10# vs 20# – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

10# e 20# são dois graus de aço carbono comum amplamente utilizados na fabricação e construção, frequentemente especificados em cadeias de suprimento chinesas e regionais. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de fabricação comumente ponderam as compensações entre custo, soldabilidade, conformabilidade e resistência ao selecionar entre eles. Os contextos típicos de decisão incluem se um componente requer alta ductilidade e fácil união (favorecendo a opção de baixo carbono) ou maior resistência e resistência ao desgaste (favorecendo a opção de alto carbono).

A principal distinção técnica entre esses graus é o teor de carbono: o grau de baixo carbono resulta em um material mais macio e dúctil, com superior soldabilidade e comportamento de conformação, enquanto o grau de alto carbono aumenta a resistência e a endurecibilidade à custa de alguma ductilidade e facilidade de soldagem. Como ambos são aços carbono comuns com elementos de liga semelhantes, eles são comumente comparados para peças que devem equilibrar usinabilidade, resposta ao tratamento térmico e custo.

1. Normas e Designações

• GB (China): 10# e 20# são designações convencionais de aço carbono comum nas normas chinesas (frequentemente usadas nas especificações de produtos GB/T).
• JIS (Japão): Graus nominais equivalentes em JIS usam nomes numéricos baseados em carbono (por exemplo, S10C, S20C são graus comparáveis comuns).
• ASTM/ASME: As normas dos EUA geralmente usam a nomenclatura de grau A36, A106 ou SAE; equivalentes diretos nem sempre existem porque os graus ASTM especificam requisitos de propriedades mecânicas em vez de simples nomenclatura “10#”.
• EN (Europa): Os graus EN classificam os aços por requisitos químicos e mecânicos (por exemplo, C10, C20 são conceitualmente comparáveis, mas devem ser referenciados cruzadamente).
• Classificação: Tanto 10# quanto 20# são aços carbono comuns (não liga, não inoxidável, não HSLA, não aços para ferramentas). Eles são tipicamente usados como aços de baixo carbono (10#) e médio-baixo carbono (20#) na fabricação.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

Elemento	Faixa típica para 10# (aprox.)	Faixa típica para 20# (aprox.)
Carbono (C)	0.06–0.12 wt%	0.17–0.24 wt%
Manganês (Mn)	0.25–0.60 wt%	0.25–0.65 wt%
Silício (Si)	0.02–0.35 wt%	0.02–0.35 wt%
Fósforo (P)	≤ 0.035 wt% (máx)	≤ 0.035 wt% (máx)
Enxofre (S)	≤ 0.035 wt% (máx)	≤ 0.035 wt% (máx)
Cromo (Cr)	tipicamente ≤ 0.30 wt%	tipicamente ≤ 0.30 wt%
Níquel (Ni)	tipicamente ≤ 0.30 wt%	tipicamente ≤ 0.30 wt%
Molibdênio (Mo)	tipicamente ≤ 0.08 wt%	tipicamente ≤ 0.08 wt%
Vanádio (V)	traço, se houver	traço, se houver
Niobio (Nb)	traço, se houver	traço, se houver
Titânio (Ti)	traço, se houver	traço, se houver
Boro (B)	não tipicamente adicionado	não tipicamente adicionado
Azoto (N)	traço	traço

Notas: Estas são janelas de composição típicas para aços carbono comum 10# e 20#; normas de produtos e fabricantes podem especificar limites ligeiramente diferentes. A estratégia de liga para ambos os graus foca em baixos níveis de elementos de liga: o carbono governa predominantemente a resistência e a endurecibilidade, o manganês modifica a resistência e a desoxidação, e o silício é um desoxidante que aumenta ligeiramente a resistência.

Como a liga afeta as propriedades: - Carbono: controle primário da resistência à tração, dureza e endurecibilidade; maior carbono aumenta a resistência e a resistência ao desgaste, mas reduz a ductilidade e a soldabilidade. - Manganês: aumenta a resistência à tração, endurecibilidade e tenacidade à tração; mitiga os efeitos prejudiciais do enxofre (forma MnS). - Silício: leve endurecimento por solução sólida e desoxidante; Si excessivo pode prejudicar a qualidade da superfície em alguns processos. - Elementos de traço (Cr, Ni, Mo): quando presentes em pequenas quantidades, aumentam marginalmente a endurecibilidade e a resistência, mas não são característicos desses graus.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestruturas típicas: - 10#: No estado como laminado ou normalizado, a microestrutura é predominantemente ferrita com uma fina dispersão de perlita. O baixo teor de carbono limita a fração de perlita e impede grandes quantidades de martensita após taxas de resfriamento moderadas. - 20#: O maior teor de carbono produz uma fração de perlita maior no estado como laminado e aumenta o potencial para formar martensita ou bainita sob resfriamento mais rápido ou têmpera.

Respostas ao tratamento térmico: - Recozimento/Recuo total: Ambos os graus amolecerão, reduzirão tensões residuais e produzirão misturas de ferrita–perlita grosseiras. O 10# atinge um estado mais macio mais fácil e rapidamente devido ao menor carbono. - Normalização: Produz uma microestrutura de ferrita–perlita mais fina e melhora a tenacidade em comparação com o estado como laminado; beneficia ambos os graus, mas resulta em maiores resistências normalizadas para 20# devido ao seu maior carbono. - Têmpera e revenimento (Q&T): 20# responde mais ao Q&T porque seu maior carbono e ligeiramente maior endurecibilidade permitem o desenvolvimento de estruturas martensíticas de maior resistência após a têmpera e revenimento controlado. O 10# tem endurecibilidade limitada—produzir martensita de alta dureza de forma uniforme é mais difícil e tipicamente não é econômico. - Processamento termo-mecânico: A laminação controlada e o resfriamento acelerado podem aumentar a resistência para ambos os graus; o teor de carbono determina a combinação alcançável de resistência e tenacidade.

4. Propriedades Mecânicas

Propriedade (típica, dependente do processamento)	10# (faixas aprox.)	20# (faixas aprox.)
Resistência à tração (MPa)	~320–470	~380–540
Resistência de escoamento (MPa)	~140–310	~200–370
Alongamento (%)	~20–40	~12–30
Tenacidade ao impacto (Charpy V-notch, J)	geralmente maior em baixa temperatura para 10# (dependente do processo)	menor que 10# no mesmo tratamento, mas pode ser melhorada pelo processamento
Dureza (HB ou HRC)	menor na condição nominal (mais macio)	maior na condição nominal (mais duro)

Notas: Os valores são indicativos e fortemente influenciados pela forma do produto (placa, barra, haste), espessura e histórico termo-mecânico. Em geral, 20# apresenta maiores resistências à tração e de escoamento devido ao seu maior teor de carbono e maior fração de perlita; 10# oferece maior ductilidade e tipicamente tenacidade superior em baixa temperatura quando processado de forma semelhante.

Interpretação: - Resistência: 20# > 10# devido ao maior carbono e ao aumento do fortalecimento por perlita/microestrutura. - Tenacidade/Ductilidade: 10# > 20# em condições comparáveis porque o menor carbono reduz fases frágeis e permite mais ferrita. - Dureza/Resistência ao desgaste: 20# tipicamente mais duro e melhor para peças propensas ao desgaste após tratamento térmico mínimo.

5. Soldabilidade

A soldabilidade dos aços carbono depende principalmente do teor de carbono, carbono equivalente (endurecibilidade) e elementos residuais. Dois índices empíricos comumente usados são o equivalente de carbono IIW e o parâmetro Pcm:

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

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

Interpretação qualitativa: - 10# terá um $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ mais baixos devido ao menor carbono, indicando geralmente excelente soldabilidade com baixos requisitos de pré-aquecimento e risco mínimo de trincas a frio quando procedimentos apropriados são usados. - 20# tem maior carbono, aumentando $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ e, assim, elevando o risco de endurecimento martensítico na zona afetada pelo calor (HAZ). Para seções mais grossas ou juntas restritas, pode ser recomendado pré-aquecimento, temperaturas de interpassagem controladas e tratamento térmico pós-soldagem (PWHT). - Microalotamento e maior manganês afetam modestamente a endurecibilidade; no entanto, esses graus de carbono comum raramente contêm liga suficiente para mudar drasticamente os procedimentos de soldagem além dos determinados pelo teor de carbono e espessura da seção.

Melhores práticas: use menor entrada de calor e resfriamento controlado para 20# em seções mais grossas, e especifique pré-aquecimento ou PWHT de acordo com as especificações do procedimento de soldagem quando os limites de equivalente de carbono forem excedidos.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Tanto 10# quanto 20# são aços carbono não inoxidáveis; a resistência à corrosão intrínseca é limitada e semelhante entre os graus. A seleção entre eles deve assumir a necessidade de medidas protetoras em ambientes corrosivos.
• Mitigação típica: galvanização, revestimentos protetores (tintas, revestimento em pó), galvanização ou inibidores específicos de aplicação. Para peças estruturais externas, a galvanização a quente ou sistemas de pintura robustos são comuns.
• PREN (Número Equivalente de Resistência à Fenda) não é aplicável a aços carbono comuns; é relevante para graus inoxidáveis:

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

• As folgas de corrosão, proteção catódica e seleção de sistemas de revestimento devem ser baseadas no ambiente, vida útil esperada e regime de inspeção, em vez de pequenas diferenças na composição entre 10# e 20#.

7. Fabricação, Usinabilidade e Conformabilidade

• Corte e usinagem: 20# é mais duro e tipicamente requer forças de corte mais altas e pode reduzir a vida útil da ferramenta em relação ao 10#. No entanto, as diferenças são modestas para a faixa de baixo carbono; estratégias e velocidades de ferramentas devem ser ajustadas para o aumento do teor de carbono.
• Conformação e dobra: 10# é superior para conformação a frio, estampagem profunda e dobra de raio apertado devido à maior ductilidade. 20# é mais propenso ao retorno elástico e requer raios de dobra maiores ou mais força.
• União e fixação: 10# é mais fácil de conformar roscas a frio e de unir por soldagem; 20# permite fixação de maior resistência, mas pode exigir tratamento térmico pós-união em aplicações críticas de alta resistência.
• Acabamento de superfície: ambos os graus aceitam operações de acabamento típicas (desbaste, polimento, revestimento); 20# pode apresentar maior endurecimento por trabalho, o que influencia a qualidade do acabamento final para tolerâncias muito apertadas.

8. Aplicações Típicas

10# (baixo carbono)	20# (alto carbono)
Componentes conformados a frio, peças estruturais gerais, painéis internos automotivos, suportes leves, montagens fabricadas soldadas onde ductilidade e soldabilidade são importantes	Eixos, eixos, pinos, parafusos (onde maior resistência ou resistência ao desgaste é necessária), membros estruturais com maiores requisitos de carga, peças de máquinas que se beneficiam de aço endurecível
Eixos de baixa tensão, conexões rebitadas ou parafusadas, tubulação de baixa pressão (não crítica)	Peças destinadas ao tratamento térmico para aumentar a resistência (têmpera/revenido ou normalizado)
Fios trefilados, tubos formados, fixadores que requerem conformação significativa	Peças propensas ao desgaste (após tratamento térmico apropriado), componentes forjados de resistência média

Racional de seleção: - Escolha 10# quando a facilidade de conformação, soldagem e acabamento de superfície forem prioridades e os requisitos de resistência forem modestos. - Escolha 20# quando maior resistência como fabricado ou a possibilidade de aumentar a resistência através do tratamento térmico for necessária.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo: Ambos os graus são aços carbono comuns e estão entre as opções de menor custo. O 10# é tipicamente marginalmente mais barato devido ao menor carbono e processamento ligeiramente mais simples, mas os preços de mercado são dominados pela mistura de produtos da usina de aço e demanda, em vez do custo intrínseco do grau.
• Disponibilidade: Ambos estão amplamente disponíveis em barras, hastes, placas e formas de fio. 10# e 20# têm cadeias de suprimento extensas em regiões que usam a nomenclatura GB/JIS. Os prazos de entrega geralmente são curtos para tamanhos padrão; formas especiais (barras de grande diâmetro, barras de tolerância apertada ou relatórios de teste de usina certificados) podem aumentar o custo e o prazo de entrega.

10. Resumo e Recomendação

Atributo	10#	20#
Soldabilidade	Excelente (CE mais baixo)	Bom a moderado (requer pré-aquecimento/PWHT em seções mais grossas)
Equilíbrio Resistência–Tenacidade	Menor resistência, maior ductilidade/tenacidade	Maior resistência, menos dúctil a menos que processado especialmente
Custo relativo	Levemente mais baixo ou comparável	Levemente mais alto ou comparável

Recomendações: - Escolha 10# se você precisar de superior conformabilidade, soldagem mais fácil, maior ductilidade, menor risco de trincas na HAZ, ou fabricação em alto volume sensível ao custo onde o tratamento pós-soldagem é indesejável. - Escolha 20# se você exigir maior resistência à tração e de escoamento como fabricado, melhor resistência ao desgaste, ou a opção de tratar termicamente componentes para níveis de resistência mais altos e o plano de fabricação acomodar pré-aquecimento, resfriamento controlado ou PWHT.

Nota final: A seleção de material deve considerar a geometria da peça, espessura da seção, cargas de serviço esperadas, método de união e quaisquer tratamentos térmicos pós-fabricação necessários. Quando em dúvida, especifique os requisitos de propriedades do material (tração, escoamento, alongamento, tenacidade) e as restrições de fabricação, em vez do nome do grau sozinho, e consulte certificados de usina ou dados metalúrgicos qualificados para aplicações críticas.