Aço 4140: Propriedades, Dureza e Tratamento Térmico
O que é o aço 4140?
O 4140 é um aço liga cromo-molibdênio de médio carbono (AISI/SAE 4140) e um dos aços de engenharia mais utilizados. Aproximadamente 0,40% de carbono, 1% de cromo e 0,2% de molibdênio conferem-lhe um forte equilíbrio entre resistência, tenacidade e temperabilidade, de modo que uma única classe cobre uma ampla faixa de níveis de resistência por meio do tratamento térmico.
Internacionalmente, o mesmo aço é vendido como 42CrMo4 (1.7225) sob EN/DIN, SCM440 sob JIS, 42CrMo sob GB e G41400 sob UNS. Os limites de composição química são próximos, mas não idênticos, e as diferenças estão listadas na tabela de graus equivalentes abaixo.
Um ponto é importante para a seleção de material: o 4140 é um aço estrutural ligado, não um aço ferramenta. Sua aplicação típica são eixos, engrenagens, semi-eixos, parafusos, acoplamentos e peças de máquinas que suportam carga e resistem à fadiga. Ele não é projetado para ferramentas de corte, estampagem ou conformação, onde dominam a resistência ao desgaste e a alta dureza de trabalho. Saber onde fica essa linha é a diferença entre uma peça que dura e uma que falha precocemente.
Composição Química
| Elemento | AISI 4140 (peso %) | 42CrMo4 / EN (peso %) | GB 42CrMo (peso %) |
| Carbon (C) | 0.38–0.43 | 0.38–0.45 | 0.38–0.45 |
| Manganês (Mn) | 0.75–1.00 | 0.60–0.90 | 0.50–0.80 |
| Silício (Si) | 0.15–0.35 | 0,40 máx. | 0.17–0.37 |
| Cromo (Cr) | 0.80–1.10 | 0.90-1.20 | 0.90-1.20 |
| Molibdênio (Mo) | 0.15–0.25 | 0.15–0.30 | 0.15–0.25 |
| Fósforo (P) | 0,035 máx. | 0,035 máx. | 0,035 máx. |
| Enxofre (S) | 0,040 máximo | 0,035 máx. | 0,035 máx. |
O cromo e o molibdênio são o que separam o 4140 de um aço carbono comum como o 1045. O cromo aumenta a temperabilidade e a resistência ao desgaste; o molibdênio melhora ainda mais a temperabilidade, mantém a resistência em temperatura moderada e limita a fragilização reversível por revenimento. Juntos, eles permitem que seções mais espessas endureçam de forma mais uniforme do que o aço carbono.
Resposta ao Revenimento e Propriedades Mecânicas
O 4140 raramente é usado em uma única condição fixa. A mesma barra pode ser um eixo tenaz próximo de 30 HRC ou uma superfície dura de desgaste acima de 50 HRC, e apenas a temperatura de revenimento decide qual. A tabela abaixo é a resposta padrão ao revenimento para uma barra de 25 mm temperada em óleo a partir de 845–870 °C.
| Revenimento | Resistência à tracção | Limite de escoamento | Dureza HB (~HRC) |
| 205 °C | 1965 MPa | 1740 MPa | 578 (55) |
| 260 °C | 1860 MPa | 1650 MPa | 534 (53) |
| 315 °C | 1720 MPa | 1570 MPa | 495 (50) |
| 370 °C | 1590 MPa | 1460 MPa | 461 (47) |
| 425 °C | 1450 MPa | 1340 MPa | 429 (45) |
| 480 °C | 1300 MPa | 1210 MPa | 388 (41) |
| 540 °C | 1150 MPa | 1050 MPa | 341 (37) |
| 595 °C | 1020 MPa | 910 MPa | 311 (34) |
| 650 °C | 900 MPa | 790 MPa | 277 (30) |
| 705 °C | 810 MPa | 690 MPa | 235 (22) |
Os valores são típicos, não mínimos garantidos. A dureza é apresentada em HB no material de origem; o valor em HRC entre parênteses é uma conversão. As propriedades certificadas devem sempre estar vinculadas a um tamanho de seção definido e a um local de ensaio declarado.
Dureza por Tamanho de Seção
A dureza superficial após têmpera em óleo diminui à medida que a barra aumenta, porque o 4140 tem apenas temperabilidade moderada. Em seções finas, a têmpera produz quase martensita total; acima de aproximadamente 75–100 mm, o centro nunca atinge esse nível.
| Diâmetro da barra | HRC | HB (aprox.) | Condição |
| 13 mm (0.5 in) | 57 | 596 | Após a têmpera |
| 25 mm (1 in) | 55 | 560 | Após a têmpera |
| 50 mm (2 in) | 49 | 469 | Após a têmpera |
| 25 mm (1 in) | — | 335 | Revenido a 540 °C |
| 50 mm (2 in) | — | 202 | Revenido a 540 °C |
As duas últimas linhas são o ponto principal. Na mesma temperatura de revenimento, uma barra de 25 mm atinge 335 HB e uma barra de 50 mm atinge 202 HB. Quando uma peça precisa ser dura em toda a seção, este é o número que define o grau ou o processo — um revenimento mais longo não fecha a diferença.
Dureza por condição:
- Recozido: 197 HB. Mole, usinável, e a condição em que o material em barra é normalmente fornecido.
- Normalizado: 241–302 HB.
- Temperado em óleo e revenido: 229–341 HB, definida pela temperatura de revenimento e pela seção.
- Fornecimento pré-endurecido: no topo da faixa revenida, aproximadamente 300 HB (cerca de 30 HRC).
- Superfície por indução, chama ou nitretada: a camada é muito mais dura que o núcleo; o núcleo ainda define a capacidade de carga.
graus equivalentes
O mesmo aço circula sob nomes diferentes, e os limites de composição química não são idênticos. O manganês é a faixa que mais varia: 0,75–1,00% no AISI 4140, 0,60–0,85% no SCM440, 0,50–0,80% no GB 42CrMo.
| Padrão | Grau | Composição química (% em peso) |
| ASTM A29/A29M-03 | 4140 (G41400) | C 0,38–0,43 · Mn 0,75–1,00 · Si 0,15–0,35 · Cr 0,80–1,10 · Mo 0,15–0,25 · P 0,035 · S 0,040 |
| SAE J404 JUN00 | 4140 (G41400) | C 0,38–0,43 · Mn 0,75–1,00 · Si 0,15–0,35 · Cr 0,80–1,10 · Mo 0,15–0,25 · P 0,030 · S 0,040 |
| JIS G4053:2003 | SCM 440 | C 0,38–0,43 · Mn 0,60–0,85 · Si 0,15–0,35 · Cr 0,90–1,20 · Mo 0,15–0,30 · P 0,030 · S 0,030 |
| EN 10083-1:1991 | 42CrMo4 (1,7225) | C 0,38–0,45 · Mn 0,60–0,90 · Si 0,40 máx · Cr 0,90–1,20 · Mo 0,15–0,30 · P 0,035 · S 0,035 |
| EN 10083-1:1991 | 42CrMoS4 (1.7227) | C 0,38–0,45 · Mn 0,60–0,90 · Si 0,40 máx · Cr 0,90–1,20 · Mo 0,15–0,30 · S 0,020–0,040 |
| GB (China) | 42CrMo | C 0,38–0,45 · Mn 0,50–0,80 · Si 0,17–0,37 · Cr 0,90–1,20 · Mo 0,15–0,25 |
Estes são graus equivalentes mais próximos, não peças intercambiáveis. As faixas de manganês e enxofre diferem, assim como a faixa de temperabilidade permitida por cada norma. Antes de substituir um pelo outro, verifique as tolerâncias de composição química na norma de compra e a dureza que a peça deve atingir no tamanho de sua seção — um grau que atende à composição química ainda pode não atingir a dureza.
o tratamento térmico
Normalizando: aquecer a 845–925 °C e resfriar ao ar. Isso refina o grão e uniformiza a estrutura antes do endurecimento ou da usinagem.
Recozimento: aquecer a 830–870 °C, manter, depois resfriar no forno a cerca de 15 °C/h até 480 °C e resfriar ao ar. O resultado é uma estrutura mole e usinável próxima de 197 HB.
Endurecimento: austenitizar a 830–870 °C e temperar em óleo. O óleo é o padrão. A têmpera em água aumenta o risco de trincas em formas complexas e raramente é usada; quando é, a temperatura de austenitização cai para 815–845 °C. Manter por no mínimo 1 hora, ou 15–20 minutos por 25 mm de seção.
Têmpera: duas faixas são usadas. 175–230 °C para resistência máxima, ou 385–705 °C para todo o resto, até um limite de escoamento abaixo de 1380 MPa. A temperatura de revenimento, não a têmpera, define as propriedades finais.
Dois efeitos de fragilização merecem atenção:
- Fragilização por martensita revenida — o 4140 normalmente não é revenido entre 230 e 370 °C, a faixa de fragilidade azul, porque a tenacidade ao impacto cai acentuadamente nessa faixa.
- Fragilização por revenido reversível — pode se desenvolver em seções espessas que resfriam lentamente através de 375–575 °C após revenimento a alta temperatura, e está ligada ao fósforo e a impurezas semelhantes. O molibdênio no 4140 reduz a tendência; o resfriamento mais rápido a partir da temperatura de revenimento a limita ainda mais.
Soldagem do 4140
O 4140 não é um aço para soldagem pré-qualificado. Um procedimento de soldagem deve ser escrito e qualificado para a junta, e os quatro controles abaixo não são opcionais.
- Pré-aquecimento acima da temperatura de início da martensita: 290 °C (550 °F). Acima desse nível, a zona afetada pelo calor se transforma em bainita em vez de martensita não revenida, que é o que trinca.
- Manter o pré-aquecimento como temperatura entre passes. Se a peça cair abaixo disso, pare e reaqueça.
- Um processo com baixo hidrogênio e consumíveis com baixo hidrogênio são obrigatórios. O hidrogênio é a outra metade da fissuração a frio.
- Pós-aquecimento não superior a 28 °C (50 °F) abaixo da temperatura de revenimento aplicada à peça. Resfriar uma ZTA não revenida até a temperatura ambiente é como um reparo se transforma em trinca.
Usinagem do 4140
No estado recozido, com 187–229 HB, o 4140 é usinado a cerca de 65% da taxa do AISI 1212 tomada como 100%. Essa é uma classificação normal de aço-liga, não uma difícil — a condição de dureza é o que altera o número.
- Recozido (187–229 HB): a condição mais rápida, e na qual se deve usinar quando a peça passa por tratamento térmico depois.
- Temperado e revenido (229–341 HB): velocidades menores, montagem mais rígida, maior desgaste da ferramenta. Usinar na condição pré-endurecida evita distorção e carepa de um tratamento térmico posterior.
- Peças típicas cortadas do 4140: bielas, virabrequins, munhões de direção, eixos, engrenagens, prisioneiros, parafusos de alta resistência, porta-ferramentas e hastes.
Aço 4140 ou aço ferramenta? A escolha do aço certo para cada aplicação.
O 4140 e os aços-ferramenta se sobrepõem em algumas faixas de dureza, então é tentador substituir um pelo outro apenas pelo preço. A escolha correta decorre do que a peça precisa suportar.
O 4140 é a melhor resposta quando a peça suporta carga e fadiga em vez de corte ou abrasão: eixos, engrenagens, mandris, porta-ferramentas, bases e peças estruturais de máquinas. É mais tenaz e muito mais barato que o aço-ferramenta, solda com mais facilidade e está disponível em uma faixa maior de tamanhos e formas. Quando vida ao desgaste extrema e 58+ HRC não são exigidos, pagar por aço-ferramenta não traz nada.
O aço-ferramenta é a resposta correta quando os modos de falha são desgaste, retenção de fio ou calor. O 4140 não consegue manter um fio de corte nem resistir ao desgaste abrasivo de matrizes tão bem quanto um grau de alto carboneto, e perde resistência rapidamente acima de cerca de 400 °C. Vale a pena traçar claramente três linhas:
- Ferramentas de corte e estampagem precisam da dureza (60+ HRC) e do volume de carbonetos que o 4140 não tem. O D2 ou o A2 dura muito mais em uma matriz de desgaste.
- Ferramental para trabalho a quente acima de ~400 °C precisa da dureza a quente do H13, que o 4140 não possui.
- Qualquer peça que deva suportar 58+ HRC em uma seção real está fora do alcance do 4140, porque ele não consegue chegar lá de forma confiável no tamanho de seção envolvido.
| Propriedade | 4140 | D2 | H13 | A2 |
| Dureza máxima (prática) | ~50–55 HRC | 58–62 HRC | 44–52 HRC | 57–62 HRC |
| Resistência ao desgaste | Baixo | Excelente | Moderado | Bom |
| Dureza quente | Baixa (abaixo de 400 °C) | Baixo | Excelente (até ~600 °C) | Baixo |
| Tenacidade | Bom | Moderado | Bom | Moderado |
| Custo relativo | Baixo | Alto | Alto | Médio-alto |
| volume de carboneto | Nenhum | Alto (carbetos de Cr) | Baixo (carbonetos de liga) | Moderado (carbetos de Cr) |
Normas e Referências
O 4140 e seus equivalentes são cobertos pela ASTM A29/A29M e SAE J404 (composição de barras), ASTM A322 (tarugos e barras), EN 10083-1 (42CrMo4), JIS G4053 (SCM440) e GB/T 3077 (42CrMo). As propriedades mecânicas certificadas devem sempre estar vinculadas a uma norma declarada, tamanho de seção e local de ensaio.
Dados nesta página:
- Propriedades mecânicas e prática de tratamento térmico — ASM Handbook Vol. 4, Heat Treating, seção 4140.
- Dureza por tamanho de seção, faixas recozida / normalizada / revenida, classificação de usinabilidade — Cutting Data for Turning of Steel, capítulo AISI 4140.
- Graus equivalentes e química — Handbook of Comparative World Steel Standards (ASTM DS 67B), tabela de aços Cr-Mo.
- Prática de soldagem — ASM Handbook Vol. 6, Welding, Brazing and Soldering.
- Ficha de referência do AISI 4140, PDF de 2 páginas, 414 KB. O PDF está em inglês. As mesmas tabelas, para impressão.
Leitura relacionada: