Aço de médio carbono: composição, propriedades, classes e usos

Barras de aço carbono médio

O aço carbono médio é um aço-liga cujo teor de carbono varia entre 0.30 e 0.60% em peso. O carbono confere ao aço maior resistência mecânica e durabilidade. Outros elementos de liga, como silício e enxofre, proporcionam resistência ao desgaste e o tornam adequado para tratamento térmico, conferindo-lhe tenacidade para aplicações como eixos, engrenagens, eixos de transmissão e aplicações robustas e de alta resistência, como componentes ferroviários. 

A Boda fornece muitos produtos de carbono médio. serviços de usinagem de ligas de aço Para componentes de precisão e peças forjadas. Neste artigo, você encontrará tudo o que precisa saber sobre aço de médio carbono.

O que é aço de médio carbono?

Antes de se aprofundar no aço de médio carbono, é importante ter um sólido conhecimento da classificação do aço, o que ajudará a esclarecer muitas dúvidas comuns sobre os tipos de aço e a diferença entre eles. aço-liga vs aço carbonoComo você pode ver na Figura 1, aço carbono O aço é ainda classificado em três subclasses principais com base no teor de carbono. O aço de médio carbono ocupa a posição intermediária entre elas; portanto, ele serve como uma espécie de ponte entre os aços de baixo e alto carbono.

Classificação do aço

Essa é uma confusão comum que muitas pessoas têm. O aço carbono é composto principalmente de ferro e carbono, com apenas pequenas quantidades de outros elementos como impurezas. Já os aços ligados contêm outros elementos metálicos adicionados intencionalmente, como cromo e níquel. 

Os aços carbono são projetados para melhorar a resistência e a dureza em aplicações estruturais, enquanto os aços ligados são otimizados para atingir propriedades específicas, como resistência à corrosão e durabilidade. Encontre uma comparação completa de aço-liga vs aço carbono.

Teor de carbono do aço de médio carbono

O aço de médio carbono geralmente contém 0.30-0.60% de carbono e geralmente 0.60-1.65% de manganês. Além disso, pequenas quantidades de silício, enxofre, fósforo, etc., podem ser encontradas como impurezas. Na tabela abaixo, você pode observar claramente o posicionamento do aço de médio carbono dentro da família do aço carbono, tanto quantitativa quanto qualitativamente.

Quadro 1: Comparação do aço de médio carbono com outros aços carbono e ferro fundido.

Você pode ver que os aços de baixo e alto carbono são extremos opostos. A teoria é simples: o aumento da porcentagem de carbono aumenta a dureza e a resistência, mas à custa da ductilidade e do aumento da fragilidade. Já as propriedades do aço de médio carbono permanecem intermediárias, oferecendo mais resistência do que o aço de baixo carbono, mantendo-se usinável e tratável termicamente. Você também pode obter uma visualização mais detalhada dos aços e do ferro fundido consultando [referências/referências]. diagramas de fase ferro-carbono.

Composição química do aço de médio carbono

Os aços de médio carbono não são uma liga única; são uma família de diferentes classes encontradas no mercado. lista de classes de aço-liga com composições ligeiramente variáveis. Na tabela abaixo, você encontra as porcentagens médias em peso dos elementos mais comuns presentes no aço de médio carbono. Os engenheiros geralmente variam essas composições para obter propriedades personalizadas.

Tabela 2: Composição dos elementos de liga comuns do aço de médio carbono

Resposta ao tratamento térmico do aço de médio carbono

Uma propriedade muito especial do aço de médio carbono é a sua excelente resposta ao tratamento térmico, o que nos permite alterar suas propriedades para atender a requisitos personalizados. Nem os aços de baixo carbono nem os de alto carbono possuem essa capacidade porque:

• Os aços de baixo carbono não possuem carbono suficiente para um endurecimento eficaz.
• Os aços com alto teor de carbono possuem excesso de carbono, tornando-os altamente quebradiços e propensos a rachaduras durante o processamento.

Mas o aço de médio carbono contém uma porcentagem moderada de carbono, e a microestrutura resultante é altamente favorável à transformação de fase que ocorre durante o tratamento térmico. Se submetidos a tratamento térmico adequado, os aços de médio carbono podem atingir níveis de resistência que até mesmo rivalizam com os aços de alto carbono, oferecendo, porém, melhor dureza final e resistência ao desgaste. E, mais importante, mantêm boa tenacidade e apresentam baixíssimo risco de fissuração. Controlando os parâmetros do processo de tratamento térmico, é possível atender a requisitos de desempenho personalizados, tornando o aço de médio carbono um material extremamente útil para usinagem de metais sob medida.

Propriedades dos materiais do aço de médio carbono

As propriedades únicas do aço de médio carbono decorrem não apenas da quantidade de carbono, mas também da forma como o carbono está distribuído na matriz de ferro. Não se trata de um padrão simples e ordenado de átomos de carbono dentro da maioria dos átomos de ferro. 

Microestrutura do aço de médio carbono

O aço de médio carbono não consiste em uma única fase uniforme à temperatura ambiente. Sua microestrutura consiste em uma mistura de duas fases, a saber, ferrita e perlita. 

• Fase da ferrita: Uma fase macia e dúctil. A ferrita é responsável pela ductilidade do material como um todo.
• Fase da perlita: Uma estrutura em camadas composta de ferrita e carboneto de ferro (cementita). O carboneto de ferro é o único componente com presença de carbono. A perlita contribui principalmente para a resistência e dureza do aço.

Com a explicação acima, deve ficar bem claro por que a resistência aumenta com o aumento do teor de carbono. Isso também explica por que o aço com teor médio de carbono tem naturalmente maior resistência do que o aço com baixo teor de carbono, mas permanece menos quebradiço do que o aço com alto teor de carbono.

Como o tratamento térmico altera a microestrutura?

Forno de tratamento térmico

Com o tratamento térmico, a estrutura interna do aço de médio carbono pode ser ainda mais modificada para obter propriedades personalizadas. Em termos simples, o que acontece durante o tratamento térmico de um aço de médio carbono é explicado a seguir.

• Aquecimento converte a microestrutura em uma única fase uniforme. Nessa etapa, os átomos de carbono são liberados de suas fases aprisionadas e podem se redistribuir dentro da estrutura.
• Imersão O aço, à temperatura acima mencionada, permite que o carbono se dissolva completamente e se espalhe uniformemente. O tempo de permanência é crucial, pois é um dos principais parâmetros de controle do processo.
• Têmpera O resfriamento rápido é o processo pelo qual os átomos de carbono são aprisionados repentinamente, sem tempo suficiente para se rearranjarem adequadamente. Isso resulta na formação de uma fase diferente, a martensita. A martensita possui uma estrutura interna significativamente mais dura e resistente.
• Temperamento é a etapa final de reaquecimento a baixa temperatura, que reduz a fragilidade excessiva. Isso também restaura uma quantidade considerável de tenacidade, preservando grande parte da resistência adquirida.

Algumas técnicas de tratamento térmico envolvem múltiplas etapas de aquecimento controlado e resfriamento subsequente, onde podemos variar parâmetros do processo, como temperatura, tempo e meio de têmpera, para obter propriedades específicas.

Propriedades mecânicas do aço de médio carbono

O aço de médio carbono é popular por apresentar propriedades mecânicas inerentes altamente equilibradas devido à sua composição. No entanto, caso seja necessário aumentar ainda mais a resistência e a dureza, podemos alcançar esse objetivo por meio de tratamentos térmicos, mantendo valores aceitáveis ​​de ductilidade e tenacidade.

Força e Dureza

O aço de médio carbono oferece boa resistência e dureza, geralmente atendendo aos requisitos de componentes com capacidade de carga moderada e alta resistência ao desgaste. Os valores médios de resistência e dureza dos aços de médio carbono (em condições normalizadas ou laminadas a quente) são apresentados abaixo. Esses valores podem variar ligeiramente de acordo com a classe do aço e as técnicas de processamento.

• Resistência à Tração: 550 - 850 MPa
• Força de rendimento: 350 - 600 MPa
• Dureza Brinell: 170 – 230 HB (podendo ser elevado até 280 – 300+ HB) (quando tratado termicamente)

O aço AISI 1045 é o tipo mais popular de aço com médio teor de carbono. Geralmente, possui uma resistência à tração em torno de 635 MPa, mas pode atingir valores próximos a 900 MPa após tratamento térmico, tornando-o adequado para parafusos e eixos automotivos.

Ductilidade

Conjunto de martelo de piano

Embora a ductilidade diminua com a adição de carbono, os aços de médio carbono geralmente conseguem manter uma flexibilidade utilizável com um Alongamento de 15 a 25% na ruptura valor. Geralmente, considera-se que esse valor é suficiente para que a estrutura se deforme com segurança sob cargas inesperadas, em vez de fraturar repentinamente.

Dureza

Os aços de médio carbono apresentam boa tenacidade na forma normalizada. No entanto, o endurecimento excessivo ou a omissão completa da etapa de revenido podem reduzir drasticamente a resistência ao impacto. É por isso que ciclos de tratamento térmico controlados e adequados são importantes.

Propriedades físicas do aço de médio carbono

Outra grande vantagem do aço de médio carbono é que ele possui propriedades físicas ideais para a fabricação de componentes industriais. É uma excelente escolha para aplicações que exigem resistência e comportamento térmico previsível.

Tabela 3: Propriedades Físicas do Aço de Médio Carbono

Classes e padrões de aço de médio carbono

Barras de aço carbono médio

O aço de médio carbono está disponível em uma ampla gama de classes padronizadas, projetadas para requisitos específicos em termos de resistência, tenacidade e usinabilidade. Essas classes compartilham um teor de carbono semelhante, mas diferem principalmente em composição, processamento e tratamento térmico. Compreender essas distinções é essencial para escolher a classe correta para componentes de desempenho crítico e fabricados sob encomenda.

Série AISI 10xx (Aço AISI 1045 e outras ligas populares)

Os aços de médio carbono mais populares pertencem à série AISI 10xx. Entender essa designação é simples: os dois primeiros dígitos representam a classe do aço e os dois últimos indicam a porcentagem de carbono. Por exemplo, se decodificarmos o aço AISI 1045:

• "10" significa aço carbono simples
• "45" representa 0.45% de carbono

Algumas das classes mais populares de aços de médio carbono estão listadas na Tabela 4. Dentre elas, o aço AISI 1045 é o tipo mais comum, com inúmeras aplicações em uma ampla gama de indústrias.

Tabela 4: Tipos populares de aço com médio teor de carbono e suas aplicações

O aço AISI 4140 é um aço de médio carbono?

O AISI 4140 é tecnicamente um aço de baixa liga. não é aço carbonoÀs vezes, é mencionado como aço de médio carbono, pois contém de 0.38% a 0.43% de carbono, o que o coloca numericamente na faixa de médio carbono.

Mas o AISI 4140 contém cromo (0.8-1.1%) e molibdênio (0.15-0.25%) como elementos de liga principais intencionais. Por isso, é classificado como um aço-liga, e não como um aço carbono comum. O AISI 4140 oferece excelente temperabilidade e resistência à fadiga, sendo amplamente utilizado em virabrequins, engrenagens e eixos de alta tensão.

Equivalentes internacionais dos aços de médio carbono da AISI

Os aços de médio carbono da série AISI 10xx são reconhecidos globalmente sob diferentes convenções de nomenclatura. Você pode encontrar diferentes formatos de designação em diferentes normas, mas esses graus são amplamente equivalentes em termos de teor de carbono e comportamento mecânico.

Tabela 5: Diferentes designações de aço de médio carbono sob diferentes normas

Como escolher o aço carbono adequado?

Para selecionar um aço de médio carbono adequado, é fundamental compreender claramente os requisitos de engenharia. A escolha do material exige uma pesquisa aprofundada sobre o componente para estabelecer requisitos claros, limites, condições ambientais e viabilidade financeira. Os principais fatores a serem considerados na escolha de um aço de médio carbono são:

• Requisitos de carga mecânica
• Requisitos de desempenho de desgaste e superfície
• Espessura da seção e temperabilidade
• Restrições de fabricação e processamento
• Condições ambientais e de serviço
• Custo e disponibilidade de materiais

É altamente recomendável buscar aconselhamento e consultas com especialistas da área antes de fazer a escolha final.

Aplicações do aço de médio carbono

Eixo de transmissão automotivo

A excelente combinação das propriedades do aço de médio carbono é muito apreciada por engenheiros nas indústrias estrutural, mecânica e automotiva. Por isso, ele é amplamente utilizado em componentes expostos a tensões moderadas a elevadas, cargas cíclicas e desgaste. 

Eixos e eixos de transmissão

Amplamente utilizado em eixos automotivos, eixos de transmissão e eixos de transmissão de potência devido à sua alta resistência à tração e à fadiga.

Engrenagens e Acoplamentos

Utilizado como material para engrenagens, pinhões e acoplamentos mecânicos sujeitos a elevadas tensões de contato. 

Componentes Forjados

Comumente utilizado em chaves, hastes e cabeças de martelo devido à sua alta resistência, capacidade de suportar impactos e durabilidade.

Peças mecânicas e de máquinas

Amplamente utilizado em virabrequins, bielas e componentes de máquinas rotativas que sofrem cargas combinadas de torção e flexão em condições de serviço cíclicas.

Construção e Equipamentos Pesados

Parafusos, pinos, componentes de elevação e conectores estruturais de aço de médio carbono são muito populares devido à sua alta capacidade de carga e resistência ao desgaste mecânico.

Vantagens do aço de médio carbono

Propriedades mecânicas balanceadas

Graças à excelente combinação das propriedades do aço de médio carbono, ele oferece boa resistência e tenacidade simultaneamente. Isso o torna altamente adequado para componentes estruturais que exigem boa resistência à deformação e tolerância a cargas dinâmicas.

Alta capacidade de resposta ao tratamento térmico.

Isso nos permite manipular suas propriedades durante o processamento e o tratamento térmico. Uma vantagem muito útil dessa propriedade é a possibilidade de obter superfícies duras e resistentes ao desgaste com núcleos internos robustos. Essas superfícies são amplamente utilizadas na fabricação de engrenagens, cames e componentes sujeitos a fadiga.

Boa usinabilidade na condição não tratada. 

Os aços de médio carbono são facilmente usináveis ​​antes do tratamento térmico. Portanto, podemos usiná-los facilmente em diversas geometrias antes do tratamento térmico final. Isso reduz significativamente o desgaste da ferramenta e o custo de fabricação. materiais de aço usados ​​na usinagem em geral.

Ampla disponibilidade e padronização

Como a maioria dos aços de médio carbono são padronizados globalmente (por exemplo, AISI 1045 e C45 são a mesma classe sob diferentes normas) e de fácil obtenção, a seleção de materiais, o controle de qualidade e a substituição tornam-se muito simples.

Custo-benefício

O aço de médio carbono oferece alto desempenho mecânico sem a adição de elementos de liga caros. Por isso, é amplamente utilizado em componentes de grande volume, onde os aços-liga acarretariam custos desnecessários e superdimensionamento.

Limitações do aço de médio carbono

Menor ductilidade em comparação com o aço de baixo carbono.

A conformabilidade e a conformação a frio são bastante difíceis em aços de médio carbono devido à sua maior porcentagem de carbono.

Soldabilidade moderada

Caso seja necessário realizar soldagem, o material deve ser pré-aquecido e um tratamento térmico pós-soldagem adequado deve ser aplicado para evitar fissuras.

Resistência limitada à corrosão

O aço de médio carbono não é a escolha ideal se o seu principal objetivo for a resistência à corrosão. Se precisar usar esse aço em ambientes corrosivos, revestimentos ou estratégias adequadas de proteção da superfície são imprescindíveis. Caso contrário, recomenda-se considerar aços alternativos, como o AISI 4140.

Risco de fragilidade devido ao tratamento térmico incompleto.

Uma têmpera inadequada ou a completa omissão da têmpera podem resultar em dureza excessiva e perda de tenacidade, o que pode aumentar o risco de fratura frágil.

Menor temperabilidade do que o aço-liga 

Em seções muito espessas, os aços comuns de médio carbono podem não atingir dureza uniforme em toda a seção transversal.

Usinagem de metal personalizada 

Boda Oferecemos usinagem de metais de alta qualidade para peças personalizadas e componentes de precisão. Trabalhamos com uma ampla gama de materiais e subclasses de aço, incluindo aços de médio carbono. 

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Conclusão

O aço de médio carbono é uma ótima opção para projetos que exigem resistência e tenacidade, com baixa ductilidade. Por exemplo, eixos de transmissão de potência. Existem muitas classes de aço de médio carbono disponíveis, e algumas podem ser facilmente tratadas termicamente para aumentar sua tenacidade.