45# vs 40Cr – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
Compartilhar
Table Of Content
Table Of Content
Introdução
Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura frequentemente enfrentam a escolha entre aços carbono simples e aços de baixa liga para eixos rotativos, engrenagens, pinos e componentes de máquinas. 45# (comumente designado como um aço carbono médio simples) e 40Cr (um aço carbono médio ligado ao cromo) são frequentemente comparados porque ocupam espaço de composição adjacente, mas oferecem diferentes capacidades de endurecimento, resistência e respostas ao tratamento térmico.
A distinção fundamental é que a adição de cromo em 40Cr aumenta a capacidade de endurecimento e a resistência alcançável após a têmpera e o revenimento, enquanto 45# depende do teor de carbono e do tamanho da seção para alcançar dureza e resistência. Essa diferença direciona a seleção onde o endurecimento total, a espessura da seção e os alvos mecânicos pós-tratamento térmico são críticos.
1. Normas e Designações
- 45#: Frequentemente encontrado como grau GB/T “45#” (China). Graus ocidentais equivalentes: aproximadamente AISI/SAE 1045 (aço carbono médio). Classificado como um aço carbono simples (não ligado).
- 40Cr: Encontrado em GB/T como “40Cr.” Equivalentes aproximados: família AISI/SAE 5140/4140 (aço de cromo de baixa liga). Classificado como um aço de baixa liga.
Outros sistemas de normas relevantes que podem cobrir aços comparáveis: - ASTM/ASME: série SAE/AISI (por exemplo, 1045, 4140). - EN: EN 8 / C45 (mais próximo para 45#); 40Cr se aproxima das variantes EN 19/42CrMo4 dependendo da química exata. - JIS: JIS mostra aços carbono médio e aços ligados sob diferentes códigos numéricos. - GB: Especificações chinesas GB/T para 45# e 40Cr.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
Tabela: intervalos de composição típicos (wt%). Os limites reais de especificação dependem da norma e do moinho.
| Elemento | 45# (típico) | 40Cr (típico) |
|---|---|---|
| C | 0.42–0.50 | 0.37–0.44 |
| Mn | 0.50–0.80 | 0.50–0.80 |
| Si | 0.17–0.37 | 0.17–0.37 |
| P | ≤0.035 | ≤0.035 |
| S | ≤0.035 | ≤0.035 |
| Cr | — (traço) | 0.80–1.20 |
| Ni | — (traço) | ≤0.30 (pode estar ausente) |
| Mo | — (traço) | ≤0.08 (pequeno ou ausente) |
| V, Nb, Ti, B, N | traço/controlado | traço/controlado |
Como a liga influencia as propriedades: - Carbono: principal capacidade de endurecimento e resistência à temperatura ambiente; maior C aumenta a dureza alcançável, mas reduz a tenacidade e a soldabilidade. - Cromo (em 40Cr): aumenta a capacidade de endurecimento e a resistência ao revenimento, melhora a resistência e a resistência ao desgaste após a têmpera e o revenimento; também refina a estrutura do carboneto. - Manganês e silício: desoxidação e resistência; Mn contribui para a capacidade de endurecimento. - Fósforo e enxofre mantidos baixos para manter a tenacidade e a usinabilidade.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas: - 45#: Na condição recozida ou normalizada, a microestrutura é ferrita + perlita com fração de perlita média consistente com ~0.45%C. A têmpera + revenimento produz martensita temperada a uma dureza desejada, mas como 45# carece de elementos de liga fortes, sua capacidade de endurecimento é limitada—martensita central é alcançável apenas em seções relativamente pequenas. - 40Cr: Na condição normalizada, ferrita + perlita com carbonetos de liga; após a têmpera, é capaz de formar martensita em seções maiores em comparação com 45# devido ao Cr. O revenimento produz martensita temperada com melhor equilíbrio entre resistência e tenacidade e resistência ao revenimento aprimorada.
Efeitos do processamento comum: - Normalização: ambos os graus refinam o tamanho do grão e produzem uma microestrutura previsível de ferrita/perlita; 40Cr pode formar dispersões de carbonetos mais finas. - Têmpera e revenimento: 40Cr alcança maior resistência e tenacidade em seções mais grossas; 45# pode alcançar dureza comparável em seções pequenas, mas exigirá controle cuidadoso para evitar comportamento quebradiço. - Endurecimento superficial (indução, cementação): Ambos os graus são adequados; 40Cr é preferido quando um núcleo resistente é necessário com uma superfície endurecida, e pode ser cementado para resistência ao desgaste superficial aprimorada.
4. Propriedades Mecânicas
Nota: as propriedades mecânicas variam fortemente com o tratamento térmico e o tamanho da seção. Os valores abaixo são intervalos típicos usados para comparação de engenharia, em vez de valores de especificação definitivos.
| Propriedade (intervalos típicos) | 45# | 40Cr |
|---|---|---|
| Resistência à tração (MPa) | 520–750 | 600–1100 |
| Resistência ao escoamento (MPa) | 300–500 | 400–950 |
| Alongamento (%) | 10–18 | 8–16 |
| Tenacidade ao impacto (Charpy V, J) | 15–60 (dependente do tratamento térmico) | 20–80 (melhor no estado temperado após a têmpera) |
| Dureza (HB ou HRC) | HB 160–250 (HRC ~15–30) | HB 180–320 (HRC ~18–36) |
Interpretação: - Resistência: 40Cr geralmente pode alcançar maiores resistências à tração e ao escoamento após a têmpera e o revenimento devido à capacidade de endurecimento aprimorada pelo Cr e à estabilidade da martensita temperada. - Tenacidade: Quando devidamente revenido, 40Cr frequentemente proporciona um melhor equilíbrio entre resistência e tenacidade em seções maiores. Em seções pequenas ou na condição recozida, 45# pode mostrar tenacidade comparável. - Ductilidade: 45# recozido tende a mostrar alongamento ligeiramente maior; 40Cr após tratamentos térmicos de alta resistência será menos dúctil.
5. Soldabilidade
A soldabilidade depende do teor de carbono, elementos de liga e espessura (tendência ao endurecimento). Índices de severidade úteis:
- Instituto Internacional de Soldagem equivalente de carbono: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- parâmetro de soldabilidade austenítica (Pcm): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa: - 45#: Com C ≈ 0.45% e teor de liga muito baixo, o $CE_{IIW}$ é moderado; pré-aquecimento e resfriamento controlado são recomendados para seções mais grossas para evitar trincas, mas a soldabilidade geral é melhor do que aços ligados da mesma dureza porque há menos elementos que promovem o endurecimento. - 40Cr: O cromo eleva as contribuições do $CE_{IIW}$ e do $P_{cm}$ através do termo $(Cr+Mo+V)$; assim, 40Cr tem uma maior tendência para HAZ martensítica dura em seções mais grossas e geralmente requer pré-aquecimento, controle de temperatura entre passes ou tratamento térmico pós-solda (PWHT). O uso de eletrodos de baixo hidrogênio e procedimentos de soldagem controlados é aconselhado.
Recomendação: Para soldas críticas ou seções grossas, escolha procedimentos que considerem a maior capacidade de endurecimento de 40Cr; para componentes pequenos ou quando a soldagem é ocasional, 45# é mais fácil de soldar.
6. Corrosão e Proteção Superficial
- Nenhum dos aços 45# ou 40Cr é inoxidável ou resistente à corrosão por composição química. A resistência à corrosão é semelhante em massa, a menos que uma liga específica (por exemplo, maior teor de Cr ou Mo) esteja presente.
- Proteções comuns: pintura, lubrificação, fosfatização e galvanização para exposição atmosférica; revestimentos ou revestimentos para ambientes de desgaste-corrosão. Para peças de 40Cr que são tratadas termicamente, selecione revestimentos compatíveis com o processamento pós-tratamento térmico.
- PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) não é aplicável a esses aços não inoxidáveis; para referência: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ mas este índice é relevante apenas para ligas inoxidáveis com Cr, Mo e N significativos.
7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade
- Usinabilidade: 45# (1045) na condição recozida usina razoavelmente bem; maior teor de carbono aumenta o desgaste da ferramenta ao cortar material endurecido. 40Cr tende a ser mais resistente e pode ser mais abrasivo nas ferramentas quando endurecido; nas condições normalizadas ou recozidas, a usinagem é gerenciável.
- Formabilidade/dobramento: 45# recozido é mais formável; 40Cr na condição normalizada será menos dúctil do que 45# recozido e requer raios de dobra maiores, ou pré-aquecimento para conformação se estiver em condição endurecida.
- Acabamento superficial: ambos respondem bem ao desbaste, torneamento e polimento quando devidamente tratados termicamente; a seleção de velocidades de corte e materiais de ferramenta deve levar em conta a dureza e o revenimento.
8. Aplicações Típicas
| 45# (usos típicos) | 40Cr (usos típicos) |
|---|---|
| Eixos, eixos, pinos, componentes de manivela em serviço leve a moderado | Eixos pesadamente carregados, engrenagens, virabrequins, pinos de alta resistência, blanks de engrenagem |
| Peças usinadas gerais onde resistência moderada é necessária e o custo é importante | Peças que requerem endurecimento mais profundo e maior resistência à fadiga em seções maiores |
| Parafusos e componentes brocados após têmpera/revenimento em seções pequenas | Componentes forjados, componentes cementados/endurecidos para resistência ao desgaste |
Racional de seleção: - Escolha 45# onde custo, resistência moderada e procedimentos de tratamento térmico ou soldagem mais simples são prioridades e as seções são pequenas. - Escolha 40Cr onde maior endurecimento total, melhor estabilidade de revenimento e maior capacidade de carga—especialmente para seções maiores—são necessárias.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo: 45# é tipicamente menos caro por tonelada do que 40Cr porque carece de adições de liga. 40Cr tem um custo adicional pelo teor de Cr e por ser especificado como um aço de liga.
- Disponibilidade: Ambos os graus estão comumente disponíveis em todo o mundo em barras, chapas, forjados e estoques redondos. 45# é ubíquo para estoque de uso geral; 40Cr é amplamente estocado para aplicações de engenharia e é comumente oferecido em condições normalizadas, temperadas e forjadas.
- Prazos de entrega: Barras e forjados métricos padrão estão prontamente disponíveis; químicas especiais ou forjados com tolerâncias apertadas podem aumentar o prazo de entrega.
10. Resumo e Recomendação
Tabela de resumo (qualitativa de alto nível):
| Característica | 45# | 40Cr |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Boa (com pré-aquecimento para seções grossas) | Mais desafiadora (pré-aquecimento/PWHT mais alto frequentemente necessário) |
| Resistência–Tenacidade (pós HT) | Moderada | Maior (melhor resposta ao endurecimento total e revenimento) |
| Custo | Mais baixo | Mais alto |
Escolha 45# se: - Você precisa de um aço carbono médio econômico para seções pequenas a moderadas. - A facilidade de soldagem e procedimentos de tratamento térmico mais simples são prioridades. - As aplicações requerem resistência razoável com boa usinabilidade e formabilidade (após recozimento ou normalização).
Escolha 40Cr se: - Você requer maior capacidade de endurecimento e maior resistência/tenacidade após a têmpera e o revenimento, especialmente em seções maiores. - As peças estão sujeitas a cargas de fadiga mais altas, serviço mais pesado ou requerem um núcleo mais resistente com uma superfície endurecida. - Você está especificando componentes onde o desempenho previsível após o tratamento térmico e melhor resistência ao revenimento são importantes o suficiente para justificar um custo de material mais alto.
Nota final: A seleção final deve ser guiada pelos alvos mecânicos requeridos, espessura da seção, capacidade de tratamento térmico, requisitos de soldagem e custo total do ciclo de vida. Quando em dúvida, especifique as propriedades mecânicas requeridas e o estado do tratamento térmico, em vez de apenas o grau; um engenheiro de materiais pode então selecionar o grau e o processo mais econômicos para atingir esses alvos.