20# vs 25# – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
20# e 25# são dois rótulos de designação comuns usados em várias normas regionais (notavelmente a prática chinesa GB/GB/T) para identificar aços carbono simples frequentemente empregados em engenharia geral, eixos, fixadores e estruturas soldadas. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de fabricação frequentemente enfrentam um dilema de seleção entre os dois: material de menor custo e mais dúctil versus um grau de carbono ligeiramente mais alto que oferece maior resistência e resistência ao desgaste. As escolhas são geralmente impulsionadas pela capacidade de carga necessária, necessidades de conformação ou soldagem, usinabilidade e restrições de custo.
A principal distinção entre 20# e 25# é seu teor de carbono e as consequências metalúrgicas dessa diferença de carbono — que controlam resistência, ductilidade e temperabilidade. Como os dois graus são quimicamente simples (aços carbono simples ou de baixo liga), os projetistas os comparam diretamente ao especificar material para peças onde os compromissos entre resistência e tenacidade devem ser equilibrados com a facilidade de fabricação.
1. Normas e Designações
- GB / GB/T (China): 20# (também escrito como 20G em alguns contextos), 25# (25G etc.) — aços carbono simples usados para fins estruturais e mecânicos gerais.
- JIS (Japão): Comparável aos graus JIS-SC ou SCr dependendo da química exata e do uso pretendido, mas o mapeamento direto um a um não é exato.
- ASTM/ASME (EUA): Nenhum grau ASTM direto com a notação “#”; aços comparáveis seriam aços de baixo carbono como A36 ou AISI 1020/1025 dependendo dos níveis exatos de C e Mn e requisitos de propriedades.
- EN (Europa): Graus equivalentes caem em aços estruturais não-liga, como as famílias S235/S275 dependendo dos níveis de propriedades mecânicas.
- Classificação: Tanto 20# quanto 25# são aços carbono simples (não inoxidáveis, não de alta resistência e baixa liga) na prática típica; eles não são aços para ferramentas, aços inoxidáveis ou HSLA em suas formas padrão.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
| Elemento | 20# típico (faixa aprox.) | 25# típico (faixa aprox.) |
|---|---|---|
| C (Carbono) | 0,17 – 0,24 wt% | 0,22 – 0,30 wt% |
| Mn (Manganês) | 0,25 – 0,60 wt% | 0,25 – 0,70 wt% |
| Si (Silício) | ≤ 0,35 wt% (frequentemente 0,02–0,30) | ≤ 0,35 wt% (frequentemente 0,02–0,30) |
| P (Fósforo) | ≤ 0,035 wt% (máx) | ≤ 0,035 wt% (máx) |
| S (Enxofre) | ≤ 0,035 wt% (máx) | ≤ 0,035 wt% (máx) |
| Cr (Cromo) | geralmente ≤ 0,30 wt% | geralmente ≤ 0,30 wt% |
| Ni (Níquel) | traço / não especificado | traço / não especificado |
| Mo, V, Nb, Ti, B, N | não adicionados intencionalmente em graus padrão; níveis de traço possíveis | igual a 20# |
Notas: Os valores são faixas típicas observadas em especificações comuns no estilo GB e na prática de usinas. Limites exatos e elementos adicionais variam com a norma, usina e se o produto é destinado a forjamento, tratamento térmico ou serviço especial.
Como a liga afeta as propriedades - Carbono: Controle primário da resistência e dureza. Maior teor de carbono aumenta a resistência à tração e a resistência ao escoamento e dureza, mas reduz a ductilidade e a soldabilidade. - Manganês: Melhora a temperabilidade, resistência à tração e desoxida o aço. O Mn também compensa a fragilidade do enxofre até certo ponto. - Silício, Cr, Ni, Mo: Quando presentes em pequenas quantidades, modificam a temperabilidade e tenacidade; nesses graus, geralmente estão em níveis baixos e não são a estratégia de endurecimento primária. - Impurezas (P, S): Mantidas baixas para preservar a tenacidade e resistência à fadiga; o enxofre pode melhorar a usinabilidade se intencionalmente elevado em variantes de corte livre.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas como-laminadas: - 20#: Predominantemente ferrita com perlita dispersa. O nível de carbono mais baixo significa maior fração de matriz ferrítica e uma microestrutura mais macia e dúctil. - 25#: Aumento da fração de perlita em comparação com 20#, produzindo uma estrutura lamelar mais fina quando resfriada em condições semelhantes; maior densidade de discordâncias após deformação.
Resposta ao tratamento térmico: - Normalização: Ambos os graus respondem à normalização com refino de grão; 25# produzirá uma fração de volume maior de perlita e uma resistência um pouco maior após normalização em comparação com 20#. - Resfriamento e têmpera: Como ambos são aços carbono simples de baixa liga, sua temperabilidade é limitada. 25# atinge maior dureza após resfriamento do que 20# sob severidade de resfriamento equivalente devido ao maior teor de carbono, mas nenhum atinge a temperabilidade de aços de média liga sem adições de liga. - Processamento termo-mecânico: Laminação controlada e resfriamento acelerado podem aumentar a resistência e refinar a microestrutura; 25# geralmente alcançará níveis de resistência mais altos através desse processamento, mas com alguma perda de ductilidade.
4. Propriedades Mecânicas
| Propriedade | 20# típico (como-laminado/normatizado) | 25# típico (como-laminado/normatizado) |
|---|---|---|
| Resistência à tração (MPa) | ~350 – 500 MPa (faixa de trabalho típica) | ~400 – 560 MPa (maior em média) |
| Resistência ao escoamento (MPa) | ~215 – 315 MPa | ~245 – 370 MPa |
| Alongamento (%) | ~26 – 40% | ~18 – 30% (reduzido em comparação com 20#) |
| Tenacidade ao impacto (J, qualitativa) | Geralmente boa em ambiente; melhor tenacidade a baixa temperatura do que 25# | Boa em ambiente; inferior a 20# em condição processada de forma semelhante |
| Dureza (HB) | ~110 – 160 HB | ~130 – 180 HB |
Notas: Estas são faixas representativas para condições de laminação a quente ou normalizadas. Valores específicos dependem da química exata, espessura da seção e processamento térmico/mecânico. 25# é geralmente mais forte e duro devido ao maior teor de carbono e aumento da perlita, enquanto 20# é geralmente mais dúctil e tenaz em condições comparáveis.
5. Soldabilidade
A soldabilidade de aços carbono simples é controlada principalmente pelo teor de carbono e temperabilidade. Maior teor de carbono aumenta o risco de formação de martensita dura e quebradiça na zona afetada pelo calor (HAZ) e, assim, aumenta a suscetibilidade a trincas a frio.
Fórmulas de avaliação úteis (orientação qualitativa): - Equivalente de Carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (mais conservador): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação: - 20# (C mais baixo) geralmente mostrará valores de $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ mais baixos do que 25#, implicando soldabilidade mais fácil, requisitos de pré-aquecimento reduzidos e menor risco de trincas na HAZ. - 25# (C mais alto) frequentemente requer práticas de soldagem mais cuidadosas — pré-aquecimento, temperaturas de interpassagem controladas e tratamento térmico pós-soldagem em aplicações críticas — especialmente para seções mais grossas. - Microligação pode elevar a temperabilidade mesmo com baixo teor total de liga; uma vez que ambos os graus são geralmente carbono simples, os efeitos da liga são limitados em comparação com aços HSLA.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Nenhum dos dois, 20# ou 25#, é inoxidável; a resistência à corrosão é semelhante e ruim em comparação com aços inoxidáveis. As estratégias de proteção incluem pintura/revestimento, galvanização a quente, eletrodeposição, lubrificação ou primers inibidores de corrosão.
- PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) não é aplicável a esses aços não inoxidáveis, mas a fórmula para comparação com inoxidáveis é: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Nota de seleção: Se a resistência à corrosão for necessária em vez de aço carbono otimizado para custo, especificar um grau inoxidável ou uma liga resistente à corrosão é a abordagem correta em vez de confiar em 20# ou 25# com revestimentos quando o desempenho a longo prazo ou em ambientes agressivos é necessário.
7. Fabricação, Usinabilidade e Conformabilidade
- Conformação e dobra: 20# é mais tolerante em operações de conformação devido à menor resistência ao escoamento e maior alongamento; menos retorno elástico e forças de formação mais baixas são típicas.
- Trabalho a frio: 25# enrijece mais rápido e pode exigir forças de conformação mais altas e controles de ferramentas mais rigorosos.
- Usinabilidade: O aumento do teor de carbono e perlita em 25# geralmente aumenta a resistência e dureza; a usinabilidade depende da microestrutura e dos níveis de enxofre/fósforo. Em geral, 25# pode ser ligeiramente mais difícil de usinar (forças de corte mais altas, desgaste de ferramenta mais rápido) do que 20# em condições idênticas.
- Acabamento de superfície: Ambos os graus podem ser retificados, polidos ou revestidos. A maior dureza de 25# pode exigir seleção de ferramentas de moagem mais agressivas.
8. Aplicações Típicas
| 20# (usos comuns) | 25# (usos comuns) |
|---|---|
| Componentes estruturais, tubos de pequeno diâmetro, fabricação geral onde ductilidade e soldabilidade são priorizadas | Eixos, eixos, pinos, parafusos e peças onde maior resistência ou resistência ao desgaste é necessária |
| Estruturas de máquinas, montagens soldadas, forjados de uso geral | Engrenagens de média resistência e peças de desgaste levemente carregadas (quando não há necessidade de liga) |
| Peças fabricadas de baixo custo, componentes pintados ou revestidos | Componentes que requerem maior dureza após tratamento térmico ou trabalho a frio |
Racional de seleção: - Escolha 20# quando conformação, soldagem, ductilidade e custo são preocupações primárias. - Escolha 25# quando maior resistência, aumento moderado na resistência ao desgaste ou seções transversais menores que requerem maior capacidade de carga são importantes e práticas de soldagem controladas podem ser implementadas.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo: 20# é geralmente ligeiramente menos caro do que 25# por tonelada devido ao menor teor de carbono (as diferenças de custo de produção são pequenas, mas os preços de mercado geralmente favorecem graus de menor C). O delta de custo é modesto.
- Disponibilidade: Ambos os graus estão amplamente disponíveis em barras, chapas, folhas e forjados em regiões onde os aços GB/chineses são vendidos. 20# pode ser mais comumente estocado em inventários de uso geral; 25# está comumente disponível para aplicações mecânicas.
- Formas de produto: Barra redonda, chapa laminada a quente e tubos soldados são comuns. Os prazos de entrega e a disponibilidade dependem das prioridades de produção da usina e da demanda regional.
10. Resumo e Recomendação
| Atributo | 20# | 25# |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Boa (C mais baixo, mais fácil) | Moderada (C mais alto, mais cuidado) |
| Equilíbrio Resistência–Tenacidade | Melhor tenacidade/ductilidade em resistência mais baixa | Maior resistência, menor ductilidade em relação a 20# |
| Custo | Mais baixo / econômico | Ligeiramente mais alto |
Escolha 20# se: - O design exige boa soldabilidade e alta ductilidade (por exemplo, estruturas soldadas extensas, conformação complexa). - Sensibilidade ao custo e facilidade de fabricação são prioridades. - As peças estão sujeitas a cargas de impacto ou requerem melhor tenacidade a baixa temperatura em aplicações de aço carbono simples.
Escolha 25# se: - Maior resistência ou dureza é necessária sem passar para um aço de média liga. - O tamanho ou geometria do componente exige maior capacidade de carga com aumento limitado de peso. - O plano de fabricação inclui procedimentos de soldagem controlados (pré-aquecimento, consumíveis adequados) ou a peça será tratada termicamente/temperada para alcançar uma propriedade alvo.
Nota final: A decisão entre 20# e 25# é principalmente um compromisso de teor de carbono: resistência e dureza modestamente mais altas à custa de ductilidade e soldabilidade. Para aplicações críticas onde tanto maior resistência quanto tenacidade confiável são necessárias, considere especificar um grau de média liga projetado ou material HSLA com propriedades documentadas em vez de confiar apenas no aumento do carbono.