40Cr vs 40CrNiMoA – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

40Cr e 40CrNiMoA são dois aços de liga de carbono médio comumente especificados usados para componentes de suporte de carga e tratados por têmpera. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura frequentemente equilibram trade-offs como custo unitário, soldabilidade, usinabilidade e o envelope de desempenho mecânico ao selecionar entre eles. Os contextos típicos de decisão incluem se a maior dureza por têmpera e tenacidade à fratura justificam o custo adicional da liga, ou se uma liga mais simples e de menor custo satisfaz os requisitos de design.

A principal distinção técnica entre essas ligas reside na estratégia de liga: 40Cr é um aço de liga de carbono médio que contém cromo, projetado para boa resistência após tratamento térmico e razoável endurecibilidade, enquanto 40CrNiMoA adiciona níquel e molibdênio (e às vezes controle sutil de microligas) para aumentar substancialmente a endurecibilidade e melhorar a tenacidade. Por causa disso, os projetistas frequentemente os comparam para eixos grandes, engrenagens pesadas e fixadores críticos, onde as propriedades do núcleo e a uniformidade da dureza através da espessura da seção são importantes.

1. Normas e Designações

• GB/T (China): 40Cr, 40CrNiMoA (designações chinesas comumente usadas).
• EN: os equivalentes mais próximos são aproximadamente a família 5140/41xx para 40Cr; 40CrNiMoA se aproxima da série 43xx/41xx de maior liga (sem correspondência exata em EN; verifique os dados do fornecedor).
• ASTM/ASME: sem nomes idênticos diretos; comparável a AISI/SAE 5140 (para 40Cr) e variantes AISI/SAE 4340/4140 (para 40CrNiMoA dependendo dos níveis de Ni e Mo).
• JIS: existem famílias semelhantes (por exemplo, série SCM), mas verifique tabelas de conversão.

Classificação: - 40Cr: aço de liga de carbono médio (tratável termicamente). - 40CrNiMoA: aço de liga de carbono médio com níquel e molibdênio (maior teor de liga para melhorar a endurecibilidade e tenacidade). - Nenhuma das ligas é inoxidável; ambas são consideradas aços de liga adequados para têmpera e revenimento (não HSLA no sentido moderno).

2. Composição Química e Estratégia de Liga

Elemento	40Cr típico (wt%)	40CrNiMoA típico (wt%)
C	0.37–0.44	0.36–0.44
Mn	0.50–0.80	0.60–0.90
Si	0.17–0.37	0.17–0.37
P	≤0.035	≤0.035
S	≤0.035	≤0.035
Cr	0.90–1.20	0.80–1.10
Ni	— (traço)	1.40–2.00
Mo	— (ou traço)	0.15–0.30
V	— (traço)	pode estar presente em pequenas quantidades
Nb / Ti / B / N	tipicamente nenhum ou traço	tipicamente nenhum ou traço

Notas: - Os valores mostrados são intervalos representativos comumente citados em normas/fichas de especificação. A química exata deve ser verificada a partir do certificado do fabricante para qualquer lote de compra. - Estratégia de liga: 40Cr depende principalmente de carbono e cromo para desenvolver endurecibilidade e resistência martensítica temperada. 40CrNiMoA adiciona intencionalmente níquel e molibdênio; o níquel melhora a resistência à tração e a tenacidade, enquanto o molibdênio aumenta a endurecibilidade e a resistência ao revenimento (reduzindo o amolecimento em temperaturas de revenimento elevadas).

Impacto da liga: - Resistência: carbono e cromo fornecem resistência base; Ni e Mo permitem maior resistência alcançável após têmpera e revenimento sem gradientes de dureza excessivos. - Endurecibilidade: Mo e Ni aumentam significativamente a endurecibilidade, permitindo uma transformação mais uniforme em martensita em seções mais grossas. - Tenacidade: Ni é um forte melhorador de tenacidade; a combinação Ni+Mo refina a microestrutura da austenita anterior e reduz a propensão ao comportamento frágil. - Corrosão: Nenhum deles é inoxidável; os níveis de Cr não são suficientes para a formação de filme passivo.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestruturas típicas dependem do processamento térmico:

• Revenido: ambas as ligas mostram microestruturas de ferrita + perlita; 40CrNiMoA pode exibir uma distribuição de carbonetos mais fina devido à liga, mas permanece dúctil e usinável.
• Normalizado: estruturas perlíticas/ferríticas mais finas do que revenido; propriedades mecânicas e usinabilidade melhoradas.
• Endurecido e revenido (Q&T): ambas as ligas são comumente endurecidas para martensita temperada. 40Cr geralmente alcança boa dureza superficial e quase superficial em seções moderadas. 40CrNiMoA, com maior endurecibilidade, produz um núcleo martensítico mais uniforme em seções transversais maiores e geralmente requer menor severidade de têmpera para alcançar dureza de núcleo equivalente.
• Processamento termo-mecânico: para forjados e eixos laminados, o resfriamento controlado e a deformação influenciam o tamanho do grão; 40CrNiMoA se beneficia mais do resfriamento controlado porque a liga estabiliza a austenita anterior e melhora a tenacidade após o revenimento.

Consequência prática: para forjados grossos ou eixos grandes onde a endurecimento total é necessário, 40CrNiMoA entrega de forma mais confiável martensita temperada uniforme através da seção, reduzindo núcleos macios ou microestruturas mistas que podem comprometer o desempenho à fadiga.

4. Propriedades Mecânicas

Propriedade (típica, depende do tratamento térmico)	40Cr (intervalo típico)	40CrNiMoA (intervalo típico)
Resistência à tração (MPa) — revenido	500–700	500–700
Resistência à tração (MPa) — normalizado	600–850	650–900
Resistência à tração (MPa) — Q&T (dureza média)	800–1000	900–1200
Resistência ao escoamento (0.2% offset, MPa) — Q&T	600–900	700–1000
Alongamento (%) — Q&T	10–18	8–15 (geralmente menor na mesma dureza)
Tenacidade ao impacto (Charpy V, J) — Q&T (varia)	moderada (por exemplo, 20–60 J)	geralmente maior em dureza comparável
Dureza (HRC) — Q&T	28–55 (dependendo do revenimento)	30–60 (mais uniforme através da seção)

Advertências: - Os valores são intervalos indicativos; as propriedades finais dependem da química precisa, temperatura de austenitização, meio de têmpera, temperatura de revenimento e tamanho da seção. - 40CrNiMoA geralmente fornece maior resistência alcançável e, crucialmente, maior tenacidade em seções grossas devido à melhor endurecibilidade. Com dureza idêntica, 40CrNiMoA frequentemente mostra tenacidade à fratura superior porque o níquel melhora a ductilidade em nível microestrutural. No entanto, o alongamento pode ser menor se ambas as ligas forem levadas à mesma resistência à tração final através de diferentes tratamentos térmicos.

5. Soldabilidade

A avaliação da soldabilidade deve considerar o teor de carbono, equivalente de carbono e microligas. Duas fórmulas preditivas comumente usadas são:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

e um parâmetro mais abrangente:

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação (qualitativa): - 40Cr: carbono moderado e liga modesta dão um equivalente de carbono médio; pré-aquecimento e resfriamento controlado são frequentemente recomendados para seções mais grossas para evitar trincas a frio induzidas por hidrogênio. O tratamento térmico pós-solda (PWHT) pode ser necessário para componentes críticos. - 40CrNiMoA: a adição de Ni e Mo eleva o equivalente de carbono calculado e a endurecibilidade. Isso aumenta o risco de formação de martensita na zona afetada pelo calor (HAZ) e potencial trincas a frio se a soldagem não for controlada adequadamente. Mitigações típicas incluem aumento do pré-aquecimento, consumíveis de baixo hidrogênio, controle de temperatura entre passes e PWHT.

Em resumo: 40Cr é geralmente mais fácil de soldar do que 40CrNiMoA, mas nenhum deles é tão soldável quanto aços estruturais de baixo carbono. A qualificação do procedimento de soldagem é aconselhada para ambos, especialmente para peças críticas de segurança.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Tanto 40Cr quanto 40CrNiMoA são aços de liga não inoxidáveis; eles não formam um filme passivo resistente à corrosão apenas com o teor de cromo. O PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) não se aplica a essas ligas não inoxidáveis, mas para referência:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• Estratégias típicas de proteção: pintura, revestimento em pó, limpeza com solvente, lubrificação para proteção temporária e galvanização para proteção contra corrosão atmosférica a longo prazo. Observe que a galvanização a quente requer atenção ao tratamento térmico e potencial distorção; algumas peças tratadas por têmpera e revenimento são galvanizadas apenas após a usinagem final e podem precisar de alívio de tensões pós-revestimento.
• Em ambientes com meios agressivos (cloretos, água do mar), nenhuma das ligas é apropriada sem sistemas de proteção; selecione ligas resistentes à corrosão em vez disso.

7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade

• Usinabilidade: 40Cr (menor teor de liga) é geralmente mais fácil de usinar na condição revenida ou normalizada. 40CrNiMoA, com Ni e Mo, tende a ser mais resistente e endurece mais, reduzindo a usinabilidade e a vida útil das ferramentas; forças de corte mais altas e ferramentas mais robustas são típicas.
• Formabilidade/dobramento: ambos são aços de carbono médio; na condição revenida, podem ser moldados a frio dentro dos limites. Para materiais Q&T, a formação deve ser evitada; a forja é preferida para a produção de formas antes do tratamento térmico final.
• Desbaste e acabamento: ambos podem ser desbastados para um acabamento superficial alto; 40CrNiMoA pode mostrar maior desgaste abrasivo em rodas de desbaste.
• Distorção do tratamento térmico: a maior endurecibilidade em 40CrNiMoA permite menor severidade de têmpera para uma dureza alvo dada, o que pode reduzir a distorção de têmpera em algumas geometrias.

8. Aplicações Típicas

40Cr (usos típicos)	40CrNiMoA (usos típicos)
Eixos, engrenagens pequenas a médias, componentes de transmissão, pinos, eixos para seções moderadas	Eixos forjados grandes, engrenagens e pinhões pesados, virabrequins, links de trem de pouso, parafusos e pinos de alta resistência para equipamentos pesados
Componentes automotivos onde custo e usinabilidade são importantes	Componentes aeroespaciais/defesa ou industriais de alta resistência onde a dureza total e resistência ao impacto são críticas
Forjados de engenharia geral e peças de máquinas	Partes rotativas críticas e forjados de grande seção transversal que requerem propriedades uniformes

Racional de seleção: - Escolha 40Cr para seções menores onde a têmpera convencional produz a dureza de núcleo necessária e quando custo e maior disponibilidade são prioridades. - Escolha 40CrNiMoA quando as seções forem grossas, quando o serviço exigir alta tenacidade à fratura e propriedades de núcleo consistentes, ou quando fatores de segurança de design ditarem margens mais altas contra falhas frágeis.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo: 40Cr é tipicamente de menor custo do que 40CrNiMoA devido à liga mais simples e volumes de produção mais amplos.
• Disponibilidade: 40Cr é amplamente estocado em barras, forjados e lingotes. 40CrNiMoA pode ser menos comumente estocado e mais frequentemente produzido sob encomenda para forjados ou tamanhos de barra específicos; os prazos de entrega e as quantidades mínimas de pedido podem ser maiores.
• Formas de produto: Ambos estão disponíveis como barras, forjados e componentes tratados termicamente; redes de fornecedores determinam a disponibilidade local. Especifique certificados de fábrica e condição de entrega para evitar surpresas no prazo de entrega e preço.

10. Resumo e Recomendação

Critério	40Cr	40CrNiMoA
Soldabilidade	Melhor (CE moderado)	Mais desafiador (CE/hardenabilidade mais alta)
Equilíbrio Resistência–Tenacidade	Bom para seções moderadas	Superior para seções grandes e altas necessidades de tenacidade
Custo	Menor	Maior

Escolha 40Cr se: - Seus componentes forem moderados em tamanho de seção e puderem ser tratados termicamente para a dureza necessária sem preocupações com endurecimento total. - Custo, facilidade de usinagem e ampla disponibilidade forem importantes. - A soldagem for realizada com frequência nos pisos de fábrica e requisitos mais baixos de pré-aquecimento/PWHT forem desejados.

Escolha 40CrNiMoA se: - Os componentes forem seções grandes ou partes rotativas críticas que requerem dureza de núcleo uniforme, alta tenacidade à fratura e resistência ao revenimento. - O design exigir margens de segurança mais altas contra fraturas frágeis e você puder aceitar maior custo de material, controle de soldagem mais rigoroso e prazos de entrega mais longos. - As condições de serviço envolverem carregamento de impacto, grandes seções transversais ou onde o desempenho à fadiga se beneficie de uma microestrutura de núcleo melhorada.

Nota final: Sempre verifique os certificados de teste do fabricante para composição química e registros de tratamento térmico. Quando em dúvida sobre soldagem ou dureza através da seção, realize testes em pequena escala ou solicite procedimentos pré-qualificados (PQRs/WPSs) e considere especificar níveis de energia Charpy, limites de dureza e inspeção não destrutiva como parte da aquisição.