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

Propriedade4340 TípicoO que isso significa na prática
Steel typeAço liga níquel-cromo-molibdênioUltra-alta resistência em seções pesadas
Dureza recozida217 HBA condição da barra é normalmente usinada
Dureza após têmpera58 HRC a 13 mm, 53 HRC a 100 mmMantém a dureza profundamente na seção
Dureza de trabalho24 a 53 HRC após revenimentoA temperatura de revenimento define o nível
Têmpera totalTêmpera em óleo até 75 mm, em água para seções maioresA têmpera em água aumenta o risco de trincas
UsinabilidadeCerca de 50 por cento do AISI 1212 a 187 a 241 HBMenor que o 4140 por causa do níquel

Composição Química

ElementoAISI 4340JIS SNCM 439GB 40CrNiMoA
Carbon (C)0.38–0.430.36–0.430.37–0.44
Manganês (Mn)0.60–0.800.60–0.900.50–0.80
Silício (Si)0.15–0.350.15–0.350.17–0.37
Níquel (Ni)1.65–2.001.60–2.001.25–1.65
Cromo (Cr)0.70–0.900.60–1.000.60–0.90
Molibdênio (Mo)0.20–0.300.15–0.300.15–0.25
Fósforo (P)0,035 máx.0,030 máximo0,035 máx.
Enxofre (S)0,040 máximo0,030 máximo0,035 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.

RevenimentoResistência, MPa (tração / escoamento)Dureza HB (HRC)Impacto Izod, J
205 °C1980 / 1860520 (53)20
315 °C1760 / 1620490 (50)14
425 °C1500 / 1365440 (46)16
540 °C1240 / 1160360 (39)47
650 °C1020 / 860290 (31)100
705 °C860 / 740250 (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 óleoDureza superficial HRCDureza HB
13 mm (0.5 in)58614
25 mm (1 in)57596
50 mm (2 in)56577
100 mm (4 in)53528

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

PadrãoGrauComposição química, C / Mn / Si / Cr / Ni / Mo
ASTM A29/A29M-034340 (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-03E4340 (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 JUN004340 (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 G4053:2003SNCM 4390.36–0.43 / 0.60–0.90 / 0.15–0.35 / 0.60–1.00 / 1.60–2.00 / 0.15–0.30
GB (China)40CrNiMoA0.37–0.44 / 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

EtapaTemperatura e observação
Normalizando870–925 °C, manter por no mínimo 1 h ou 15–20 min por 25 mm, resfriar ao ar
Recozimento830–860 °C, manter, resfriar no forno a cerca de 15 °C/h até 480 °C, resfriar ao ar
Endurecimento800–845 °C, manter 15 min por 25 mm, temperar em óleo morno a 25–60 °C
Revenimento455–650 °C por no mínimo 2 h, resfriar ao ar; recomenda-se revenimento duplo
Alívio do estresse650–675 °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, HBResistência, MPaCharpy V-notch, JK1c, MPa·m½
55020401953
43015203075
380129042110

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.

Propriedade43404140
Endurecimento profundoExcelente em seções pesadasModerado
Têmpera totalTêmpera em óleo até 75 mmAmolece no núcleo acima de 75–100 mm
Dureza a 100 mm53 HRC conforme temperadoNão endurece em toda a seção
Resistência em alta forçaExcelenteBom
Resistência a baixas temperaturasBomAdequado
Custo relativoMaior, por causa do níquelInferior

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.

Exigência4340Aço ferramenta (D2 / H13)
Resistência ao desgasteBaixoAlto, devido ao volume de carboneto
Dureza quentePobreBom (H13)
retenção de bordaPobreBom
Dureza máxima prática~50–55 HRC58–64 HRC
Resistência estrutural com tenacidadeExcelenteModerado

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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