ASTM A516 Gr60 vs Gr70 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
As classes 60 e 70 do ASTM A516 são duas das placas de aço carbono mais comumente especificadas para a fabricação de equipamentos que contêm pressão, especialmente caldeiras, vasos de pressão e tanques de armazenamento. Engenheiros e profissionais de compras frequentemente ponderam as compensações entre resistência, tenacidade, soldabilidade e custo ao escolher entre essas duas classes. Os contextos típicos de decisão incluem a seleção de uma classe para pressão de operação mais alta (favorecendo a resistência) em comparação com a priorização da tenacidade em entalhes a baixa temperatura ou melhor soldabilidade (favorecendo menor teor de carbono e ductilidade).
A principal distinção entre a classe 60 e a classe 70 do A516 é o nível de resistência mecânica exigido: a classe 70 é especificada para atender a uma resistência mínima mais alta do que a classe 60. Como essas classes compartilham uma química base semelhante e rotas de processamento, elas são comumente comparadas quando os projetos exigem um equilíbrio entre capacidade de pressão, resistência à fratura e economia de fabricação.
1. Normas e Designações
- Especificação primária: ASTM A516 / ASME SA-516 — “Placas de Vaso de Pressão, Aço Carbono, para Serviço de Temperatura Moderada e Baixa.”
- Códigos associados: Código de Caldeiras e Vasos de Pressão ASME (Seção II e VIII) quando usados em vasos de pressão.
- Normas internacionais comparáveis (uso para referência cruzada): série EN 10028 (placas de vaso de pressão), JIS G3115 (placas de aço para vasos de pressão) e variantes GB/T 3274/7131 nas normas chinesas. A equivalência exata depende das propriedades e testes exigidos (por exemplo, requisitos de energia de impacto).
- Classificação: Tanto o A516 Gr60 quanto o Gr70 são aços carbono-manganês (aços carbono não-ligados). Eles não são aços inoxidáveis, aços para ferramentas ou graus HSLA de alta liga no sentido de microligação significativa; algumas usinas comerciais podem adicionar elementos de microligação em pequenas quantidades para alcançar propriedades alvo.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
Abaixo está uma tabela ilustrativa de faixas de composição típicas (wt%). Estas são faixas comerciais representativas para as classes de placas A516; a química garantida real deve ser confirmada no certificado de teste da usina para cada lote.
| Elemento | Faixa típica ou máxima (wt%) |
|---|---|
| C (Carbono) | 0.18 – 0.28 (dependente da classe e da usina) |
| Mn (Manganês) | 0.60 – 1.35 |
| Si (Silício) | 0.10 – 0.35 |
| P (Fósforo) | ≤ 0.035 (máx) |
| S (Enxofre) | ≤ 0.035 (máx) |
| Cr (Cromo) | traço – ~0.30 (se presente) |
| Ni (Níquel) | traço – ~0.40 (se presente) |
| Mo (Molibdênio) | traço – ~0.10 (se presente) |
| V (Vanádio) | tipicamente traço (se microligado) |
| Nb (Nióbio) | tipicamente traço (se microligado) |
| Ti (Titânio) | tipicamente traço (se presente para desoxidação) |
| B (Boro) | traço se usado intencionalmente |
| N (Nitrogênio) | baixo (ppm) |
Notas: - O ASTM A516 não requer adições substanciais de liga; os aços são principalmente composições de carbono-manganês. Alguns fabricantes aplicam microligação (V, Nb, Ti) ou processamento controlado para otimizar resistência e tenacidade. - A resistência mais alta (Gr70) é geralmente alcançada por meio de química controlada mais processamento termo-mecânico ou prática de laminação, em vez de por meio de ligações pesadas.
Como a liga afeta o comportamento: - O carbono aumenta a resistência e a capacidade de endurecimento, mas reduz a soldabilidade e a ductilidade. Níveis moderados de carbono mantêm um equilíbrio. - O manganês melhora a capacidade de endurecimento e a resistência à tração e promove a desoxidação, mas em excesso pode aumentar a capacidade de endurecimento e afetar a tenacidade. - O silício auxilia na desoxidação; pequenas quantidades não alteram fortemente o comportamento mecânico. - Elementos de microligação (V, Nb, Ti) refinam o tamanho do grão, promovem o endurecimento por precipitação e podem aumentar a resistência sem diminuir proporcionalmente a tenacidade quando usados em quantidades controladas.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas: - A placa A516 laminada normalmente exibe uma microestrutura de ferrita–pearlita na condição produzida. As diferenças entre a classe 60 e a classe 70 são em grande parte quantitativas (gradientes de carbono e Mn, tamanho do grão, densidade de discordâncias) em vez de qualitativas. - O processamento termo-mecânico controlado (TMCP) pode levar a tamanhos de grão de ferrita mais finos e alguns constituintes bainíticos, melhorando tanto a resistência quanto a tenacidade em comparação com placas laminadas convencionalmente.
Respostas ao tratamento térmico: - O A516 é normalmente fornecido na condição normalizada e laminada; o tratamento completo de têmpera e revenimento não é típico para esta especificação porque o produto é destinado a serviço de temperatura moderada e construção soldada. - A normalização (aquecimento acima do crítico e resfriamento controlado) refina o tamanho do grão e melhora a tenacidade; é uma rota aceita para melhorar a tenacidade em entalhes sem ligações excessivas. - A têmpera e o revenimento podem alcançar níveis de resistência mais altos e diferentes perfis de tenacidade, mas não são comumente especificados para placas A516 padrão; tais tratamentos mudam a classe do produto e podem impactar os procedimentos de soldagem e a tenacidade em entalhes. - Rotas termo-mecânicas (laminação controlada + resfriamento acelerado) são usadas por usinas para fornecer propriedades Gr70 com microestrutura de grão fino e boa tenacidade a baixa temperatura.
4. Propriedades Mecânicas
Os limites quantitativos na especificação variam por classe, espessura e testes de impacto opcionais. Em vez de afirmar mínimos numéricos precisos (que devem ser extraídos da especificação atual ASTM/ASME e dos relatórios de teste da usina), a comparação relativa é resumida abaixo.
| Propriedade | A516 Classe 60 | A516 Classe 70 |
|---|---|---|
| Resistência à Tração | Faixa inferior (suficiente para pressões moderadas) | Mais alta (projetada para serviço de alta pressão) |
| Resistência ao Escoamento | Mínimo inferior de escoamento | Mínimo superior de escoamento |
| Elongação (ductilidade) | Comparável; frequentemente ligeiramente maior ductilidade na mesma espessura | Ductilidade ligeiramente inferior devido à maior resistência, mas ainda adequada para conformação |
| Tenacidade ao Impacto | Especificada pelos requisitos de entalhe Charpy V quando necessário; boa com processamento apropriado | Pode atender a tenacidade igual ou superior dependendo do processamento; frequentemente especificada para seções mais espessas e de alta pressão |
| Dureza | Ligeiramente inferior | Ligeiramente superior |
Interpretação: - A classe 70 fornece margens de resistência mais altas, permitindo seções mais finas para a mesma pressão ou pressões permitidas mais altas para a mesma espessura. - A tenacidade é controlada pela química, espessura e processamento da usina — um Gr70 processado corretamente pode ter tenacidade igual ou superior ao Gr60, mas à medida que a resistência aumenta, atenção cuidadosa à tenacidade em entalhes e testes de impacto é necessária. - Os projetistas devem consultar os certificados de propriedades mecânicas reais e os testes de impacto exigidos (temperatura, energia) para sua aplicação.
5. Soldabilidade
Considerações sobre soldabilidade dependem do teor de carbono, capacidade de endurecimento e ligações residuais. Duas fórmulas comuns de equivalente de carbono usadas para estimar a soldabilidade são mostradas abaixo e devem ser usadas qualitativamente:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
e
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação: - Valores mais baixos de $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ indicam soldabilidade mais fácil e menor risco de trincas a frio; ambas as classes A516 geralmente têm equivalentes de carbono baixos a moderados. - A classe 70 pode ter um equivalente de carbono ligeiramente mais alto do que a classe 60, dependendo da química e do processamento, portanto, o pré-aquecimento e as temperaturas de interpassagem controladas podem ser mais comumente recomendados para seções mais espessas ou soldagem a baixa temperatura ambiente. - O tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) é raramente exigido para a maioria das placas de vasos de aço carbono, mas pode ser exigido por códigos de projeto ou condições de serviço; as decisões devem seguir os requisitos do código ASME e as qualificações do procedimento de soldagem.
6. Corrosão e Proteção Superficial
- As classes 60 e 70 do A516 são aços carbono não inoxidáveis; a resistência à corrosão inerente é limitada ao aço base e ao ambiente. As estratégias de proteção contra corrosão incluem revestimentos (tintas, epóxis), galvanização (imersão a quente ou primers ricos em zinco) e proteção catódica para serviço enterrado ou imerso.
- Os índices de corrosão de aço inoxidável, como PREN, não são aplicáveis ao A516 porque não é uma liga resistente à corrosão. Para referência, o PREN é calculado como:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
mas este índice se aplica apenas a aços inoxidáveis austeníticos e duplex. - A seleção da proteção superficial deve considerar o fluido de operação, temperatura e desgaste mecânico. Para ambientes agressivos, considere materiais inoxidáveis ou soluções revestidas/forradas em vez de depender de aço carbono simples.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Conformabilidade
- Corte: Ambas as classes cortam e cortam a plasma facilmente; o corte a plasma e a laser são comuns. A resistência ligeiramente maior no Gr70 pode exigir um pouco mais de força ou desgaste da ferramenta.
- Dobra/Conformação: O Gr60 é tipicamente mais tolerante para operações de conformação devido à ductilidade ligeiramente maior na mesma espessura. O Gr70 pode ser conformado, mas pode exigir raios de dobra maiores ou menor deformação de dobra.
- Maquinabilidade: Nenhuma das classes é uma liga de alta maquinabilidade; ferramentas padrão e taxas de alimentação se aplicam. A resistência ligeiramente maior no Gr70 pode aumentar o desgaste da ferramenta.
- Acabamento superficial (moagem, polimento) se comporta de maneira semelhante para ambas as classes; os tratamentos pré e pós-soldagem são semelhantes.
8. Aplicações Típicas
| A516 Classe 60 — Usos Típicos | A516 Classe 70 — Usos Típicos |
|---|---|
| Tanques de armazenamento, vasos de pressão de baixa a moderada, partes de caldeiras onde a tenacidade é priorizada em relação à pressão máxima permitida | Caldeiras e vasos de pressão de alta pressão, tanques e reatores onde tensões permitidas mais altas ou seções mais finas são desejadas |
| Componentes fabricados onde a melhor conformabilidade é útil | Aplicações que exigem maior tensão de projeto ou economia de peso através da redução da espessura |
| Serviço a baixa temperatura com testes de impacto apropriados, se necessário | Placas mais espessas e serviço de alta pressão com processamento controlado para manter a tenacidade |
Racional de seleção: - Escolha a classe cuja combinação de resistência e tenacidade atenda à tensão de projeto, margens de segurança exigidas e requisitos de temperatura de impacto, minimizando ao mesmo tempo o custo e a complexidade da fabricação.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo: A classe 70 normalmente tem um pequeno prêmio sobre a classe 60 devido à maior resistência e, às vezes, ao processamento mais controlado (TMCP). No entanto, se a classe 70 permitir uma placa mais fina para atender ao mesmo projeto, o custo total do material e o custo de fabricação podem ser menores.
- Disponibilidade: Ambas as classes são amplamente produzidas e disponíveis em espessuras e larguras padrão de placas de vaso de pressão. A disponibilidade de espessuras específicas, acabamentos superficiais e testes de impacto certificados a baixas temperaturas varia de acordo com a usina; a aquisição deve confirmar os prazos de entrega e as certificações de teste.
10. Resumo e Recomendação
Tabela de resumo (qualitativa):
| Critério | A516 Gr60 | A516 Gr70 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Excelente (ligeiramente mais fácil) | Muito boa (pode exigir mais pré-aquecimento para seções espessas) |
| Equilíbrio Resistência–Tenacidade | Muito bom para aplicações gerais | Maior resistência; pode igualar a tenacidade se processado corretamente |
| Custo | Custo de material mais baixo | Custo de material mais alto, mas pode reduzir o peso/custo total através de seções mais finas |
Recomendações: - Escolha a classe A516 60 se: - O projeto favorecer maior ductilidade e facilidade de fabricação. - As pressões de operação e tensões permitidas forem moderadas e permitirem o uso da classe de menor resistência. - O controle de custos e procedimentos de soldagem mais simples forem prioridades. - Os requisitos de tenacidade a baixa temperatura puderem ser atendidos com o processamento da classe 60.
- Escolha a classe A516 70 se:
- For necessária maior resistência mínima para atender aos requisitos de pressão ou estruturais, ou se a redução de peso através de placas mais finas for desejável.
- O projetista exigir valores de tensão permitida mais altos para o projeto do vaso e estiver preparado para especificar testes de impacto apropriados e possivelmente controles de soldagem mais rigorosos.
- A usina puder fornecer Gr70 com a tenacidade exigida (via TMCP ou laminação controlada).
Nota final: Ambas as classes são apropriadas para construção de vasos de pressão quando especificadas e fornecidas de acordo com o ASTM A516 e o código aplicável (ASME). Para qualquer seleção crítica, os engenheiros devem revisar a especificação atual ASTM/ASME, exigir relatórios de teste da usina (químicos e mecânicos), verificar a documentação de teste de impacto na temperatura de serviço exigida e validar os procedimentos de soldagem para a classe e espessura escolhidas.