1. Introdução
4140 O aço é um aço de cromo-politdênio de baixa liga.
Oferece uma excelente combinação de força, resistência, e resistência ao desgaste, tornando -o um candidato ideal para exigir aplicações industriais.
Este artigo explora 4140 Aço de liga de múltiplas perspectivas técnicas, incluindo sua composição química, comportamento mecânico, Resposta ao tratamento térmico, usinabilidade, desempenho de corrosão, e usos comuns.
2. Composição Química de 4140 Liga de aço
O desempenho único de 4140 liga de aço origina -se de sua composição química cuidadosamente controlada:
| Elemento | Peso % | Papel nas propriedades de aço |
|---|---|---|
| Carbono (C) | 0.38–0.43 | Aumenta a força e a hardenabilidade |
| Cromo (Cr) | 0.8–1.1 | Melhora a dureza, resistência ao desgaste, e corrosão |
| Manganês (Mn) | 0.75–1.0 | Aumenta a resistência e a desoxidação |
| Molibdênio (Mo) | 0.15–0.25 | Aumenta a resistência da fluência e a profundidade do endurecimento |
| Silício (E) | 0.15–0.35 | Aumenta a força, Melhora a tenacidade um pouco |
| Fósforo (P) | ≤ 0.035 | Normalmente minimizado para reduzir a fragilização |
| Enxofre (S) | ≤ 0.04 | Adicionado para a máquinabilidade, mas pode reduzir a tenacidade |
Comparado a ligas semelhantes como 4130 (menor carbono) e 4340 (níquel superior), 4140 equilibrar força e usinabilidade, tornando-o uma solução prática e econômica para muitas aplicações estruturais.
3. Propriedades físicas de 4140 Aço
| Propriedade | Valor | Unidade | Notas |
|---|---|---|---|
| Densidade | 7.85 | g/cm³ | Típico para aços de baixa liga |
| Módulo de Elasticidade (E) | ~ 205 | GPa | Rigidez na tensão e compressão |
| Módulo de cisalhamento (G) | ~ 80 | GPa | Útil para aplicações de torção |
| Proporção de Poisson | 0.27–0.30 | – | Proporção de tensão transversal para tensão axial |
| Condutividade Térmica | 42.6 | S/m·K | No 100 °C; diminui ligeiramente com temperaturas mais altas |
| Capacidade Específica de Calor | 475 | J/kg·K | Aproximado à temperatura ambiente |
| Resistividade Elétrica | 205 | nω · m (Medidores de nano-OHM) | Mais alto que o ferro puro; baixa condutividade em comparação com cobre |
| Coeficiente de Expansão Térmica | ~ 12.0 | µm/m · k (20–100 ° C Faixa) | Importante no projeto de ciclagem térmica ou estabilidade dimensional |
| Ponto de fusão | 1416–1471 | °C | Alcance mais estreito devido a elementos de liga |
4. Propriedades mecânicas de 4140 Aço
AISI 4140 é um versátil aço de liga de cromo-molibdênio, conhecido por sua excelente resistência mecânica, resistência, e resistência à fadiga.
Esses 4140 As propriedades de aço podem variar significativamente, dependendo de sua condição de tratamento térmico (por exemplo, recozido, normalizado, apagado, ou temperado).
Tabela de propriedades mecânicas
| Propriedade | Recozido | Extinto & Temperado (P&T) | Unidade | Notas |
|---|---|---|---|---|
| Força de rendimento | ~ 655 MPa | Até 1,600 MPa | MPa (megapascais) | P&T melhora a força significativamente |
| ~ 95 ksi | ~ 232 KSI | ksi (imperial) | ||
| Resistência à tracção | 850–1.000 MPa | 1,000–1.100 MPa | MPa | Faixa típica após vários tratamentos térmicos |
| 123–145 KSI | 145–160 ksi | ksi | ||
| Alongamento na ruptura | 25–30% | 12–18% | % | Maior ductilidade em estado recozido |
| Redução na área | ~ 50% | ~ 45% | % | Indicador de ductilidade e formabilidade |
| Dureza (Rockwell c) | 18–28 HRC | Até 50 a 55 HRC | CDH | Altamente responsivo à extinção e temperamento |
| Tonalidade Charpy em V-Notch | >54 J. (recozido) | 20–35 J. (P&T em alta dureza) | Joules | Desempenho em aplicações de carregamento de impacto |
| Força de fadiga (Limite de resistência) | ~ 420 MPa | Até 700 MPa | MPa | Dependente do acabamento da superfície e dos ciclos de carregamento |
| Módulo de Elasticidade (E) | ~ 205 GPa | – | GPa | A rigidez permanece constante entre as condições |
5. Comportamento de tratamento térmico de 4140 Liga de aço
AISI 4140 A aço de liga é altamente responsiva a uma variedade de processos de tratamento térmico, permitindo obter um amplo espectro de propriedades mecânicas adaptadas a aplicações específicas de engenharia.
Seu conteúdo de cromo e molibdênio aumenta sua hardenabilidade, tornando-o especialmente adequado para operações de extinção e temperamento.
Processos comuns de tratamento térmico
| Processo | Faixa de temperatura típica (°C) | Propósito |
|---|---|---|
| Recozimento | 760–790 ° C. | Refina a estrutura de grãos, Aço suaviza aço, Melhora a usinabilidade |
| Normalizando | 870–900 ° C. | Aumenta a uniformidade, refina a estrutura, Aumenta a consistência mecânica |
| Têmpera | ~ 845-875 ° C., seguido de extinção de óleo/água/polímero | Produz estrutura martensítica para alta dureza e força |
| Temperamento | 400–650ºC (pós-espírito) | Ajusta a dureza, alivia o estresse interno, melhora a ductilidade & resistência |
| Temelagem oriental | Tire 260-400 ° C., Segure até a transformação | Produz estrutura bainítica, reduz a distorção, equilibra a resistência à força |
6. Máquina e fabricação de 4140 Aço
Usinabilidade
Material 4140 O aço exibe máquinabilidade moderada em seu estado recozido e se torna mais desafiador à medida que a dureza aumenta.
Na condição recozida (normalmente em torno de 18 a 22 HRC), Pode ser usinado com ferramentas de aço ou carboneto de alta velocidade, Rendendo bons acabamentos superficiais e vida aceitável da ferramenta.
No entanto, Uma vez que o aço é extinto e temperado para níveis de dureza mais altos (como 30 a 50 hrc), sua usinabilidade diminui.
Nesta fase, Ferramentas de carboneto, Velas de corte mais baixas, e as configurações de máquinas rígidas tornam -se essenciais para evitar o desgaste da ferramenta e a distorção de parte.
Para Torneamento CNC, fresagem, ou operações de perfuração, Usando métodos de resfriamento adequados - particularmente o líquido de arrefecimento da inundação - ajuda o calor e melhorar a evacuação de chips.
Perfurando mais difícil 4140 As seções geralmente requer ferramentas de cobalto ou com ponta de carboneto, Enquanto as peças endurecidas de tocar podem se beneficiar da moagem de roscas ou formação de torneiras, em vez de torneiras de corte convencionais.
Soldagem
Soldagem 4140 O aço requer cautela devido à sua alta hardenabilidade e risco de rachadura.
Para mitigar esses riscos, Pré -aquecer a peça de trabalho - normalmente para 200-400 ° C, dependendo da espessura - é fortemente recomendável.
Manter uma temperatura de interpassa em torno de 200-300 ° C ajuda a prevenir choque térmico e rachaduras induzidas por hidrogênio.
Após a soldagem, Reliar o estresse do componente em aproximadamente 600 a 650 ° C ajuda a restaurar a ductilidade e reduzir as tensões residuais.
Os eletrodos de baixo hidrogênio, como E8018-B2 ou ER80S-D2, são normalmente usados para material de enchimento para garantir a compatibilidade e reduzir a porosidade.
Em aplicações críticas, Tratamento térmico pós-solda (Pwht) é necessário para manter a integridade e a resistência da zona soldada.
Formação fria e quente
4140 a aço de liga pode ser trabalhado em frio em sua condição recozida, Embora sua força mais alta em comparação com a aços de baixo carbono limite sua ductilidade.
Processos de formação a frio, como desenho e enrolamento, são possíveis, mas requerem forças mais altas e podem induzir tensões residuais que exigem tratamento térmico subsequente.
Trabalho quente, incluindo forjamento e rolagem a quente, é mais favorável para aço 4140.
A faixa ideal de temperatura de forjamento está entre 900 ° C e 1200 ° C, com o material normalmente acabado acima de 850 ° C.
Após a formação a quente, Recomenda -se normalização ou recozimento para refinar a estrutura de grãos e preparar o aço para usinagem final ou tratamento térmico.
7. Resistência à corrosão de 4140 Aço
Enquanto 4140 A aço de liga se destaca em resistência mecânica, Falta resistência à corrosão inerente.
Em ambientes úmidos ou marinhos, Ele prontamente oxida a menos que protegido. Para combater isso, tratamentos de superfície como:
- Nitretação para endurecimento da superfície e resistência a oxidação
- Revestimento de óxido preto Para proteção contra corrosão leve
- Eletroplatação ou pintura em ambientes de alta umidade
8. Formas e padrões comuns
4140 A liga de aço está disponível em uma ampla variedade de formas comerciais para acomodar diversas aplicações industriais.
Sua disponibilidade em formas diferentes, combinado com suas excelentes propriedades mecânicas e versatilidade do tratamento térmico, torna uma escolha popular nos componentes padrão e personalizados.
Formas comuns de 4140 Aço
Fabricantes e fabricantes podem obter 4140 aço em numerosas formas, Dependendo do uso pretendido e do processamento necessário:
- Barras Redondas: Comumente usado para eixos, alfinetes, engrenagens, e fixadores, Barras redondas são uma das formas de aço mais frequentemente fornecidas 4140 Devido à sua versatilidade em usinagem e tratamento térmico.
- Barras e pratos planos: Ideal para ferramentas, use componentes, e peças estruturais que requerem grandes áreas de contato de superfície.
Essas formas também são adequadas para corte de chama ou processamento de jato de água. - Anéis e discos forjados: Usado em máquinas rotativas de alta resistência, como rolamentos, acoplamentos, e flanges.
- Barras e tubos ocos: Preferido em aplicações exigindo redução de peso, mantendo a força, como cilindros hidráulicos e peças contendo pressão.
- Blocos e tarugos: Adequado para usinagem personalizada e componentes forjados grandes. Estes são normalmente usados em equipamentos industriais pesados e de matrizes pesados.
Padrões e designações do setor para 4140 Aço
| Organização padrão | Designação | Região/país | Descrição |
|---|---|---|---|
| ASTM | ASTM A29 | Estados Unidos | Especificação geral para barras de carbono e aços de liga de carbono e ligas |
| ASTM | ASTM A322 | Estados Unidos | Especificação para barras de aço de liga usadas em aplicações mecânicas |
| ASTM | ASTM A519 | Estados Unidos | Especificação para tubulação mecânica de carbono e liga sem costura |
SAE |
SAE 4140 | Estados Unidos | Aço de baixa liga de cromo-molibdênio para aplicações automotivas e de engenharia |
| AISI | AISI 4140 | Estados Unidos | Designação comumente usada alinhada com SAE 4140 |
| EM / DE | 1.7225 / 42CRMO4 | Europa / Alemanha | Equivalente europeu em EN 10083 Para aço e aços temperados |
| ELE | SCM440 | Japão | Equivalente japonês para aço de liga de alta resistência |
| GB | 42CRMO | China | Equivalente chinês com propriedades mecânicas semelhantes |
9. Aplicações de 4140 Liga de aço
Aço 4140 é um material preferido em aplicações que requerem força, resistência, e resistência ao desgaste sob fadiga e carga de choque:
- Automotivo: engrenagens, virabrequins, TILA, eixos
- Aeroespacial: componentes do trem de pouso, atuadores
- Óleo & Gás: colares de perfuração, Peças de fraturamento hidráulico
- Fabricação: Mandrels, morre, moldes, porta-ferramentas
Estudo de caso: Em um teste de fadiga comparativo, um aço 4140 P&T eixo de engrenagem demonstrado 10x a vida útil de um design semelhante feito de aço suave, destacando seu valor de longo prazo.
10. Vantagens e limitações de 4140 Liga de aço
Vantagens:
- Alto força a peso razão para aplicações estruturais
- Excelente resistência ao desgaste depois de endurecer
- Tratamento térmico versátil resposta
- Prontamente disponível em várias formas e padrões
Limitações:
- Não é adequado para ambientes corrosivos sem proteção de superfície
- Requer soldagem cuidadosa práticas para evitar rachaduras
- Custo mais alto e complexidade do que aços de carbono simples
11. Conclusão
4140 A liga de aço oferece uma mistura atraente de força mecânica, resistência, e resistência ao desgaste, Torná-lo indispensável em aplicações de engenharia crítica de desempenho.
Quando adequadamente tratado e protegido corretamente, oferece vida excepcional de serviço sob condições operacionais exigentes.
Seja para a indústria aeroespacial, energia, ou componentes de ferramentas, material 4140 O aço continua sendo um dos materiais mais confiáveis e capazes na fabricação moderna.
Os engenheiros que entendem seus requisitos de comportamento e processamento podem aproveitar totalmente seu potencial.
ESSE é a escolha perfeita para suas necessidades de fabricação se você precisar de alta qualidade 4140 peças de aço.
