42CrMo vs 40CrNiMoA – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura comumente enfrentam a decisão de especificar 42CrMo ou 40CrNiMoA ao projetar componentes de alta resistência, como eixos, engrenagens e fixadores pesados. Os compromissos típicos nessas decisões incluem resistência necessária versus tenacidade, custo versus desempenho e restrições de tratamento térmico ou soldagem versus disponibilidade nas formas de produto requeridas.

A distinção fundamental entre essas duas ligas está na estratégia de liga: 42CrMo é um aço de liga média de cromo-molibdênio otimizado para endurecibilidade e alta resistência após têmpera e revenimento, enquanto 40CrNiMoA contém níquel adicionado (com cromo e molibdênio) para melhorar substancialmente a tenacidade ao impacto e a resistência à fadiga em níveis de resistência comparáveis. Essa diferença direciona a escolha onde ductilidade, resistência à fratura ou tenacidade a baixas temperaturas são críticas.

1. Normas e Designações

• 42CrMo:
• Normas comuns: EN 10250 / EN 10083-3 designação 42CrMo4, GB/T 3077 (42CrMo), amplamente comparado com AISI/SAE 4140 (família similar).
• Categoria: Aço de liga média tratável termicamente (não inoxidável); frequentemente especificado para condições de têmpera e revenimento (QT).
• 40CrNiMoA:
• Normas comuns: grau 40CrNiMoA GB/T (chinês); frequentemente comparado com AISI/SAE 4340 em intenção de especificação.
• Categoria: Aço de liga de níquel-cromo-molibdênio (tratável termicamente), com maior tenacidade do que os aços simples de Cr–Mo.

Ambos são aços de liga (não inoxidáveis) destinados a componentes estruturais e de engenharia que requerem tratamento térmico pós-formação para alcançar as propriedades mecânicas alvo.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

Tabela: Intervalos típicos de composição (wt%). Estes são intervalos representativos para graus comerciais e são usados para fins comparativos; valores exatos devem ser obtidos do certificado específico do moinho ou norma aplicável.

Elemento	42CrMo (intervalo típico, wt%)	40CrNiMoA (intervalo típico, wt%)
C	0.38 – 0.45	0.36 – 0.44
Mn	0.50 – 0.80	0.50 – 0.80
Si	0.15 – 0.40	0.15 – 0.40
P	≤ 0.025 (máx)	≤ 0.025 (máx)
S	≤ 0.035 (máx)	≤ 0.035 (máx)
Cr	0.90 – 1.20	0.80 – 1.20
Ni	— (traço a nulo)	1.20 – 1.80
Mo	0.15 – 0.30	0.10 – 0.30
V	≤ 0.05 (traço típico)	≤ 0.05 (traço típico)
Nb, Ti, B, N	Traço / controlado (dependente do fabricante de aço)	Traço / controlado

Como a liga afeta as propriedades: - O carbono estabelece a base de endurecibilidade e potencial de resistência; ambas as ligas são aços de carbono médio para permitir alta resistência após têmpera e revenimento. - O cromo e o molibdênio aumentam a endurecibilidade e a resistência ao revenimento; eles também aumentam a resistência e a resistência ao desgaste. - O níquel é o principal diferenciador: o níquel refina a tenacidade, melhora a ductilidade e reduz a temperatura de transição de frágil para dúctil, o que é crítico para o desempenho em impacto e fadiga. - O manganês e o silício são desoxidantes e contribuem modestamente para a resistência e a endurecibilidade. - Elementos traço e adições de micro-liga (V, Nb, Ti, B) — quando presentes — modificam o tamanho do grão e o comportamento de precipitação e são frequentemente usados para melhorar a tenacidade ou resistência nas formas de produto especificadas.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestruturas típicas: - Normalizado: ambos os aços apresentarão uma estrutura bainítica/pearlítica temperada com matriz ferrítica dependendo da taxa de resfriamento. O tamanho do grão depende da temperatura de conformação a quente e normalização. - Temperado e revenido (QT): ambos desenvolvem martensita temperada ou bainita temperada dependendo da severidade da têmpera. A temperatura de revenimento controla o equilíbrio entre resistência e tenacidade.

Efeitos do tratamento térmico: - A normalização (resfriamento ao ar a partir da austenitização) refina o tamanho do grão e produz uma microestrutura uniforme que é usinável e dimensionalmente estável — comumente usada como condição de fornecimento para blanks de forjamento e algumas barras. - A têmpera (óleo/água/controlada) a partir da austenitização seguida de revenimento é a rota padrão para alcançar alta resistência. A severidade da têmpera e a espessura da seção da peça determinam a fração de martensita resultante e as tensões residuais. - O revenimento reduz a dureza e aumenta a tenacidade; os aços com níquel (40CrNiMoA) geralmente mantêm melhor tenacidade em temperaturas de revenimento equivalentes porque o níquel estabiliza a matriz e reduz a tendência de fragilização por revenimento em muitos regimes. - O processamento termo-mecânico (laminação controlada e resfriamento acelerado) pode produzir estruturas bainíticas finas com excelente equilíbrio entre resistência e tenacidade; 40CrNiMoA se beneficia mais do processamento TM quando a tenacidade a baixas temperaturas é exigida.

4. Propriedades Mecânicas

Tabela: Propriedades mecânicas típicas para condições de têmpera e revenimento. Os valores são intervalos indicativos para têmperas industriais típicas de Q&T e variarão com o tratamento térmico exato e o tamanho da seção.

Propriedade	42CrMo (QT, intervalo típico)	40CrNiMoA (QT, intervalo típico)
Resistência à tração (MPa)	800 – 1100	850 – 1150
Resistência ao escoamento (MPa)	600 – 900	650 – 950
Alongamento (% A)	10 – 16	10 – 18
Tenacidade ao impacto (Charpy V, J)	20 – 60 (dependente de temperatura e revenimento)	40 – 120 (geralmente maior, melhor a baixa T)
Dureza (HRC)	24 – 40 (depende do revenimento)	24 – 44 (intervalo similar; pode ser mais resistente a durezas comparáveis)

Interpretação: - Ambas as ligas podem ser tratadas termicamente para níveis de resistência comparáveis. 40CrNiMoA geralmente oferece melhor tenacidade ao impacto e resistência à fadiga na mesma dureza/resistência porque o níquel melhora a tenacidade e reduz a temperatura de transição de dúctil para frágil. - 42CrMo pode ser ligeiramente mais econômico para peças onde a demanda por tenacidade é moderada e onde a endurecibilidade da têmpera de Cr–Mo sozinha é adequada. - Em aplicações que requerem alta tenacidade à fratura ou serviço a baixa temperatura, 40CrNiMoA é frequentemente preferido, apesar de propriedades de tração semelhantes.

5. Soldabilidade

A soldabilidade depende do equivalente de carbono e da endurecibilidade. Dois índices empíricos comumente usados:

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

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

Interpretação qualitativa: - Como ambas as ligas são de carbono médio e contêm Cr e Mo, elas têm endurecibilidade moderada e um risco não negligenciável de formar martensita dura na zona afetada pelo calor (HAZ) se soldadas sem pré-aquecimento e tratamento térmico pós-soldagem (PWHT). - O níquel em 40CrNiMoA reduz ligeiramente o impacto do equivalente de carbono na propensão a trincas a frio e melhora a tenacidade da HAZ, o que pode facilitar a soldagem em componentes críticos de serviço — mas pré-aquecimento e temperaturas de interpassagem controladas ainda são comumente exigidos para ambas as ligas. - Para ambos os aços, as melhores práticas para montagens soldadas geralmente incluem consumíveis de baixo hidrogênio, pré-aquecimento apropriado (por espessura e CE/Pcm), temperatura de interpassagem controlada e PWHT para temperar a martensita da HAZ e reduzir tensões residuais. - Use as fórmulas $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ com a análise química real para qualificação precisa do procedimento de soldagem.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Nem 42CrMo nem 40CrNiMoA são aços inoxidáveis; ambos são suscetíveis à corrosão geral e localizada em ambientes expostos.
• O níquel proporciona algum efeito benéfico na resistência à corrosão em certos ambientes aquosos (por exemplo, reduzindo a suscetibilidade à fragilização por hidrogênio e melhorando a resistência a certos ácidos redutores), mas não torna a liga "inoxidável".
• Para a maioria das aplicações estruturais e mecânicas, métodos de proteção padrão se aplicam:
• Galvanização a quente para estruturas de aço externas quando compatível com o tratamento térmico posterior.
• Revestimentos líquidos ou em pó (sistemas de pintura), fosfatização ou lubrificação para peças onde a galvanização é inadequada.
• Engenharia de superfície (nitruração, cementação, endurecimento por indução) para resistência ao desgaste — note que esses processos interagem com a química da liga subjacente e o tratamento térmico.
• PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) não se aplica a esses aços não inoxidáveis, mas quando graus inoxidáveis são considerados para ambientes corrosivos, o índice é: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ Use ligas inoxidáveis em vez de confiar no conteúdo de níquel em aços carbono/ligados quando a resistência à corrosão é um requisito primário.

7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade

• Usinagem:
• No estado normalizado ou recozido, ambos são usináveis usando práticas padrão de ferramentas de aço de liga. O níquel em 40CrNiMoA pode reduzir ligeiramente a usinabilidade em relação a composições de baixo níquel, mas as diferenças são modestas.
• Após a têmpera e o revenimento, a dureza aumenta e a usinabilidade diminui; a prática recomendada é realizar usinagem bruta pré-tratamento térmico sempre que possível.
• Formação:
• A formação a frio é limitada pelo teor de carbono; a formação a quente e o forjamento são as rotas comuns para formas complexas. A normalização após a formação a quente é típica.
• A presença de níquel em 40CrNiMoA melhora a ductilidade e pode permitir rotas de formação ligeiramente mais agressivas antes da fratura.
• Acabamento de superfície:
• Ambos aceitam moagem, polimento e revestimento. Tratamentos de superfície para desgaste (cementação, nitruração, endurecimento por indução) devem levar em conta a química base e a dureza/tenacidade final pretendida.

8. Aplicações Típicas

42CrMo (usos comuns)	40CrNiMoA (usos comuns)
Eixos, eixos, engrenagens, acoplamentos para máquinas industriais gerais	Eixos de alta resistência, acessórios de trem de pouso, engrenagens de alta carga e virabrequins onde a tenacidade é crítica
Componentes forjados, fixadores de média carga, cilindros hidráulicos	Componentes rotativos críticos, fixadores de alta carga, componentes sujeitos a impacto ou serviço a baixa T
Bases de máquinas e componentes de ferramentas que requerem boa endurecibilidade	Componentes mecânicos aeroespaciais/defesa ou de alta segurança onde resistência à fadiga e à fratura são priorizadas

Racional de seleção: - Escolha 42CrMo onde custo e disponibilidade são os principais fatores e os requisitos de tenacidade são moderados, e onde ciclos padrão de têmpera e revenimento fornecem a resistência necessária. - Escolha 40CrNiMoA onde maior tenacidade à fratura, vida útil à fadiga e desempenho a baixa temperatura são exigidos em níveis de resistência comparáveis — por exemplo, peças rotativas críticas para segurança ou componentes expostos a cargas de impacto.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo: O níquel é um fator de custo significativo. 40CrNiMoA geralmente custa mais por quilograma do que 42CrMo devido ao maior teor de níquel e, às vezes, requisitos de processamento/inspeção mais rigorosos.
• Disponibilidade:
• 42CrMo é amplamente produzido e estocado em uma grande variedade de tamanhos de barras e forjados; é frequentemente mais disponível globalmente.
• 40CrNiMoA está comumente disponível, mas pode ser produzido em faixas de produtos mais estreitas e com prazos de entrega mais longos, dependendo dos moinhos regionais e da demanda.
• Formas de produto: Ambos são oferecidos como barras, forjados e, às vezes, tubos ou chapas laminadas; especifique certificados de moinho e tratamentos térmicos cedo na aquisição para evitar atrasos.

10. Resumo e Recomendação

Tabela de resumo:

Critério	42CrMo	40CrNiMoA
Soldabilidade	Moderada (requer pré-aquecimento/PWHT para seções grossas)	Moderada–melhor tenacidade da HAZ devido ao Ni, ainda requer soldagem cuidadosa
Equilíbrio Resistência–Tenacidade	Alta resistência; boa tenacidade com revenimento adequado	Resistência comparável com tenacidade ao impacto e resistência à fadiga superiores
Custo	Mais baixo (geralmente mais econômico)	Mais alto (níquel aumenta o custo do material)
Disponibilidade	Ampla	Geralmente disponível, pode ser menos comum em alguns mercados

Recomendações finais: - Escolha 42CrMo se: - O projeto requer alta resistência estática e resistência ao desgaste a um preço mais econômico. - Os componentes são de média carga, os procedimentos de soldagem são gerenciáveis e as temperaturas de serviço/requisitos de tenacidade são moderados. - Você requer ampla disponibilidade em muitos tamanhos de barras e forjados.

• Escolha 40CrNiMoA se:
• O componente deve combinar alta resistência com tenacidade ao impacto superior, resistência à fratura ou desempenho a baixa temperatura (por exemplo, peças rotativas de alta carga, componentes críticos de segurança ou serviço onde a vida útil à fadiga é primordial).
• Soldabilidade e tenacidade da HAZ são particularmente importantes e justificam o prêmio do material.
• Você pode acomodar prazos de entrega potencialmente mais longos ou custo de aquisição ligeiramente mais alto para melhorar a confiabilidade em serviço.

Ao especificar qualquer uma das ligas, sempre defina a condição de tratamento térmico requerida, as propriedades mecânicas alvo, os limites de dureza aceitáveis e as certificações necessárias. Para soldagem, use a análise química medida para calcular $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ e qualificar os procedimentos de soldagem; para aplicações sensíveis à corrosão, considere opções inoxidáveis em vez de confiar no níquel em aço de liga.