O carbono é o único elemento que separa o ferro simples do aço, e a quantidade presente, normalmente entre 0,05% e 2,0% em peso , decide quase tudo sobre como uma peça de aço se comporta sob carga, calor e um martelo de forjamento. Aumente a porcentagem de carbono e o metal ganha dureza e resistência à tração, mas perde ductilidade e soldabilidade; abaixe-o e o aço permanecerá macio, moldável e fácil de soldar, mas não poderá manter uma aresta dura ou alta resistência sem a ajuda de elementos de liga. Cada certificado de moinho, cada desenho de forjamento e cada designação de classe, como 1045 ou 4140, remontam a esta proporção.
O que o carbono realmente faz dentro do aço
O ferro por si só é um metal macio e relativamente fraco. Quando os átomos de carbono são introduzidos durante a fundição, eles se alojam entre os átomos de ferro na estrutura cristalina e formam um composto chamado cementita (carboneto de ferro, Fe3C) ao lado de uma solução sólida chamada ferrita. O equilíbrio entre essas duas microestruturas, e posteriormente entre perlita, martensita e bainita após tratamento térmico, é o que confere ao aço sua personalidade mecânica.
Uma maneira útil de imaginar isso: a ferrita é a parte macia, magnética e facilmente dobrada da estrutura, enquanto a cementita é dura e quebradiça. À medida que o teor de carbono aumenta, mais cementita se forma e a dureza do aço aumenta em uma curva bastante previsível. Os metalúrgicos acompanham esta relação desde o início do século XX, e ela continua a ser a base do diagrama de fases ferro-carbono usado hoje em todas as aulas de metalurgia.
Por que o conteúdo de carbono é medido em frações de porcentagem
Como o efeito do carbono é tão forte, diferenças tão pequenas quanto 0,10% alterar a classificação de um aço e sua aplicação adequada. Um aço 1020 (0,20% carbono) não se comporta como um aço 1095 (0,95% carbono), embora ambos sejam aços carbono tecnicamente simples. É por isso que os produtores de aço informam o teor de carbono até o centésimo de percentual nos relatórios de testes das usinas, em vez de arredondar para o número inteiro mais próximo.
Classificações de aço carbono por porcentagem
Os aços carbono simples são agrupados em quatro grandes famílias com base no teor de carbono. Cada família tem um conjunto distinto de usos típicos, e os forjadores selecionam entre eles com base no equilíbrio entre resistência, tenacidade e usinabilidade que a peça acabada exige.
Faixas gerais de classificação de aço carbono conforme definido pela numeração de grau SAE/AISI. | Classificação | Conteúdo de carbono | Notas típicas | Uso Comum |
| Baixo carbono (aço macio) | 0,05% - 0,30% | 1006, 1018, 1020 | Formas estruturais, chapa, arame |
| Carbono médio | 0,31% - 0,60% | 1035, 1045, 1050 | Eixos, engrenagens, virabrequins forjados |
| Alto carbono | 0,61% - 1,00% | 1065, 1080, 1095 | Molas, ferramentas de corte, lâminas |
| Carbono ultra-alto | 1,01% - 2,00% | Aços especiais para ferramentas | Use placas, matrizes, punções |
Acima aproximadamente 2,0% de carbono , o material não é mais classificado como aço; torna-se ferro fundido, que é muito mais frágil e é moldado por fundição em vez de forjamento ou laminação.
Como o conteúdo de carbono altera as propriedades mecânicas
A relação entre carbono e desempenho mecânico é uma das tendências mais consistentes na engenharia de materiais. À medida que a percentagem de carbono aumenta, quatro propriedades movem-se numa direção previsível:
- A dureza aumenta — mais cementita na microestrutura resiste à indentação e à abrasão.
- A resistência à tração aumenta – até certo ponto, o carbono adicional permite que o aço suporte mais carga antes da falha.
- A ductilidade cai — o aço dobra e estica menos antes de rachar, tornando a conformação a frio mais difícil.
- A soldabilidade cai — aços com alto teor de carbono são mais propensos a trincas na zona afetada pelo calor, a menos que sejam pré-aquecidos e controlados cuidadosamente.
É por isso que um semi-eixo automotivo forjado, que precisa de resistência e capacidade de absorver choques sem quebrar, normalmente usa um grau de carbono médio, como o 1045, em vez de usar um aço de alto carbono que seria mais forte em um teste de laboratório, mas muito frágil para um impacto na estrada.
O forjamento de aço molda o metal por deformação plástica compressiva, usando martelos, prensas ou rolos para forçar o aço aquecido em uma matriz ou na forma desejada. O conteúdo de carbono governa quase todas as decisões que uma forjaria toma antes do primeiro golpe de martelo.
Janelas de temperatura de forjamento
Aços de baixo e médio carbono são normalmente forjados entre 1150°C e 1250°C (aproximadamente 2.100°F a 2.280°F), onde o material fica em sua fase austenítica e flui facilmente sob pressão. Os aços com alto teor de carbono são geralmente forjados na extremidade inferior dessa faixa, uma vez que o calor excessivo combinado com o alto teor de carbono estimula o crescimento dos grãos e a descarbonetação da superfície, os quais enfraquecem a peça acabada.
Por que os falsificadores preferem classes de carbono médio
Aços de médio carbono como 1040, 1045 e 4140 dominam a indústria de forjamento porque atingem um equilíbrio viável: carbono suficiente para responder bem ao tratamento térmico pós-forjamento, como têmpera e revenido, mas não tanto a ponto de o tarugo rachar sob a matriz. Componentes como virabrequins, bielas, engrenagens, flanges e ferramentas manuais são quase sempre forjados a partir desta faixa intermediária e não dos extremos.
Fluxo de grãos e ganhos de força
Forjar faz mais do que moldar o aço; ele alinha a estrutura de granulação interna ao longo dos contornos da peça. Um componente forjado segue linhas de fluxo de grãos contínuos, enquanto uma peça usinada ou fundida corta os grãos ou não tem nenhum corte. Os testes da indústria mostraram repetidamente que as peças de aço forjado podem apresentar uma resistência à fadiga significativamente maior do que as peças fundidas ou usinadas de composição química idêntica, razão pela qual o aço carbono forjado continua sendo o padrão para componentes críticos de segurança, como juntas de direção e virabrequins.
Aço carbono comparado com aço-liga e aço inoxidável
O conteúdo de carbono por si só não conta toda a história, uma vez que outros elementos entram na mistura. Compreender onde o aço carbono simples se situa em relação aos seus primos ligados ajuda a explicar por que um desenho de forjamento pode exigir uma família em detrimento de outra.
Comparação de aço carbono simples com famílias de ligas e aços inoxidáveis. | Família Aço | Principais adições | Principal vantagem | Troca |
| Aço carbono liso | Apenas carbono, vestígios de manganês | Baixo custo, fácil de falsificar | Sem resistência à corrosão |
| Liga de aço (por exemplo, 4140) | Cromo, molibdênio, níquel | Temperabilidade mais profunda, maior resistência | Maior custo de material |
| Aço inoxidável (por exemplo, 304, 17-4PH) | Cromo 10,5%, às vezes níquel | Resistência à corrosão | Mais difícil de falsificar, mais caro |
Na prática, um engenheiro de compras escolhe aço carbono simples quando a peça será revestida, pintada ou mantida em ambientes internos, e utiliza ligas ou aços inoxidáveis quando a aplicação exige resistência à corrosão ou maior temperabilidade através de seções transversais mais espessas.
Escolhendo um tipo de aço carbono para uma peça forjada
Selecionar a percentagem correta de carbono é um ato de equilíbrio entre três questões: quão resistente a peça precisa ser, quanto choque ou fadiga ela absorverá e como será usinada ou unida posteriormente.
- Identifique o tipo de carga. Cargas estáticas toleram maior teor de carbono; cargas de impacto repetidas favorecem o carbono médio com boa tenacidade.
- Verifique as operações pós-forjamento. Se a peça for soldada a jusante, mantenha o teor de carbono abaixo de aproximadamente 0,30%, a menos que o pré-aquecimento e o resfriamento controlado façam parte do plano do processo.
- Confirme o caminho do tratamento térmico. Os aços de médio e alto carbono respondem bem aos ciclos de têmpera e revenido; os aços de baixo carbono dependem do endurecimento ou da cementação.
- Pese a usinabilidade em relação à dureza. Maior teor de carbono geralmente significa velocidades de corte mais lentas e desgaste mais rápido da ferramenta durante a usinagem secundária.
Uma forja que fornece fabricantes de equipamentos automotivos ou agrícolas frequentemente padroniza algumas classes, mais comumente 1045 para eixos gerais e 4140 onde é necessária uma maior relação resistência-peso, precisamente porque essas classes ficam no ponto ideal entre a forjabilidade e o desempenho da peça acabada.
Tratamento térmico após forjamento
O forjamento por si só raramente proporciona as propriedades mecânicas finais de uma peça. O teor de carbono determina quais tratamentos térmicos são possíveis posteriormente.
Normalizando
Quase todas as peças forjadas de aço carbono são normalizadas após o forjamento, aquecidas acima da temperatura crítica e resfriadas ao ar, para refinar a estrutura do grão e aliviar as tensões irregulares deixadas pelo processo de forjamento.
Têmpera e Revenimento
Aços de médio e alto carbono podem ser temperados em óleo ou água para formar martensita e depois revenidos para trocar alguma dureza por tenacidade. A percentagem de carbono estabelece um limite máximo para a dureza alcançável; um aço com menos de 0,30% de carbono simplesmente não pode atingir a mesma dureza temperada que um grau 1060 ou 1080, independentemente da severidade da têmpera.
Endurecimento de caixa para peças com baixo teor de carbono
Aços de baixo carbono que precisam de uma superfície de desgaste dura, mas um núcleo resistente, como engrenagens, são, em vez disso, carburados: o carbono é difundido na superfície externa em alta temperatura, então apenas a camada superficial é temperada com força, enquanto o núcleo de baixo carbono permanece dúctil.
Perguntas frequentes
Qual porcentagem de carbono torna o aço duro o suficiente para ferramentas?
As aplicações de ferramentas geralmente começam por volta 0,60% de carbono e vai até cerca de 1,0%, uma vez que esta faixa endurece bem através da têmpera e mantém uma aresta viva.
Maior carbono sempre significa aço mais forte?
Só até certo ponto. A resistência à tração e ao escoamento aumentam com o teor de carbono, mas depois de aproximadamente 0,80-0,90% os ganhos diminuem enquanto a fragilidade continua a aumentar, portanto, mais carbono não é automaticamente melhor para todas as aplicações.
Por que o aço de médio carbono é o material de forjamento mais comum?
Ele oferece a janela prática mais ampla: carbono suficiente para endurecer através do tratamento térmico, mas dúctil o suficiente para suportar as forças de compressão do forjamento sem quebrar o tarugo.
O aço de baixo carbono pode ser forjado?
Sim. O aço de baixo carbono é facilmente forjado devido à sua alta ductilidade e é comumente escolhido para peças que serão soldadas ou que precisam de um núcleo resistente a choques, em vez de dureza superficial.
Como é medido o teor de carbono em uma peça de aço acabada?
Os produtores usam análise de combustão ou espectroscopia de emissão óptica para medir a porcentagem de carbono diretamente de uma amostra, e o resultado é relatado no certificado de teste do moinho que acompanha o material.
O que acontece se o teor de carbono for muito alto para uma aplicação de forjamento?
O excesso de carbono reduz a ductilidade a ponto de o tarugo poder rachar durante a compressão, especialmente nos cantos da matriz e nas seções finas, razão pela qual as forjarias especificam faixas de teor de carbono em vez de aceitar amplas tolerâncias de usinagem.
