420 vs 431 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura frequentemente enfrentam a escolha entre os aços inoxidáveis martensíticos AISI 420 e AISI 431 ao especificar peças que requerem um equilíbrio entre resistência, dureza, resistência à corrosão e custo. O dilema de seleção comumente gira em torno de compensações, como a dureza máxima alcançável e resistência ao desgaste versus tenacidade e resistência à corrosão em ambientes agressivos, juntamente com considerações sobre soldabilidade e custos de pós-processamento.

A diferença material decisiva entre essas duas classes é sua estratégia de liga: 420 depende principalmente de um maior teor de carbono com cromo moderado para dureza e resistência ao desgaste, enquanto 431 adiciona níquel significativo mais cromo elevado para melhorar a resistência, tenacidade e desempenho à corrosão, mantendo a temperabilidade martensítica. Como ambos são aços inoxidáveis martensíticos usados em famílias de componentes semelhantes (eixos, fixadores, válvulas, lâminas), os engenheiros os comparam rotineiramente ao especificar peças que devem ser endurecidas e, ainda assim, resistir à corrosão.

1. Normas e Designações

• AISI/ASTM/UNS:
• 420: AISI 420 / UNS S42000 (frequentemente referenciado na ASTM A666 para chapa/fitas; ASTM A276 para barras)
• 431: AISI 431 / UNS S43100 (encontrado na ASTM A582 para barras, ASTM A276 para barras/varas)
• EN / equivalentes EN:
• 420: EN 1.4021 / X46Cr13 (família semelhante)
• 431: EN 1.4057 / X90CrNi18-? (as referências exatas variam por norma)
• JIS / GB: designações regionais existem para classes inoxidáveis martensíticas com químicas semelhantes.
• Classificação:
• Ambos, 420 e 431, são aços inoxidáveis martensíticos. Eles não são classificados como aços carbono, aços para ferramentas ou HSLA; são aços inoxidáveis ligados projetados para endurecer por têmpera e revenimento.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

Tabela: composição típica (wt%) — os intervalos mostrados são representativos de especificações comuns; verifique a especificação de compra para limites exatos.

Elemento	420 (wt% típico)	431 (wt% típico)
C	0.15 – 0.40	0.15 – 0.25
Mn	≤ 1.0	≤ 1.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.04	≤ 0.04
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	12.0 – 14.0	15.0 – 17.0
Ni	≤ 1.0 (frequentemente muito baixo)	1.5 – 3.0
Mo	traço/nada	tipicamente nenhum
V	traço	traço
Nb	—	—
Ti	—	—
B	—	—
N	traço	traço

Notas: - Os valores mostrados são indicativos; muitas especificações têm limites mais estreitos. 420 é uma classe martensítica de alto carbono e cromo moderado; 431 é uma classe martensítica contendo níquel com cromo mais alto e carbono controlado para permitir uma melhor combinação de tenacidade e resistência à corrosão. - O níquel em 431 aumenta a resistência à tração e a tenacidade e melhora a resistência à fratura frágil durante o tratamento térmico e o serviço. O teor de cromo controla a formação de filme passivo e a resistência à corrosão; o maior teor de Cr em 431 melhora o comportamento geral de corrosão em relação ao 420.

Como a liga afeta o comportamento: - Carbono: temperabilidade primária e dureza da martensita; maior teor de carbono proporciona maior dureza máxima, mas reduz a tenacidade e a soldabilidade. - Cromo: passivação e temperabilidade; mais Cr geralmente melhora a resistência à corrosão e a resistência ao revenimento. - Níquel: estabiliza a matriz martensítica em direção à tenacidade, reduz a suscetibilidade ao embrittlement por revenimento e melhora o equilíbrio resistência-tenacidade. - Elementos menores (Mn, Si, P, S, V) influenciam a desoxidação, usinabilidade e comportamento de inclusão; o enxofre aumenta a usinabilidade, mas pode prejudicar a fadiga por corrosão.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestruturas típicas: - Ambas as classes formam predominantemente martensita após austenitização e têmpera. Na condição recozida, podem conter ferrita + perlita ou martensita revenida, dependendo do processo e do teor de liga. - 420: após têmpera e revenimento, a microestrutura é martensítica com precipitados de carbonetos (carbonetos de cromo). O maior carbono retido leva a uma maior dureza, mas mais carbonetos que podem atuar como locais de iniciação de trincas se não forem revenidos corretamente. - 431: forma martensita com uma distribuição mais fina de carbonetos e algum austenito retido, dependendo da austenitização/fluido de têmpera; o níquel promove uma matriz martensítica mais dúctil e resistente.

Resposta ao tratamento térmico: - Normalização: refina o tamanho do grão e homogeneiza a microestrutura; útil como pré-condicionamento antes da têmpera e revenimento finais. - Têmpera e revenimento: ambas as classes respondem bem. 420 alcança alta dureza (pode exceder ~50 HRC em muitos tratamentos térmicos), mas com tenacidade reduzida em níveis de dureza mais altos. 431, com níquel e maior Cr, atinge uma melhor relação tenacidade-resistência após têmpera e revenimento e tem melhor resistência ao amolecimento por revenimento. - Processamento termo-mecânico: os benefícios são principalmente realizados em produtos de barra/eixo, onde a laminação controlada antes da têmpera melhora a estrutura do grão; ambos os aços podem ser produzidos com tenacidade aprimorada através de processamento controlado, com 431 geralmente obtendo mais benefícios devido ao seu equilíbrio de liga.

4. Propriedades Mecânicas

Tabela: propriedades mecânicas típicas (intervalos representativos; dependentes do tratamento térmico e do tamanho da seção)

Propriedade (típica)	420 (Q&T/revenido)	431 (Q&T/revenido)
Resistência à tração (MPa)	600 – 1200	700 – 1300
Resistência ao escoamento (0.2% Rp0.2, MPa)	450 – 1000	600 – 1100
Alongamento (%)	8 – 20	8 – 18
Tenacidade ao impacto (Charpy J)	baixa a moderada (depende do revenimento)	moderada a alta (melhor que 420 em dureza semelhante)
Dureza (HRC)	Recozido ~20; Q&T até ~55+	Recozido ~20–30; Q&T até ~50–55

Interpretação: - 431 geralmente oferece maior resistência ao escoamento e melhor tenacidade ao impacto em níveis de resistência à tração comparáveis devido ao Ni e maior Cr. Para a mesma dureza alvo, 431 geralmente apresenta menos embrittlement e melhor desempenho em fadiga. - 420 alcança alta dureza e resistência ao desgaste com química relativamente simples e é frequentemente escolhido onde a retenção de borda máxima ou resistência ao desgaste é necessária e a tenacidade/corrosão são secundárias.

5. Soldabilidade

Considerações sobre soldabilidade giram em torno do equivalente de carbono e da presença de elementos de liga que aumentam a temperabilidade e o risco de trincas frias martensíticas.

Índices de soldabilidade úteis: - Equivalente de carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Parâmetro internacional $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação qualitativa: - Maior teor de carbono e maior Cr/Mo/V aumentam $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ — risco aumentado de formação de martensita na zona afetada pelo calor (HAZ) e trincas frias. O maior teor de carbono do 420 tende a torná-lo mais suscetível ao endurecimento e trincas na HAZ sem pré-aquecimento ou tratamento térmico pós-solda. - O teor de níquel do 431 reduz a severidade da dureza da martensita na zona afetada pelo calor da solda e melhora a ductilidade; portanto, 431 geralmente apresenta melhor soldabilidade a arco do que 420 em espessuras de seção e processos de soldagem semelhantes. - Orientação prática: ambas as classes frequentemente requerem pré-aquecimento e temperaturas de interpassagem controladas para soldagem confiável. O revenimento pós-solda ou PWHT é aconselhável para componentes críticos para aliviar tensões residuais e reduzir a dureza da HAZ.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Ambos, 420 e 431, são aços inoxidáveis martensíticos e não são tão resistentes à corrosão quanto as classes austeníticas (por exemplo, 304/316). Eles dependem de seu teor de cromo para a formação de filme passivo.
• O uso de PREN (Número Equivalente de Resistência à Corrosão por Pite) é menos comum para aços martensíticos, mas a fórmula é: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Este índice enfatiza Mo e N para resistência a pites; como nem 420 nem 431 contêm Mo ou N significativos, o PREN tem aplicabilidade limitada.
• Comportamento prático de corrosão:
• 420: resistência moderada à corrosão em ambientes brandos; suscetível a corrosão por pites e fendas em cloretos e à corrosão geral se não for devidamente acabado ou protegido.
• 431: resistência geral à corrosão melhorada em relação ao 420 devido ao maior teor de cromo e níquel; amplamente utilizado em aplicações em água do mar e petroquímicas onde melhor resistência ao estresse por cloreto e fadiga por corrosão é necessária.
• Proteções de superfície não inoxidáveis (para qualquer classe quando proteção extra é necessária): galvanização é possível para algumas formas, mas pode ser limitada para peças de alta dureza; pintura, revestimentos de conversão, eletrodeposição ou tratamentos de passivação são comumente aplicados dependendo do serviço.

7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade

• Usinabilidade:
• 420: boa usinabilidade na condição recozida; alta dureza após tratamento térmico reduz a usinabilidade e a vida útil da ferramenta. Variantes sulfurosas ou subcategorias de usinagem livre podem estar disponíveis.
• 431: usinabilidade moderada; matriz mais resistente pode aumentar as forças da ferramenta, mas produz um bom acabamento superficial quando controlada. A usinagem é frequentemente realizada na condição recozida ou aliviada de tensões antes do endurecimento.
• Formação e dobra:
• Ambos são moldáveis na condição recozida; o retorno elástico e o comportamento de trabalho endurecido requerem controle de processo. A conformação profunda é possível para seções finas na condição recozida.
• Desbaste e acabamento:
• 420 na condição endurecida é frequentemente usado para lâminas e peças de desgaste; desbaste e polimento são operações de acabamento padrão.
• 431 tem um bom acabamento e pode ser polido para uma superfície brilhante; sua melhor tenacidade reduz trincas durante o desbaste e acabamentos agressivos.

8. Aplicações Típicas

420 – Usos Típicos	431 – Usos Típicos
Cutelaria e facas (lâminas onde a retenção de borda é primária)	Aeroespacial e fixadores de alta resistência (parafusos, pinos)
Instrumentos cirúrgicos e ferramentas dentais (frequentemente na condição endurecida)	Eixos de bomba, componentes de válvula em serviço petroquímico e marinho
Gaiolas de rolamento, buchas, pequenas peças de desgaste	Eixos, acoplamentos, barras de torção que requerem combinação de corrosão e resistência
Acabamentos decorativos, hardware onde resistência moderada à corrosão é aceitável	Componentes expostos a alta corrosão por estresse (parafusos marinhos, pistões hidráulicos)

Racional de seleção: - Escolha 420 para aplicações que priorizam resistência ao desgaste, retenção de borda, tratamento térmico simples e menor custo de material quando a corrosão do serviço é limitada. - Escolha 431 para componentes que devem combinar alta resistência, tenacidade e resistência à corrosão melhorada (particularmente em ambientes com cloretos ou de carga dinâmica) onde o custo incremental do material é justificado.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo relativo: 420 é tipicamente menos caro que 431 porque contém pouco ou nenhum níquel; o níquel é um dos elementos de liga mais caros. O níquel e o maior teor de cromo do 431 levam a um custo de matéria-prima mais alto.
• Disponibilidade: ambos são classes industriais comuns e estão amplamente disponíveis em formas de barra, vara, chapa e fixadores. Tamanhos ou acabamentos de superfície especiais podem ter prazos de entrega mais longos, e 431 pode ser ligeiramente menos estocado que 420 em mercados de commodities.

10. Resumo e Recomendação

Tabela resumindo as principais compensações:

Característica	420	431
Soldabilidade	Moderada–desafiadora (alto C)	Melhor (Ni melhora a tenacidade)
Equilíbrio Resistência–Tenacidade	Alta dureza, menor tenacidade na mesma dureza	Melhor tenacidade em resistência comparável
Resistência à corrosão	Moderada	Melhor (maior Cr + Ni)
Custo	Mais baixo	Mais alto

Escolha 420 se: - O requisito principal é alta dureza e resistência ao desgaste ou retenção de borda a baixo custo moderado. - O componente opera em um ambiente relativamente benigno ou receberá revestimentos protetores. - As práticas de usinagem/acabamento e endurecimento estão bem controladas e as soldas são mínimas.

Escolha 431 se: - A aplicação exige uma maior relação resistência-tenacidade, resistência à corrosão melhorada (especialmente em ambientes com cloretos) e melhor resistência ao embrittlement por revenimento e fadiga. - A soldabilidade e a resistência ao impacto são importantes e o orçamento do projeto pode acomodar um custo de material mais alto. - A peça passará por carregamento dinâmico, exposição à água do mar ou requisitos para maior tenacidade à fratura.

Nota final: Sempre verifique os limites químicos e mecânicos exatos em sua especificação de compra e selecione práticas de tratamento térmico (temperatura de austenitização, meio de têmpera, ciclo de revenimento e qualquer PWHT) para corresponder aos requisitos de design para dureza, tenacidade e desempenho à corrosão.