-703	Aproximadamente 90-102
Desenhado a 1000°F (540 °C)	Aproximadamente 903-1054	Aproximadamente 131-153

3.2 Limite de escoamento (deslocamento de 0,2%) do aço 4140

Condição	Resistência ao escoamento (MPa)	Resistência ao escoamento (ksi)
Recozido	Aproximadamente 201-434 dependendo do conteúdo de carbono	Aproximadamente 29,1-63 dependendo do conteúdo de carbono
Normalizado	Pode variar de 247 a 355 dependendo do conteúdo de carbono	Pode variar de 35,8 a 51,5 dependendo do conteúdo de carbono
Temperado e revenido a 205 °C (400 °F)	1740-1860	252-270
Temperado e revenido a 425 °C (800 °F)	1340-1365	195-198
Temperado e revenido a 540 °C (1000 °F)	985-1160	143-168
Temperado e revenido a 650 °C (1200 °F)	790-860	114-125
Trefilado a frio e recozido	Aproximadamente 620-703	Aproximadamente 90-102
Desenhado a 1000°F (540 °C)	Aproximadamente 903-1054	Aproximadamente 131-153

3.3 Propriedades de Ductilidade (Alongamento e Redução de Área) do Aço 4140

Propriedade	Condição	Valor
Alongamento (em 50 mm/2 pol.)	Recozido	Normalmente em torno de 18-27%
Alongamento (em 50 mm/2 pol.)	Temperado e revenido	Diminui com o aumento da temperatura de revenimento. Por exemplo, pode variar de 11% (a 205 °C/400 °F) a 23% (a 705 °C/1300 °F).
Redução de Área	Temperado e revenido	Geralmente varia de 39% a 65% dependendo da temperatura de têmpera

3.4 Dureza do Aço 4140

Condição	Valor de dureza
Recozido	Aproximadamente 185 HB
Como temperado	Pode atingir cerca de 601 HB
Temperado e revenido	Varia amplamente com a temperatura de têmpera, de cerca de 578 HB (~53 HRC) a 205 °C (400 °F) até 235 HB (~24 HRC) a 705 °C (1300 °F)

3,5 Resistência ao impacto do aço 4140

Propriedade	Condição	Observação / Valor
Resistência ao Impacto	Temperado e revenido	Aumenta com o aumento da temperatura de revenimento.
Energia de Impacto Izod	Temperado e revenido	Por exemplo, a energia de impacto do Izod pode variar de 15 J (11 ft·lb) a 205 °C (400 °F) a 136 J (100 ft·lb) a 705 °C (1300 °F).
Charpy V-notch	Temperado e revenido	Os valores também mostram uma tendência semelhante [ao Izod].

3.6 Resistência à fadiga do aço 4140

Condição	Observação / Valor
Em geral	Sensível a entalhes e transições em peças de máquinas sujeitas a cargas de fadiga.
Temperado e revenido (dureza 46-50 HRC)	A resistência à fadiga sob flexão rotativa pode ser em torno de 270 MPa (39 ksi).
Shot Peened (após perguntas e respostas)	O jateamento pode aumentar significativamente a resistência à fadiga.

3.7 Outras propriedades mecânicas do aço 4140

Propriedade	Condição	Valor
Módulo elástico	Tensão	Cerca de 115 GPa (17 × 10⁶ psi)
Resistência ao cisalhamento	Haste temperada H04	Pode variar de 200-205 MPa (29-32 ksi), dependendo do diâmetro.

4. Tratamento térmico

4.1 Recozimento: Este processo é usado para amolecer o aço, melhorar a usinabilidade e aliviar tensões internas. As etapas gerais para o recozimento do aço 4140 são:

• Aquecimento: Aqueça o aço 4140 a uma temperatura de 830 a 870 °C (1525 a 1600 °F), garantindo um aquecimento uniforme em toda a seção. O aquecimento lento é geralmente recomendado para aços de liga para minimizar as tensões térmicas.
• Retenção (Imersão): Manter esta temperatura por um período suficiente. O tempo de retenção normalmente depende da espessura da seção da peça ou da carga do forno.
• Resfriamento: Resfriar lentamente o aço no forno a uma taxa de aproximadamente 15 °C/h (30 °F/h) até cerca de 480 °C (900 °F), seguido de resfriamento ao ar até a temperatura ambiente. Esse resfriamento lento permite a formação de uma microestrutura mais macia. A dureza máxima atingível após o recozimento é de cerca de 197 HB4. Métodos de recozimento isotérmico, envolvendo resfriamento controlado a uma faixa de temperatura específica e manutenção antes do resfriamento final, também podem ser empregados para obter uma estrutura predominantemente perlítica.

4.2 Normalização: Este tratamento refina a estrutura do grão, melhora a uniformidade e aumenta a resistência e a dureza em comparação com o estado recozido. As etapas são:

• Aquecimento: Aqueça o aço 4140 a uma faixa de temperatura de 845 a 925 °C (1550 a 1700 °F), que é aproximadamente 55 a 85 °C (100 a 150 °F) acima de sua temperatura máxima de transformação. Isso garante a transformação completa em austenita. Para uma temperatura de normalização específica, você mencionou 1600 °F (aproximadamente 870 °C), que se enquadra nessa faixa.
• Manutenção: Manter nesta temperatura por no mínimo 1 hora ou 15 a 20 minutos para cada 25 mm (1 polegada) de espessura máxima da seção. Isso permite a formação de austenita homogênea.
• Resfriamento: Resfrie o aço em ar parado até a temperatura ambiente. A taxa de resfriamento mais rápida, em comparação ao recozimento, resulta em uma estrutura perlítica mais fina e maior dureza.

O aço 4140 normalizado a 870 °C (1600 °F) apresentará uma estrutura de grãos refinada, melhorando a resistência e a dureza em comparação ao seu estado original ou laminado a quente. Ele serve como um tratamento térmico preparatório comum antes do endurecimento e revenimento subsequentes para atingir as propriedades mecânicas finais desejadas para as aplicações específicas da sua fábrica. A dureza exata após a normalização dependerá das dimensões da peça e da taxa de resfriamento alcançada. Lembre-se de que esse estado normalizado costuma ser uma etapa intermediária, e um tratamento térmico adicional, como o revenimento, normalmente é necessário para otimizar o equilíbrio entre resistência, ductilidade e tenacidade para as condições de serviço pretendidas.

4.3 Têmpera (têmpera): Este processo visa obter uma estrutura martensítica dura. Envolve:

• Pré-aquecimento (opcional, mas recomendado): para aço 4140, um pré-aquecimento a cerca de 650 °C (1200 °F) por 10 a 15 minutos pode ser benéfico, especialmente para formas complexas, para reduzir o choque térmico e minimizar a distorção.
• Austenitização: Aqueça o aço até a temperatura de austenitização, tipicamente na faixa de 845 a 925 °C (1550 a 1700 °F). Algumas fontes especificam uma temperatura de 855 °C (1575 °F). Mantenha essa temperatura por um tempo de imersão suficiente para garantir a transformação completa em austenita, o que depende da espessura da seção transversal (por exemplo, adicione 5 minutos para cada polegada da menor seção transversal após atingir a temperatura de austenitização). A imersão excessiva, especialmente em temperaturas mais altas, pode levar ao crescimento indesejado de grãos de austenita.
• Têmpera: Resfrie rapidamente o aço a partir da temperatura de austenitização em um agente de têmpera adequado. Para o aço 4140, a têmpera em óleo é o método mais comum e recomendado para atingir a têmpera, minimizando o risco de trincas associado a agentes de têmpera mais rápidos, como a água. No entanto, a têmpera em água pode ser usada para seções maiores, dependendo dos requisitos de temperabilidade. A eficácia da têmpera depende da temperatura do agente de têmpera. Se você pegar o aço 4140 recozido a 1600 °F e, em seguida, temperá-lo em óleo a partir da temperatura de austenitização apropriada, você obterá uma alta dureza e resistência características da martensita, mas o material será frágil com baixa ductilidade e tenacidade. Um processo de revenimento subsequente seria necessário para a maioria das aplicações de engenharia.

4.4 Têmpera: A martensita endurecida é geralmente frágil e contém tensões internas. O revenimento é realizado para reduzir a fragilidade, aliviar essas tensões e melhorar a tenacidade, mantendo dureza e resistência suficientes. As etapas são:

• Aquecimento: Reaqueça o aço temperado a uma temperatura de revenimento específica, que é sempre inferior à temperatura de austenitização. A temperatura de revenimento para o aço 4140 normalmente varia de 205 a 705 °C (400 a 1300 °F), dependendo das propriedades mecânicas desejadas. É fundamental que o revenimento ocorra assim que as peças atingirem 52 a 65 °C (125 a 150 °F) após o revenimento para evitar trincas. O revenimento entre 230 e 370 °C (450 e 700 °F) é geralmente evitado para o aço 4140 para evitar a fragilidade azul.
• Resistência: Manter a temperatura de revenimento por um tempo específico, normalmente de 1 a 2 horas, ou 2 horas por polegada (25 mm) de seção transversal. Isso permite a difusão de carbono e elementos de liga e a formação de martensita revenida com as propriedades desejadas.
• Resfriamento: Resfriamento à temperatura ambiente ao ar ou por têmpera em água ou óleo. A taxa de resfriamento após o revenimento geralmente não é crítica. Frequentemente, um segundo ciclo de revenimento a uma temperatura ligeiramente mais baixa pode ser utilizado.

4.5 Esferoidização: Trata-se de um processo de recozimento especializado que produz uma microestrutura de carbonetos globulares em uma matriz ferrítica, resultando em maciez máxima e melhor conformabilidade. Para o aço 4140, isso pode ser alcançado por aquecimento a 760 a 775 °C (1400 a 1425 °F) e manutenção por 4 a 12 horas, seguido de resfriamento lento.

4.6 Endurecimento de superfície:Para aumentar a resistência ao desgaste e, ao mesmo tempo, manter um núcleo mais resistente, o aço 4140 pode passar por processos de endurecimento superficial como:

• Têmpera por Indução: Envolve o aquecimento rápido da camada superficial até a temperatura de austenitização usando uma bobina de indução, seguido de têmpera. Isso cria uma camada superficial dura. Após a têmpera por indução, geralmente é realizado o revenimento.
• Nitretação: Este é um processo termoquímico que introduz nitrogênio na superfície do aço a temperaturas relativamente baixas, formando compostos de nitreto duros e melhorando a resistência ao desgaste e à fadiga. O revenimento antes da nitretação é frequentemente realizado.

5. 4140 Vs aço D2

• O aço 4140 é a sua escolha ideal para componentes estruturais e de máquinas que exigem um bom equilíbrio entre resistência e tenacidade, com resistência moderada ao desgaste, que pode ser aprimorada. Oferece versatilidade por meio de diversos tratamentos térmicos, incluindo têmpera superficial.
• Aço D2 É a sua escolha ideal para aplicações de ferramentas que exigem alta resistência à abrasão e estabilidade dimensional durante o endurecimento. Seu alto teor de carbono e cromo fornece os carbonetos duros necessários para a resistência ao desgaste, mas isso tem o custo de uma tenacidade menor em comparação com o aço 4140.
• Em resumo, o aço 4140 é provavelmente a melhor escolha para peças de máquinas que exigem alta resistência e tenacidade. Se você estiver lidando com ferramentas que exigem resistência excepcional ao desgaste e à abrasão, o aço D2 seria mais apropriado.

6. Aço 4140 vs 4130

• O aço 4140 possui maior teor de carbono, resultando em maior temperabilidade, resistência e dureza após tratamento térmico em comparação ao 4130. Ele normalmente é temperado em óleo.
• O aço 4130 possui menor teor de carbono, o que resulta em temperabilidade inferior a intermediária e, geralmente, menor resistência e dureza do que o 4140 após tratamentos térmicos semelhantes. É frequentemente temperado em água.
• Em resumo, se maior resistência for primordial, o aço 4140 é geralmente a escolha preferida. Se resistência moderada com soldabilidade ou usinabilidade potencialmente melhor for suficiente e o tamanho da seção for uma restrição significativa para o endurecimento, o aço 4130 pode ser considerado.

7. Efeito da temperatura de revenimento nas propriedades do aço 4140

8. Alumínio tarugo 7075 vs aço 4140

• O tarugo de aço 4140 oferece maior resistência e potencial de dureza do que o alumínio 7075, além de boa tenacidade. Também é mais denso e mais facilmente soldável (com precauções). Requer tratamento térmico para atingir suas propriedades ideais e é suscetível à corrosão.
• O tarugo de alumínio 7075 oferece densidade significativamente menor com alta resistência, tornando-o vantajoso em aplicações sensíveis ao peso. Possui boa resistência à corrosão, mas geralmente é mais difícil de soldar. Sua resistência é obtida por meio de revenimentos de tratamento térmico específico.

9. Aço 4140 para facas

O aço 4140 pode ser tratado termicamente para atingir a dureza necessária para uma lâmina de faca, mas sua falta de propriedades inoxidáveis o torna uma escolha menos convencional do que aços projetados especificamente para talheres. Se você precisa de uma faca resistente à corrosão, seria melhor explorar ligas de aço inoxidável. Se resistência e tenacidade forem os principais requisitos e a corrosão puder ser controlada, o aço 4140 pode ser considerado, mas uma atenção especial ao tratamento térmico será crucial.