SAE1020 vs SAE1045 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
SAE1020 e SAE1045 são dois dos aços carbono simples mais comumente especificados em desenhos de engenharia e aquisição. O dilema de seleção geralmente surge quando designers e especialistas em aquisição devem equilibrar a fabricabilidade e o custo em relação ao desempenho mecânico exigido: aços de baixo carbono são mais fáceis de moldar e soldar, enquanto aços de médio carbono oferecem maior resistência e resistência ao desgaste, mas precisam de um controle mais cuidadoso do tratamento térmico e da fabricação.
A principal diferença prática entre os dois graus é o teor de carbono e seus efeitos subsequentes: SAE1045 tem um teor de carbono substancialmente mais alto do que SAE1020, o que desloca o equilíbrio em direção a uma maior resistência e endurecibilidade em detrimento da ductilidade e soldabilidade. Como ocupam pontos adjacentes no espectro do aço carbono, esses graus são frequentemente comparados ao especificar eixos, engrenagens, fixadores e peças mecânicas gerais onde os trade-offs entre resistência, tenacidade e custo devem ser otimizados.
1. Normas e Designações
- SAE/AISI: SAE 1020 (AISI 1020), SAE 1045 (AISI 1045)
- ASTM/ASME: Comumente referenciados pela designação SAE/AISI na aquisição; normas de produto específicas (barras, chapas, forjados) podem referenciar graus ASTM com química semelhante.
- EN: Aços EN aproximadamente equivalentes são C20 (para 1020) e C45 (para 1045) em algumas normas europeias (os sistemas de designação diferem por norma).
- JIS/GB: Normas JIS e GB usam nomenclaturas diferentes, mas existem faixas de carbono comparáveis (por exemplo, JIS S20C / S45C).
- Classificação: Ambos são aços carbono simples (não aços liga, não inoxidáveis, não HSLA por padrão). Eles não são aços para ferramentas.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
| Elemento | SAE 1020 (típico, % em peso) | SAE 1045 (típico, % em peso) |
|---|---|---|
| C | 0.18–0.23 | 0.43–0.50 |
| Mn | 0.30–0.60 | 0.60–0.90 |
| Si | 0.10–0.35 | 0.10–0.35 |
| P | ≤ 0.040 (máx) | ≤ 0.040 (máx) |
| S | ≤ 0.050 (máx) | ≤ 0.050 (máx) |
| Cr | traço (≤0.25) | traço (≤0.30) |
| Ni | traço (≤0.25) | traço (≤0.30) |
| Mo, V, Nb, Ti, B, N | tipicamente traço ou não especificado | tipicamente traço ou não especificado |
Notas: - Ambos os graus são aços carbono simples; adições de liga são mínimas e principalmente incidentais. SAE1045 contém um teor de carbono mais alto e tipicamente mais manganês para ajudar a manter a resistência e a endurecibilidade. - O maior teor de carbono aumenta a resistência à tração e a dureza potencial; o manganês ajuda na resistência e desoxidação, mas também aumenta a endurecibilidade. O silício é um desoxidante e contribui levemente para a resistência. - A estratégia de liga é simples: controlar o carbono para a resistência alvo e usar tratamento térmico para obter a microestrutura desejada em vez de depender de elementos de liga.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
- Como laminado / recozido: SAE1020 geralmente apresenta uma microestrutura de ferrita–pearlita com uma maior proporção de ferrita macia em relação à pearlite. SAE1045 apresenta mais pearlite e menos ferrita devido ao maior teor de carbono.
- Normalização: Ambos os graus respondem à normalização com uma microestrutura refinada de ferrita/pearlita; SAE1045 desenvolve uma matriz perlítica mais dura e maior resistência após normalização do que SAE1020.
- Resfriamento e têmpera: SAE1045 tem maior endurecibilidade e alcança dureza e resistência significativamente mais altas após resfriamento e têmpera do que SAE1020. SAE1020 é difícil de endurecer uniformemente em seções mais espessas devido ao menor teor de carbono e baixa endurecibilidade.
- Microligação e processamento termo-mecânico: Nenhum dos graus é tipicamente fornecido com microligação, a menos que especificamente solicitado; tratamentos termo-mecânicos podem modestamente refinar o tamanho do grão e melhorar levemente a resistência e tenacidade em ambos os graus, mas o nível de carbono continua sendo o fator dominante.
- Implicação prática: SAE1045 oferece um ajuste mais amplo de tratamento térmico (por exemplo, maior resistência à tração e limite de escoamento após resfriamento–têmpera), enquanto SAE1020 é usado principalmente em condições recozidas ou normalizadas por sua ductilidade e formabilidade.
4. Propriedades Mecânicas
| Propriedade | SAE 1020 (típico, faixas recozidas/normalizadas) | SAE 1045 (típico, faixas recozidas/normalizadas/endurecidas) |
|---|---|---|
| Resistência à Tração (MPa) | ~350–450 | ~500–700 (pode exceder 800 após endurecimento & têmpera) |
| Limite de Escoamento (MPa) | ~250–350 | ~300–550 (dependendo do tratamento térmico) |
| Alongamento (%) | ~25–35 | ~10–20 (menor com tratamentos de maior resistência) |
| Tenacidade ao Impacto | Moderada; geralmente boa tenacidade dúctil no estado recozido | Menor que 1020 em condições de alta resistência; moderada quando normalizada |
| Dureza (HB) | ~100–140 | ~150–250 (maior após resfriamento & têmpera) |
Notas: - Os valores são faixas típicas. Os valores reais dependem fortemente da forma do produto, tamanho da seção e ciclo de tratamento térmico. - SAE1045 é substancialmente mais forte na maioria das condições tratadas termicamente; SAE1020 é mais dúctil e tolerante em operações de conformação. A maior resistência do 1045 vem à custa de um alongamento reduzido e geralmente menor tenacidade após resfriamento, a menos que adequadamente temperado. - Para aplicações críticas de impacto onde a tenacidade em baixa temperatura é importante, 1020 em uma condição apropriada ou um aço de baixa liga com boa tenacidade pode ser preferido.
5. Soldabilidade
- O teor de carbono e a endurecibilidade governam a soldabilidade. Um maior teor de carbono aumenta o risco de trincas a frio e formação de martensita na zona afetada pelo calor.
- Fórmulas de equivalente de carbono são comumente usadas para avaliação qualitativa. Exemplos de índices:
- $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- Interpretação (qualitativa): SAE1020 tem um baixo $CE$ e $P_{cm}$ e é facilmente soldável com procedimentos padrão e mínimo pré-aquecimento. SAE1045 tem um teor de carbono mais alto e, portanto, maior $CE/P_{cm}$ — geralmente requer pré-aquecimento, temperaturas de interpassagem controladas e possivelmente tratamento térmico pós-solda para juntas críticas para mitigar trincas induzidas por hidrogênio e endurecimento da ZAC.
- Orientação prática: Use eletrodos de baixo hidrogênio, pré-aquecimento controlado e têmpera para seções mais espessas de 1045; para 1020, consumíveis e procedimentos de soldagem padrão geralmente são adequados.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Nenhum dos dois, SAE1020 ou SAE1045, é inoxidável; eles são suscetíveis à corrosão atmosférica geral e requerem proteção de superfície onde a corrosão é uma preocupação.
- Proteções típicas: limpeza com solvente, sistemas de primer/verniz, fosfatização, galvanização a quente, eletrodeposição (onde apropriado) ou revestimentos protetores (polímero/epóxi).
- PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) não é aplicável a aços carbono simples; é usado para aços inoxidáveis:
- $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Nota de seleção: Para ambientes corrosivos, considere aços inoxidáveis ou revestimentos resistentes à corrosão em vez de depender da química do aço carbono.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade
- Formabilidade: SAE1020 é mais dúctil e mais fácil de dobrar, esticar e moldar em operações a frio. SAE1045 terá formabilidade limitada em condições de maior resistência e é mais propenso a trincas durante a conformação.
- Maquinabilidade: SAE1045, devido à maior resistência e dureza, é geralmente mais difícil de usinar do que SAE1020. No entanto, nenhum dos graus é de corte livre; as classificações de maquinabilidade são moderadas, a menos que variantes especiais de usinagem livre sejam especificadas.
- Desbaste e acabamento: 1045 produz maior desgaste de ferramenta e requer ferramentas mais robustas ou velocidades de corte mais baixas para alcançar uma vida útil de ferramenta semelhante em comparação com 1020.
- Dureza de superfície: SAE1045 responde bem ao cementação, endurecimento por indução e tratamentos de endurecimento total para aumentar a resistência ao desgaste e a vida útil de fadiga de componentes como eixos e engrenagens; 1020 não é um bom candidato para endurecimento superficial significativo devido ao baixo carbono.
8. Aplicações Típicas
| SAE 1020 | SAE 1045 |
|---|---|
| Componentes estruturais de uso geral, peças moldadas a frio, montagens soldadas, eixos de baixa resistência, carcaças, fabricação geral onde a formabilidade/soldabilidade é priorizada | Eixos, eixos de roda, engrenagens (serviço moderado), pinos, parafusos (que requerem maior resistência), rodas dentadas, componentes usinados que requerem maior resistência ou superfícies endurecíveis |
Racional de seleção: - Escolha 1020 quando a facilidade de conformação, soldagem e controle de custo forem os principais fatores, e as cargas de serviço forem moderadas. - Escolha 1045 quando a resistência do componente, resistência ao desgaste e a capacidade de alcançar maior dureza por meio de tratamento térmico forem necessárias.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo: SAE1020 é geralmente menos caro por quilograma do que SAE1045 devido ao menor teor de carbono e demandas de processamento mais simples; os preços de mercado variam com a oferta regional e flutuações na produção de aço.
- Disponibilidade: Ambos os graus estão comumente disponíveis em todo o mundo nas formas de barra, chapa e bobina. SAE1020 é muito comum para produtos de chapa e estruturais; SAE1045 é amplamente estocado para eixos, barras e forjados.
- Formas de produto: 1045 é comumente fornecido como barras laminadas a quente e blanks forjados, e frequentemente especificado quando propriedades pós-tratamento térmico são necessárias. 1020 é frequentemente usado em montagens moldadas a frio e soldadas.
10. Resumo e Recomendação
| Característica | SAE1020 | SAE1045 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Alta (fácil de soldar) | Moderada a Baixa (requer pré-aquecimento/controles) |
| Equilíbrio Resistência–Tenacidade | Menor resistência, maior ductilidade/tenacidade no estado recozido | Maior potencial de resistência, menor ductilidade em alta resistência |
| Custo | Menor | Maior |
Escolha SAE1020 se: - Você precisa de um aço facilmente soldável, moldável e econômico para cargas moderadas. - As peças passarão por conformação a frio significativa ou requerem boa ductilidade e tenacidade na condição como fabricadas. - Estruturas ou montagens soldadas grandes requerem mínimo pré-aquecimento e procedimentos de soldagem simples.
Escolha SAE1045 se: - O projeto requer maior resistência estática, melhor resistência ao desgaste ou a peça será endurecida superficialmente ou totalmente. - Você está fabricando componentes rotativos de médio porte (eixos, eixos de roda, engrenagens) onde maior resistência à tração e dureza são necessárias. - Você pode controlar os parâmetros de soldagem, ou a soldagem é minimizada em favor de usinagem/montagem e tratamento térmico.
Nota final: A seleção de material deve sempre ser validada em relação às cargas de projeto do componente, requisitos de fadiga, método de união, tratamento térmico pretendido, tratamentos de superfície e restrições de custo. Em caso de dúvida para componentes críticos ou relacionados à segurança, considere especificar propriedades (por exemplo, limite mínimo de tração/escoamento, dureza ou tenacidade) em vez de depender apenas do nome do grau, e consulte especialistas em tratamento térmico e soldagem para estabelecer procedimentos apropriados.