SAE1010 vs SAE1020 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

SAE1010 e SAE1020 são dois aços de baixo carbono amplamente utilizados que aparecem em aplicações de fabricação, usinagem e estruturais. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura frequentemente escolhem entre eles ao equilibrar resistência, ductilidade, conformabilidade, custo e processos subsequentes, como soldagem ou endurecimento superficial. Os contextos típicos de decisão incluem se priorizar maior facilidade de conformação e soldabilidade (menor carbono) em comparação com maior resistência e resistência ao desgaste (maior carbono), ou se a peça receberá endurecimento superficial ou permanecerá na condição de laminado/recocido.

A diferença fundamental entre essas classificações é o teor de carbono: SAE1010 contém substancialmente menos carbono do que SAE1020. Essa única mudança composicional altera o equilíbrio da microestrutura, as propriedades mecânicas e as respostas de processamento—daí sua comparação direta frequente em decisões de design e fabricação.

1. Normas e Designações

• SAE/AISI: SAE1010, SAE1020 (comumente referidos como AISI 1010 / 1020 na literatura mais antiga).
• ASTM/ASME: Esses aços são cobertos por especificações gerais de produtos de aço carbono (por exemplo, ASTM A1008 para laminados a frio, ASTM A1011 para bobinas laminadas a quente e várias especificações estruturais/produto dependendo da forma do produto).
• EN: Comparável à série de aços de baixo carbono EN 1.03xx (por exemplo, 1.0337 se aproxima de 1010; 1.0332/1.0422 podem ser comparáveis para variantes de 1020—equivalentes exatos dependem da especificação do produto e das tolerâncias).
• JIS/GB: Existem equivalentes locais para graus de aço carbono de baixo carbono; combinar química e requisitos mecânicos em vez do nome do grau.
• Classificação: Ambos são aços carbono simples (não-liga, não-inoxidável). Eles não são aços HSLA, de ferramenta ou inoxidáveis.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

Notas: - Estas são faixas de composição representativas para os aços SAE 1010 e SAE 1020 conforme produzidos para estampagem, conformação e usinagem gerais. As químicas específicas do produto—por exemplo, para variantes laminadas a frio, estiradas a frio ou endurecimento superficial—podem ter limites mais rigorosos ou modificados. - A estratégia de liga para ambas as classificações é intencionalmente mínima: o carbono ajusta a resistência e a endurecibilidade; o manganês é mantido para ajudar na resistência e desoxidação; o silício, fósforo e enxofre são controlados para processabilidade.

Como a liga afeta as propriedades: - Carbono: controle primário para resistência e dureza (mais carbono → maior resistência/dureza, menor ductilidade, maior endurecibilidade). - Manganês: aumenta a resistência, melhora a endurecibilidade e a desoxidação; excesso de Mn aumenta CE e afeta a soldabilidade. - Silício: aumento moderado da resistência e atua como desoxidante. - Microaliagem em traço (se presente) pode influenciar o tamanho do grão e a tenacidade, mas não é característica do padrão 1010/1020.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestruturas típicas: - SAE1010: Na condição de recocido ou normalizado, esta liga consiste principalmente de ferrita com uma pequena fração de perlita. O baixo teor de carbono produz uma matriz ferrítica predominantemente macia e dúctil com reforço perlítico limitado. - SAE1020: Contém uma fração de perlita mais alta do que 1010 sob histórias térmicas semelhantes (recocido/normalizado), produzindo uma microestrutura mais forte, mas menos dúctil—ferrita + mais perlita.

Respostas ao tratamento térmico e processamento: - Recocimento/Normalização: Ambos respondem de maneira semelhante—o recocimento amolece e melhora a ductilidade; a normalização refina ligeiramente a estrutura do grão, mas a endurecibilidade permanece baixa. - Resfriamento & Têmpera: Ambos têm baixa endurecibilidade e não podem ser efetivamente endurecidos em seções comuns. O maior teor de carbono em 1020 resulta em uma dureza um pouco mais alta após resfriamento e têmpera do que 1010, mas nenhuma das classificações é ideal quando o endurecimento total é necessário. - Carburização/Endurecimento Superficial: Aços de baixo carbono como 1010 e 1020 podem ser endurecidos superficialmente (carburizados) para fornecer uma superfície de desgaste dura com um núcleo dúctil; 1020 frequentemente recebe carburização mais amplamente porque seu maior carbono base suporta melhor a resistência do núcleo após o processamento. - Processamento termo-mecânico e trabalho a frio: O trabalho a frio aumenta a densidade de discordâncias e a resistência de escoamento/tensão para ambos; 1010 geralmente aceitará maior conformação antes de fissuras.

4. Propriedades Mecânicas

Tabela: Faixas típicas de propriedades mecânicas para condições recocidas/normalizadas (faixas representativas; as propriedades variam com a forma do produto e o processamento térmico/mecânico).

Interpretação: - SAE1020 é geralmente mais forte e pode alcançar maior dureza devido ao seu maior teor de perlita resultante do nível de carbono mais alto. SAE1010 é mais dúctil e tem melhor conformabilidade e desempenho de impacto em muitas condições de trabalho. A troca exata depende fortemente do processamento (trabalho a frio, tratamento térmico, endurecimento superficial).

5. Soldabilidade

Considerações sobre soldabilidade dependem do teor de carbono e da efetiva endurecibilidade. O uso de fórmulas de equivalente de carbono fornece uma indicação qualitativa da soldabilidade.

Expressões comuns de equivalente de carbono: - Equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Parâmetro composto de soldagem internacional: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação qualitativa: - O baixo carbono absoluto em 1010 resulta em um $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ mais baixos do que 1020, indicando melhor soldabilidade intrínseca e menor risco de martensita frágil nas zonas afetadas pelo calor da solda (HAZ). - SAE1020, com maior carbono, aumenta modestamente a endurecibilidade e, portanto, eleva o risco de endurecimento da HAZ e fissuras a frio sob restrição ou procedimentos inadequados de pré-aquecimento/pós-aquecimento. - Ambas as classificações são classificadas como facilmente soldáveis com processos de soldagem comuns (MIG, TIG, SMAW) quando precauções padrão são observadas. Para 1020, pré-aquecimento ou controle de entrada de calor podem ser usados para seções grossas ou quando há alta restrição. - A seleção do metal de adição e o tratamento térmico pós-solda devem ser baseados na geometria da peça, restrição e requisitos de serviço, em vez do nome do grau sozinho.

6. Corrosão e Proteção Superficial

• Nenhum dos dois, SAE1010 ou SAE1020, é inoxidável; ambos são propensos à corrosão atmosférica geral e requerem proteção superficial em ambientes corrosivos.
• Estratégias comuns de proteção: galvanização a quente, eletrodeposição, revestimentos de conversão, revestimentos orgânicos (tintas, revestimentos em pó) e vedação em ambiente controlado. A seleção depende do ambiente de serviço e do custo do ciclo de vida.
• PREN (Número Equivalente de Resistência à Perfuração) não é aplicável a aços carbono simples; a fórmula PREN: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ é relevante para ligas inoxidáveis e não deve ser usada para avaliar aços carbono 10xx.

7. Fabricação, Usinabilidade e Conformabilidade

• Conformabilidade: SAE1010, com menor carbono e uma matriz ferrítica mais macia, é mais fácil de dobrar, estampar e conformar a frio com menor retorno elástico e menor risco de fissuras. SAE1020 é menos conformável e pode exigir raios de dobra maiores ou recocimento intermediário para conformação severa.
• Usinabilidade: O maior carbono geralmente melhora a vida útil da ferramenta até certo ponto, uma vez que materiais mais duros cortam de maneira diferente; no entanto, a resistência e dureza modestamente mais altas de 1020 podem aumentar as forças de corte e o desgaste da ferramenta em comparação com 1010. Para usinagem de alto volume, as ferramentas e alimentações devem ser otimizadas para a condição específica do produto (recocido vs. estirado a frio).
• Acabamento superficial: Ambos aceitam operações de acabamento padrão (desbaste, polimento, revestimento). O endurecimento superficial (carburização) é uma opção atraente quando uma superfície dura e um núcleo dúctil são necessários; 1020 frequentemente resulta em um núcleo ligeiramente mais forte após o processo do que 1010.

8. Aplicações Típicas

Racional de seleção: - Escolha 1010 quando a conformação, a usabilidade a frio ou a máxima soldabilidade em seções finas forem primordiais. Isso minimiza o risco de fissuras e simplifica a fabricação. - Escolha 1020 quando a resistência do material base e a resistência ao desgaste (ou a eficácia do endurecimento superficial) forem mais importantes e um esforço adicional moderado de usinagem ou controle de tratamento térmico for aceitável.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo: Ambas as classificações são aços carbono de baixo custo e são produzidas em grandes volumes. As diferenças de preço são mínimas e impulsionadas principalmente por flutuações de mercado, em vez do custo intrínseco do grau. SAE1020 pode ter um pequeno prêmio em algumas formas de produto devido ao teor de carbono ligeiramente mais alto e ao processamento para formas de produto de maior resistência, mas isso não é geralmente significativo.
• Disponibilidade: Ambos estão amplamente disponíveis nas formas laminadas a quente, laminadas a frio, estiradas a frio, chapa, barra e bobina. O fornecimento regional depende das linhas de produtos e normas do moinho; a compra deve especificar a química exata e os requisitos de propriedades mecânicas para evitar incompatibilidades.

10. Resumo e Recomendação

Tabela de resumo (qualitativa/relativa):

Recomendações: - Escolha SAE1010 se: - A peça requer conformação extensiva a frio, estampagem profunda ou altos níveis de ductilidade. - A simplicidade da soldagem e a minimização do risco de endurecimento da HAZ são prioridades. - A dureza superficial não é necessária, ou a peça será unida/acabada em vez de sujeita a desgaste.

• Escolha SAE1020 se:
• Maior resistência do material base e resistência ao desgaste são necessárias na condição usinada.
• A peça é destinada ao endurecimento superficial (carburização) ou a um dever moderado de desgaste superficial com um núcleo dúctil.
• Dureza ligeiramente maior e alongamento reduzido são aceitáveis para o design.

Nota final: A escolha entre SAE1010 e SAE1020 deve ser feita com base nas propriedades mecânicas especificadas na forma do produto requerida e na rota de fabricação antecipada (conformação, soldagem, tratamento térmico). Onde as margens de desempenho são apertadas, solicite certificados do moinho com química exata e resultados de testes mecânicos, e considere a fabricação de teste para validar o comportamento de conformação, soldagem e acabamento para o grau escolhido.