Aço 4340: Propriedades, Dureza e Tratamento Térmico
O que é o Aço 4340?
O 4340 é um aço liga níquel-cromo-molibdênio de médio carbono (AISI/SAE 4340). Pertence aos aços estruturais de ultra-alta resistência e é valorizado pela temperabilidade profunda, alta tenacidade em alta resistência e forte desempenho em fadiga. Peças típicas são trens de pouso de aeronaves, eixos e semi-eixos de serviço pesado, engrenagens, virabrequins e outros componentes que suportam alta tensão em seções espessas.
O níquel é o que o diferencia de um aço cromo-molibdênio como o 4140. Entre 1,65 e 2,00 por cento, o níquel eleva a tenacidade, atua com o cromo e o molibdênio para aprofundar a temperabilidade na seção e mantém propriedades de impacto úteis em baixa temperatura.
Um ponto é importante para a seleção de material: o 4340 é um aço estrutural liga, não um aço ferramenta. Ele não é projetado para a resistência ao desgaste ou dureza a quente que o trabalho de matrizes e corte exige. Se você está escolhendo material para uma matriz, punção ou ferramenta de trabalho a quente, a comparação com aços ferramenta mais abaixo é a relevante.
4340 em Resumo
| Propriedade | 4340 Típico | O que isso significa na prática |
| Steel type | Aço liga níquel-cromo-molibdênio | Ultra-alta resistência em seções pesadas |
| Dureza recozida | 217 HB | A condição da barra é normalmente usinada |
| Dureza após têmpera | 58 HRC a 13 mm, 53 HRC a 100 mm | Mantém a dureza profundamente na seção |
| Dureza de trabalho | 24 a 53 HRC após revenimento | A temperatura de revenimento define o nível |
| Têmpera total | Têmpera em óleo até 75 mm, em água para seções maiores | A têmpera em água aumenta o risco de trincas |
| Usinabilidade | Cerca de 50 por cento do AISI 1212 a 187 a 241 HB | Menor que o 4140 por causa do níquel |
Composição Química
| Elemento | AISI 4340 | JIS SNCM 439 | GB 40CrNiMoA |
| Carbon (C) | 0.38–0.43 | 0.36–0.43 | 0.37–0.44 |
| Manganês (Mn) | 0.60–0.80 | 0.60–0.90 | 0.50–0.80 |
| Silício (Si) | 0.15–0.35 | 0.15–0.35 | 0.17–0.37 |
| Níquel (Ni) | 1.65–2.00 | 1.60–2.00 | 1.25–1.65 |
| Cromo (Cr) | 0.70–0.90 | 0.60–1.00 | 0.60–0.90 |
| Molibdênio (Mo) | 0.20–0.30 | 0.15–0.30 | 0.15–0.25 |
| Fósforo (P) | 0,035 máx. | 0,030 máximo | 0,035 máx. |
| Enxofre (S) | 0,040 máximo | 0,030 máximo | 0,035 máx. |
Valores em porcentagem. O grau de forno elétrico E4340 usa as mesmas faixas com residuais mais restritos, fósforo e enxofre a 0,025 máx cada, e manganês a 0,65 a 0,85. É a versão especificada onde inclusões e vida em fadiga importam, como forjados aeroespaciais.
A faixa de níquel é o número a verificar quando um cliente pede 4340 e a usina oferece 40CrNiMoA. Com 1,25 a 1,65 por cento de níquel, o grau chinês fica no limite inferior da faixa do 4340, então uma seção pesada pode não atingir a dureza que o desenho pressupõe, mesmo que cada elemento esteja dentro de sua própria faixa.
Resposta ao Revenimento e Propriedades Mecânicas
O 4340 atinge resistência muito alta mantendo tenacidade utilizável, e esse equilíbrio é sua propriedade definidora. A tabela abaixo é a resposta padrão ao revenimento para o 4340 temperado em óleo, mantido na temperatura por pelo menos duas horas.
| Revenimento | Resistência, MPa (tração / escoamento) | Dureza HB (HRC) | Impacto Izod, J |
| 205 °C | 1980 / 1860 | 520 (53) | 20 |
| 315 °C | 1760 / 1620 | 490 (50) | 14 |
| 425 °C | 1500 / 1365 | 440 (46) | 16 |
| 540 °C | 1240 / 1160 | 360 (39) | 47 |
| 650 °C | 1020 / 860 | 290 (31) | 100 |
| 705 °C | 860 / 740 | 250 (24) | 102 |
Leia a coluna de impacto, não apenas a dureza. Entre 205 °C e 540 °C a dureza cai cerca de 160 HB enquanto a energia absorvida mais que dobra, razão pela qual o 4340 é especificado onde uma peça deve suportar choque em alta resistência.
Dois efeitos de fragilização importam ao revenir o 4340:
- Fragilização por martensita revenida — queda de propriedades na faixa de 230 a 370 °C, onde a tenacidade ao impacto cai enquanto a dureza ainda parece saudável.
- Fragilização por revenido reversível — resfriamento lento através de aproximadamente 375 a 575 °C após revenimento a alta temperatura permite a segregação de fósforo nos contornos de grão austenítico prévios. Resfriamento rápido e revenimento duplo limitam isso; o molibdênio no 4340 reduz, mas não elimina, a sensibilidade.
Devido ao segundo efeito, o revenimento abaixo de 455 °C não é recomendado para o 4340 onde a peça sofre carregamento de impacto ou fadiga. Onde a resistência máxima é o requisito, como em alguns componentes de aeronaves, a janela de baixa temperatura é usada com revenimento duplo e um processo qualificado.
Temperabilidade e Tamanho da Seção
A temperabilidade profunda é a razão pela qual os engenheiros recorrem ao 4340 em vez de aços liga mais simples. A têmpera em óleo endurece seções redondas até 75 mm de diâmetro; seções maiores precisam de têmpera em água, o que aumenta o risco de trincas. Graus mais simples como o 4140 endurecem bem em barras pequenas, mas amolecem no núcleo de seções pesadas.
| Diâmetro da barra, temperada em óleo | Dureza superficial HRC | Dureza HB |
| 13 mm (0.5 in) | 58 | 614 |
| 25 mm (1 in) | 57 | 596 |
| 50 mm (2 in) | 56 | 577 |
| 100 mm (4 in) | 53 | 528 |
A perda nessa faixa é de cerca de 5 HRC. Faça a mesma comparação no 4140 e a queda fica mais próxima de 8 HRC, com o núcleo caindo muito mais rápido após 75 mm, que é a diferença prática entre os dois graus.
Após o revenimento, a vantagem se mantém. Temperadas em óleo e revenidas a 425 °C, barras de 4340 de 13, 38 e 75 mm mantêm 1460, 1450 e 1420 MPa. Temperadas em água e revenidas a 650 °C, barras de 75, 100 e 150 mm mantêm 1055, 1035 e 1000 MPa a 340, 330 e 322 HB.
graus equivalentes
| Padrão | Grau | Composição química, C / Mn / Si / Cr / Ni / Mo |
| ASTM A29/A29M-03 | 4340 (G43400) | 0.38–0.43 / 0.60–0.80 / 0.15–0.35 / 0.70–0.90 / 1.65–2.00 / 0.20–0.30 |
| ASTM A29/A29M-03 | E4340 (G43406) | 0.38–0.43 / 0.65–0.85 / 0.15–0.35 / 0.70–0.90 / 1.65–2.00 / 0.20–0.30 |
| SAE J404 JUN00 | 4340 (G43400) | 0.38–0.43 / 0.60–0.80 / 0.15–0.35 / 0.70–0.90 / 1.65–2.00 / 0.20–0.30 |
| JIS G4053:2003 | SNCM 439 | 0.36–0.43 / 0.60–0.90 / 0.15–0.35 / 0.60–1.00 / 1.60–2.00 / 0.15–0.30 |
| GB (China) | 40CrNiMoA | 0.37–0.44 / 0.50–0.80 / 0.17–0.37 / 0.60–0.90 / 1.25–1.65 / 0.15–0.25 |
DIN 1.6565 (40NiCrMo6) e BS 817M40 (EN24) pertencem à mesma família e são as designações mais frequentemente citadas ao lado do 4340 na Europa. São graus aproximados, não peças intercambiáveis: a faixa de níquel, o limite de enxofre e a faixa de temperabilidade variam entre normas, e um grau que atende à composição química ainda pode não atingir a dureza na seção considerada no desenho.
o tratamento térmico
| Etapa | Temperatura e observação |
| Normalizando | 870–925 °C, manter por no mínimo 1 h ou 15–20 min por 25 mm, resfriar ao ar |
| Recozimento | 830–860 °C, manter, resfriar no forno a cerca de 15 °C/h até 480 °C, resfriar ao ar |
| Endurecimento | 800–845 °C, manter 15 min por 25 mm, temperar em óleo morno a 25–60 °C |
| Revenimento | 455–650 °C por no mínimo 2 h, resfriar ao ar; recomenda-se revenimento duplo |
| Alívio do estresse | 650–675 °C após usinagem e antes do endurecimento, nunca acima da temperatura de revenimento depois |
Dois pontos práticos que diferem do 4140 e custam caro quando ignorados. Primeiro, a faixa de austenitização é mais baixa, 800–845 °C contra 830–870 °C, e o óleo deve ser morno, não frio. Segundo, o 4340 normalmente recebe revenimento duplo: o primeiro revenimento converte a austenita retida, o segundo restaura a tenacidade.
Soldagem do 4340
O 4340 não é um aço de soldagem pré-qualificado. Um procedimento de soldagem deve ser elaborado e qualificado para a junta.
- Pré-aquecer acima da temperatura de início da martensita, 290 °C (550 °F), para que a zona afetada pelo calor se transforme em bainita em vez de martensita não revenida.
- Manter o pré-aquecimento como temperatura entre passes e reaquecer a peça se ela cair abaixo.
- Um processo de baixo hidrogênio e consumíveis de baixo hidrogênio são obrigatórios.
- Pós-aquecimento não superior a 28 °C (50 °F) abaixo da temperatura de revenimento aplicada à peça.
Usinagem do 4340
No estado recozido, com 187 a 241 HB, o 4340 é usinado a cerca de 50% da taxa do AISI 1212 tomado como 100%. Isso é mais lento que o 4140 a 65%, e o níquel é o motivo. No estado temperado e revenido, com 255 a 363 HB, o índice cai ainda mais: espere velocidades menores, mais desgaste de ferramenta e uma fixação mais rígida, mas nenhuma distorção de um tratamento térmico posterior.
Peças comumente usinadas em 4340 incluem pinos de pistão, rolamentos, engrenagens, mandris de máquinas-ferramenta, blocos de matrizes e hastes de ferramentas de corte, além dos usos estruturais listados abaixo.
Tenacidade e tenacidade à fratura
A tenacidade é a propriedade pela qual o 4340 é efetivamente adquirido, e ela é diretamente contraposta à dureza. A tabela abaixo mostra o mesmo aço em três durezas de trabalho, com a tenacidade à fratura em deformação plana medida em conjunto com a energia de impacto.
| Dureza, HB | Resistência, MPa | Charpy V-notch, J | K1c, MPa·m½ |
| 550 | 2040 | 19 | 53 |
| 430 | 1520 | 30 | 75 |
| 380 | 1290 | 42 | 110 |
Leia a linha da esquerda para a direita: de 380 HB a 550 HB o aço ganha cerca de 60 por cento de resistência e perde metade da tenacidade à fratura, de 110 para 53 MPa·m½. Os valores de resistência dessa tabela são estimados a partir da dureza, então trate-os como uma correspondência e não como dados medidos. Quando um desenho exige 4340 a 550 HB, exige uma peça que tolera pouco dano, e o projeto precisa considerar isso.
Um grau relacionado que vale conhecer: o 300M é um 4340 modificado com silício, com cerca de 1,6 por cento de silício, teor ligeiramente maior de carbono e molibdênio e uma pequena adição de vanádio. O silício permite uma temperatura de revenimento mais alta com a mesma resistência, o que melhora a tenacidade. Ele também é mais propenso à descarbonetação durante o tratamento térmico, portanto a proteção da superfície é mais importante do que no 4340 comum.
4340 versus 4140
O 4140 e o 4340 compartilham a base cromo-molibdênio, e a diferença é o níquel. O 4140 praticamente não tem, o 4340 contém 1,65 a 2,00 por cento, e essa única adição é o que os separa na análise de um desenho.
| Propriedade | 4340 | 4140 |
| Endurecimento profundo | Excelente em seções pesadas | Moderado |
| Têmpera total | Têmpera em óleo até 75 mm | Amolece no núcleo acima de 75–100 mm |
| Dureza a 100 mm | 53 HRC conforme temperado | Não endurece em toda a seção |
| Resistência em alta força | Excelente | Bom |
| Resistência a baixas temperaturas | Bom | Adequado |
| Custo relativo | Maior, por causa do níquel | Inferior |
Escolha o 4340 em vez do 4140 quando for necessária dureza plena em uma seção que o 4140 não consegue endurecer por completo, quando for exigida tenacidade máxima em alta resistência, quando a peça estiver sujeita a carregamento de fadiga, como componentes aeronáuticos e eixos de serviço pesado, ou quando a tenacidade em baixa temperatura for importante. Para seções mais leves com resistência moderada, o 4140 é a resposta mais econômica.
4340 versus aço-ferramenta
Essa é a distinção que atrai muitos compradores a esta página, por isso vale a pena ser direto. O aço 4340 não substitui o aço ferramenta em trabalhos de corte e usinagem.
| Exigência | 4340 | Aço ferramenta (D2 / H13) |
| Resistência ao desgaste | Baixo | Alto, devido ao volume de carboneto |
| Dureza quente | Pobre | Bom (H13) |
| retenção de borda | Pobre | Bom |
| Dureza máxima prática | ~50–55 HRC | 58–64 HRC |
| Resistência estrutural com tenacidade | Excelente | Moderado |
O 4340 leva vantagem quando a peça é estrutural e precisa de resistência e tenacidade extremas à temperatura ambiente ou moderada. O aço-ferramenta leva vantagem quando a peça precisa resistir ao desgaste, manter um fio de corte ou permanecer duro quando quente. Uma matriz de trabalho a frio exige D2 ou A2. Uma matriz de trabalho a quente ou ferramenta de extrusão exige H13 ou H11. Usar 4340 nessas funções produz desgaste prematuro e deformação, não uma matriz mais barata.
Aplicações comuns
O 4340 é encontrado em trens de pouso e ferragens estruturais de aeronaves, eixos de helicópteros e de transmissão, eixos e semieixos de serviço pesado, engrenagens, virabrequins, parafusos de alta resistência e canos de armas. Peças aeronáuticas críticas quanto à fadiga são frequentemente feitas de 4340 refundido a vácuo, VAR ou ESR, para reduzir inclusões e elevar a vida em fadiga, pois o aço mais limpo resiste à iniciação de trincas sob carga cíclica.
Normas e Referências
O 4340 é coberto pela ASTM A29/A29M e SAE J404 para barras, ASTM A322 para blocos e barras, e especificações AMS para barras e forjados aeronáuticos. Os graus equivalentes estão na JIS G4053 (SNCM439) e GB/T 3077 (40CrNiMoA). As propriedades mecânicas certificadas devem sempre estar vinculadas a uma norma declarada, a um tamanho de seção e a um local de ensaio.
Dados nesta página:
- Resposta ao revenimento, efeito de massa e prática de tratamento térmico — ASM Handbook Vol. 4, Heat Treating, seção 4340.
- Faixas de dureza recozido, normalizado e revenido, dureza por tamanho de seção, índice de usinabilidade e peças típicas — Cutting Data for Turning of Steel, capítulo AISI 4340.
- Graus equivalentes e composição química — Handbook of Comparative World Steel Standards (ASTM DS 67B), tabela de aços Ni-Cr-Mo.
- Composição química do GB 40CrNiMoA — 通用钢铁材料 (manual chinês de materiais siderúrgicos).
- Prática de soldagem — ASM Handbook Vol. 6, Welding, Brazing and Soldering.
- Ficha de referência do AISI 4340, PDF de 2 páginas, 412 KB. O PDF está em inglês. As mesmas tabelas, para impressão.
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