Q345 frente a Q355: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones
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Introducción
Los aceros estructurales Q345 y Q355, de designación china, son de uso común y se consideran frecuentemente en el diseño, la fabricación y el suministro de materiales para edificios, puentes, componentes sometidos a presión y maquinaria pesada. Al seleccionar entre estos grados, los ingenieros suelen sopesar factores como la resistencia frente a la soldabilidad, el coste frente al margen de seguridad y la tenacidad a bajas temperaturas.
La principal diferencia práctica radica en que el acero Q355 especifica una resistencia a la fluencia nominal superior a la del Q345, si bien ambos pertenecen a la misma familia de aceros estructurales de baja aleación y alta resistencia. Dado que ambos grados comparten una composición química y procesos de fabricación similares, la selección suele estar condicionada por la capacidad de fluencia requerida, las limitaciones de espesor/sección, el comportamiento ante impactos y el coste, más que por diferencias radicales en el comportamiento del material.
1. Normas y designaciones
- Norma china principal: GB/T 1591 (aceros estructurales de baja aleación y alta resistencia), que incluye las series Q345 y Q355.
- Otras normas relacionadas y familias de referencias cruzadas (la disponibilidad y la equivalencia exacta varían según la región y la aplicación): EN (por ejemplo, familia S355), grados estructurales ASTM/ASME, JIS; tenga en cuenta que la equivalencia directa entre GB y EN/ASTM no es exacta y debe validarse para cada aplicación.
- Clasificación: tanto el Q345 como el Q355 son aceros estructurales al carbono/microaleados HSLA (de alta resistencia y baja aleación) (no son inoxidables, no son aceros para herramientas, no son aceros de alta aleación).
2. Composición química y estrategia de aleación
Los aceros de la serie Q están diseñados para lograr una mayor resistencia a la fluencia mediante un contenido de carbono controlado, combinado con microaleación y control termomecánico de la microestructura. Los límites exactos varían según la subcalidad (p. ej., variantes Q345A/B/C/D/E); la tabla a continuación muestra los rangos de composición típicos utilizados para la selección y comparación en ingeniería. Consulte siempre el certificado y la norma aplicables para conocer los límites precisos.
| Elemento | Cantidad típica de Q345 (en peso %) | Cantidad típica de Q355 (en peso %) |
|---|---|---|
| do | 0,12 – 0,20 | 0,10 – 0,20 |
| Minnesota | 0,80 – 1,60 | 0,80 – 1,60 |
| Si | 0,20 – 0,50 | 0,20 – 0,50 |
| PAG | ≤ 0,035 | ≤ 0,035 |
| S | ≤ 0,035 | ≤ 0,035 |
| Cr | ≤ 0,30 (si está presente) | ≤ 0,30 (si está presente) |
| Ni | ≤ 0,30 (si está presente) | ≤ 0,30 (si está presente) |
| Mes | ≤ 0,08 (ocasional) | ≤ 0,08 (ocasional) |
| V | trazas (microaleación) | trazas (microaleación) |
| Nótese bien | trazas (microaleación) | trazas (microaleación) |
| Ti | trazas (microaleación) | trazas (microaleación) |
| B | rastro (raro) | rastro (raro) |
| norte | controlado (bajo) | controlado (bajo) |
Cómo afecta la aleación a las propiedades: El carbono y el manganeso controlan principalmente la resistencia mediante el fortalecimiento por solución sólida e influyen en la templabilidad. - Los elementos de microaleación (Nb, V, Ti) promueven el refinamiento del grano y el fortalecimiento por precipitación, mejorando la resistencia a la fluencia sin grandes aumentos de carbono (lo que preserva la soldabilidad). - Se especifican bajos niveles de azufre y fósforo para preservar la tenacidad y la calidad de la soldadura.
3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico
Microestructuras típicas: Las placas laminadas en caliente o normalizadas de Q345 y Q355 generalmente presentan una matriz de ferrita-perlita con granos refinados debido a la microaleación y la laminación controlada. Las calidades Q355, diseñadas para obtener un mayor límite elástico, pueden presentar una densidad de dislocación ligeramente superior y efectos de precipitación/endurecimiento más intensos como resultado de un procesamiento termomecánico controlado. Ninguno de los dos grados se suministra principalmente como acero templado y revenido; están destinados a ser aceros estructurales aptos para la fabricación en estado laminado o normalizado.
Respuesta al tratamiento térmico: Normalización: ambas calidades responden a la normalización con un refinamiento del grano y aumentos moderados de resistencia y tenacidad. La normalización puede utilizarse para homogeneizar la estructura en secciones gruesas. - Temple y revenido: posible pero menos común para estos aceros; el Q345/Q355 se puede endurecer a niveles de resistencia más altos, pero las contrapartidas en tenacidad y distorsión y la necesidad de un control de composición más estricto hacen que el temple y revenido sea raro para el suministro estructural estándar. - Procesamiento termomecánico controlado (TMCP): las rutas de producción modernas utilizan TMCP para aumentar la resistencia a la fluencia manteniendo la tenacidad, un mecanismo principal por el cual Q355 logra un mayor rendimiento garantizado con una composición química similar.
4. Propiedades mecánicas
A continuación se presentan rangos de propiedades típicas representativas tal como se suministran en condición normalizada/laminada; las propiedades finales dependen del temple, el espesor y la subrasante.
| Propiedad | Q345 típico | Q355 típico |
|---|---|---|
| Límite elástico especificado (típico) | ~345 MPa (objetivo nominal) | ~355 MPa (objetivo nominal) |
| Resistencia a la tracción (Rm) | ~470 – 630 MPa | ~490 – 640 MPa |
| Alargamiento (A5, % típico) | 20 – 26% (dependiendo del grosor) | 18 – 25% (dependiendo del grosor) |
| Impacto Charpy (con muesca en V) | Especificado para subrasantes; típicamente 27 J a temperatura especificada (varía) | Requisitos similares; pueden especificarse a temperatura igual o inferior. |
| Dureza (HB) | ~120 – 190 HB (varía según el tratamiento térmico y el espesor) | ~120 – 200 HB (posiblemente un poco más) |
Interpretación: - El Q355 se especifica con un límite elástico mínimo más alto y, a menudo, con una envolvente de tracción ligeramente superior; el aumento es modesto pero significativo para el diseño estructural (permite secciones más pequeñas o una tensión admisible mayor). La tenacidad (resistencia al impacto) depende más de la selección del subgrado (A/B/C/D/E), el espesor y la temperatura de ensayo que del grado nominal. Una correcta selección del subgrado es fundamental para aplicaciones a bajas temperaturas.
5. Soldabilidad
La soldabilidad se ve influenciada por el equivalente de carbono y el contenido de microaleación. Dos fórmulas empíricas comunes utilizadas para evaluar la soldabilidad son:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
y
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretación cualitativa: Tanto el Q345 como el Q355 están formulados para mantener un contenido de carbono y equivalentes de carbono relativamente bajos. La microaleación (Nb, V, Ti) proporciona resistencia sin grandes aumentos de carbono, lo que ayuda a preservar la soldabilidad. - El Q355 puede tener una templabilidad ligeramente mayor en ciertas subcalidades debido al procesamiento y a una composición química marginalmente diferente; por lo tanto, el control de la temperatura de precalentamiento y entre pasadas puede ser ligeramente más conservador para secciones más gruesas de Q355 que para Q345. - Para soldaduras críticas, siga la calificación del procedimiento (WPS/PQR), tenga en cuenta el espesor y utilice precalentamiento/postcalentamiento de acuerdo con el $CE_{IIW}$ o $P_{cm}$ calculado y la guía del fabricante/estándar aplicable. El control del hidrógeno, la selección adecuada del relleno y el control del aporte térmico son clave para evitar el agrietamiento en frío en ambos grados.
6. Corrosión y protección de superficies
- Ni el Q345 ni el Q355 son aceros inoxidables; su resistencia a la corrosión es la de los aceros al carbono de baja aleación y, por lo tanto, depende de estrategias de protección de la superficie.
- Métodos de protección típicos: galvanizado en caliente, metalización con zinc, recubrimientos orgánicos (pinturas, recubrimientos en polvo), protección catódica y diseño eficaz para evitar la acumulación de agua.
- PREN (número equivalente de resistencia a la picadura),
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
es un índice de acero inoxidable y no es aplicable a Q345/Q355; estos índices solo son relevantes para aceros inoxidables austeníticos o dúplex que contienen cantidades significativas de Cr, Mo y N. - Para aplicaciones expuestas a entornos agresivos (marinos, químicos), elija aleaciones resistentes a la corrosión o aplique recubrimientos robustos en lugar de confiar en Q345/Q355 tal cual.
7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad
- Corte: ambas calidades se cortan bien con procesos de oxicorte, plasma y láser; los parámetros de corte se pueden ajustar según el espesor y el aporte de calor para minimizar los efectos de la ZAT.
- Conformado/doblado: la conformabilidad es buena; el menor contenido de carbono y la microaleación contribuyen a mantener la ductilidad. Los radios de curvatura mínimos dependen del espesor y la subbase; el límite elástico ligeramente superior del Q355 puede requerir radios de curvatura marginalmente mayores para el mismo proceso de conformado.
- Maquinabilidad: la maquinabilidad típica del acero al carbono; la resistencia ligeramente superior del Q355 puede aumentar levemente el desgaste de la herramienta. Seleccione las velocidades de corte y los avances en función de las propiedades de tracción y el espesor de la sección.
- Acabado superficial: ambos admiten soldadura, esmerilado y mecanizado; tenga cuidado con las tensiones residuales y la distorsión en fabricaciones con tolerancias ajustadas.
8. Aplicaciones típicas
| Q345 — Usos típicos | Q355 — Usos típicos |
|---|---|
| Estructura general de acero: pórticos, soportes, vigas de carga media, columnas | Secciones estructurales más pesadas: vigas de alta resistencia, rieles de grúa, componentes de puentes |
| Los componentes fabricados donde la sensibilidad al costo es primordial y un rendimiento de 345 MPa es adecuado. | Aplicaciones donde un límite elástico ligeramente superior permite una reducción de la sección o una mayor tensión admisible |
| Bases de maquinaria, miembros estructurales secundarios | Elementos estructurales principales, conjuntos soldados sometidos a mayor tensión |
| Recipientes o depósitos a presión (cuando lo permita la normativa y cuenten con la certificación adecuada). | Componentes estructurales en regiones frías donde se especifica una mayor resistencia (sujeto al impacto del subsuelo). |
| Vallas, plataformas, fabricación en general | Equipos pesados, estructuras marítimas (con revestimientos), estructuras de alta resistencia |
Justificación de la selección: - Utilice Q345 cuando la resistencia estructural estándar sea suficiente y la prioridad sea un menor coste del material y una mayor facilidad de conformado. - Utilice Q355 cuando los diseños requieran una mayor resistencia a la fluencia garantizada para reducir el tamaño de la sección o cumplir con mayores tensiones de diseño, siempre que la soldabilidad y los requisitos de impacto sean compatibles.
9. Costo y disponibilidad
- Costo: El acero Q355 suele ser ligeramente más caro por unidad de masa que el Q345 debido a sus mejores propiedades mecánicas garantizadas y al procesamiento necesario para cumplir con los requisitos del Q355. El sobreprecio varía según el mercado, la acería, el tipo de producto y los precios mundiales del acero.
- Disponibilidad: Ambos grados se producen ampliamente y están disponibles en placas, bobinas y perfiles. La disponibilidad de subgrados específicos, espesores e informes de ensayo certificados depende de la capacidad de la planta de producción y de las cadenas de suministro regionales.
- Consejo de compras: especifique claramente la subrasante, la temperatura de impacto y la forma del producto en las órdenes de compra para evitar discrepancias y garantizar los certificados de fábrica correctos.
10. Resumen y recomendación
| Atributo | Q345 | Q355 |
|---|---|---|
| Soldabilidad | Buena — amplio rango de ductilidad; bajo coeficiente de elasticidad cuando está microaleado | Bueno; es posible una templabilidad ligeramente superior; puede requerir un precalentamiento moderado para secciones gruesas. |
| equilibrio entre resistencia y tenacidad | Resistencia moderada con buena ductilidad/tenacidad | Mayor rendimiento para la misma familia; ligera disminución de la ductilidad con la misma composición, compensada por el TMCP. |
| Costo | Inferior (típicamente) | Mayor (normalmente) |
Conclusión y orientación: - Elija Q345 si: su diseño requiere un acero estructural HSLA confiable y económico donde el límite elástico nominal de ~345 MPa cumpla con los requisitos de diseño; donde la conformación y la facilidad de fabricación sean prioritarias; y donde la sensibilidad al costo y la amplia disponibilidad sean importantes. - Elija Q355 si: necesita el modesto pero útil aumento en la resistencia a la fluencia garantizada para reducir los tamaños de las secciones o aumentar las cargas admisibles; cuando la especificación del proyecto exige explícitamente una mayor capacidad de fluencia; y cuando el costo adicional marginal se justifica por los ahorros estructurales o de peso.
Nota final: tanto el Q345 como el Q355 pertenecen a la misma familia de aceros estructurales; la elección correcta depende de la tensión de diseño, el espesor, las condiciones de soldadura, los requisitos de tenacidad y el coste total del ciclo de vida. Siempre especifique la subrasante exacta, la temperatura de impacto y la documentación de ensayo de fábrica requerida, y valide los procedimientos de soldadura con evaluaciones basadas en $CE_{IIW}$ o $P_{cm}$ para fabricaciones críticas.