D vs E – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura frequentemente enfrentam o trade-off entre resistência, tenacidade, soldabilidade, resistência à corrosão e custo ao selecionar um grau de aço. Decisões comumente surgem em contextos como especificação de vasos de pressão, estruturas estruturais em climas frios, equipamentos submarinos e maquinário pesado, onde o desempenho do material sob carga e extremos de temperatura deve ser equilibrado com o custo de fabricação e ciclo de vida.

Este artigo compara duas famílias de graus prototípicos designadas aqui como "D" e "E". A comparação é prática, em vez de estar vinculada a um único padrão: o Grau D representa aços otimizados para maior resistência e endurecibilidade através de adições de carbono e liga; o Grau E representa aços adaptados para desempenho superior em baixas temperaturas (melhor tenacidade) usando ligações e processamento que reduzem a sensibilidade a entalhes. Os dois são comumente comparados quando os projetistas devem escolher entre capacidade máxima de carga e tenacidade garantida em ambientes de serviço a frio.

1. Normas e Designações

Identificadores de grau com letras, como D e E, aparecem em várias especificações e podem corresponder a diferentes requisitos químicos e mecânicos, dependendo do corpo padrão e da forma do produto. Normas típicas e como tratam os graus com letras incluem:

• ASTM / ASME: Graus com letras aparecem em algumas especificações de materiais (por exemplo, aços para vasos de pressão, graus temperados e revenidos). O mapeamento de uma letra para uma composição/requisito mecânico é específico da especificação.
• EN (Europeia): Usa designações numéricas X−XX (por exemplo, X70), mas tipos com letras são às vezes usados em especificações nacionais ou da indústria; comparações funcionais semelhantes (resistência vs. tenacidade) se aplicam.
• JIS (Japonesa) e GB (Chinesa): Empregam classificações numéricas e com letras em certas famílias de produtos; a intenção funcional de um grau (resistência, tenacidade, resistência à corrosão) é documentada em cada norma.
• Outras normas da indústria ou OEM: Podem definir "Grau D" ou "Grau E" para equipamentos particulares com química e propriedades sob medida.

Classificação funcional: - Grau D: tipicamente se enquadra nas categorias de aço liga / HSLA / temperado e revenido—projetado para maximizar resistência e propriedades de desgaste/dureza. - Grau E: tipicamente um aço carbono focado em tenacidade a baixas temperaturas ou um aço de baixa liga com níquel/microligação e impurezas controladas—projetado para serviço criogênico ou subambiental.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

A tabela a seguir resume as estratégias comuns de liga para um grau otimizado para resistência (D) versus um grau otimizado para tenacidade a baixas temperaturas (E). Os valores são descritores qualitativos que indicam a abordagem típica, em vez de números exatos, padrão a padrão.

Elemento	Grau D (foco em resistência/endurecibilidade)	Grau E (foco em tenacidade a baixas temperaturas)
C (Carbono)	Moderado a alto (para aumentar a endurecibilidade e a resistência alcançável)	Baixo a moderado (para limitar a dureza da martensita e melhorar a tenacidade)
Mn (Manganês)	Médio (ajuda na endurecibilidade e resistência)	Médio (refina o grão, apoia a tenacidade)
Si (Silício)	Traço–moderado (desoxidação, pode aumentar a resistência)	Baixo–traço (mantido baixo quando a tenacidade é crítica)
P (Fósforo)	Controlado baixo (impureza)	Estritamente controlado baixo (sensível à tenacidade)
S (Enxofre)	Controlado baixo (compromisso de usinabilidade)	Muito baixo (sulfetos são locais de fragilização a baixas T)
Cr (Cromo)	Presente em quantidades moderadas em aços liga (melhora a endurecibilidade, resistência)	Baixo ou ausente (a menos que necessidades específicas de corrosão ou inoxidável)
Ni (Níquel)	Baixo–moderado (melhora a tenacidade e resistência à corrosão, mas aumenta o custo)	Frequentemente elevado (liga chave para melhorar a tenacidade a baixas temperaturas)
Mo (Molibdênio)	Usado para endurecibilidade e resistência a altas temperaturas	Baixo–moderado (pode refinar a microestrutura sem fragilizar)
V / Nb / Ti (microligação)	Presente para aumentar a resistência via precipitação e refinar o grão	Presente em quantidades controladas para refinar grãos e melhorar a tenacidade
B (Boro)	Adições de traço em alguns aços endurecíveis	Raro; controlado se presente para endurecibilidade sem fragilizar
N (Nitrogênio)	Controlado (combinado com Ti/Nb para formar nitretos estáveis)	Muito baixo ou estabilizado (N livre pode fragilizar)

Como a liga afeta as propriedades: - O aumento de C, Cr, Mo e certos elementos de microligação eleva a endurecibilidade e a resistência à tração/limite de escoamento, mas também aumenta o risco de fratura frágil se o tamanho do grão e a tenacidade não forem controlados. - Menor carbono combinado com níquel e controle rigoroso de P, S e N livre geralmente melhora as propriedades de impacto a baixas temperaturas, promovendo microestruturas dúcteis e reduzindo locais para iniciação de clivagem.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestruturas típicas e respostas ao tratamento térmico diferem pela intenção de projeto.

Grau D: - Microestruturas típicas após têmpera e revenido ou processamento termomecânico cuidadoso: martensita temperada, bainita e ferrita reforçada por microligação. - A química orientada para endurecibilidade apoia uma maior profundidade de endurecimento durante a têmpera, permitindo maior resistência em seções grossas. - A têmpera e revenido (Q&T) é uma rota comum: austenitizar → têmpera para formar martensita/bainita → revenido para ajustar a tenacidade vs. resistência.

Grau E: - A microestrutura é otimizada para uma matriz ferrítica/bainítica de grão fino com frações mínimas de martensita frágil. - O processamento de controle termomecânico (TMCP) ou laminação controlada seguida de resfriamento acelerado resulta em tamanho de grão refinado e resistência ao impacto melhorada. - Tratamentos térmicos priorizam o refino de grão e estratégias de revenido que preservam a ductilidade; a têmpera pesada é tipicamente evitada, a menos que seguida de revenido cuidadoso para restaurar a tenacidade.

Influência do processamento: - A normalização ajuda a refinar o tamanho do grão em ambos os graus; no entanto, o Grau D depende mais da transformação martensítica/bainítica para alcançar resistência, enquanto o Grau E depende do refino do grão e da química controlada para manter a tenacidade em baixas temperaturas. - O revenido de aços D de maior resistência deve ser cuidadosamente selecionado para evitar fragilização por revenido; os graus E focam em preservar a tenacidade a entalhes após qualquer exposição térmica.

4. Propriedades Mecânicas

A tabela abaixo resume o comportamento mecânico relativo; os valores são qualitativos (mais alto/mais baixo) e representativos das diferenças funcionais típicas, em vez de especificações numéricas específicas.

Propriedade	Grau D	Grau E
Resistência à Tração	Mais alta (projetado para maior resistência última)	Moderada (balanceada para tenacidade)
Limite de Escoamento	Mais alto (aumentado por ligações e tratamento térmico)	Moderado a alto (mas geralmente mais baixo que D para a mesma espessura)
Elongação (ductilidade)	Moderada a baixa (a resistência compromete a ductilidade)	Mais alta (projetado para manter a ductilidade em baixas temperaturas)
Tenacidade ao Impacto	Mais baixa em T muito baixas, a menos que tratado especialmente	Superior em temperaturas subambientais (menos queda de energia)
Dureza	Mais alta (dureza da superfície e do núcleo pode ser elevada)	Baixa a moderada (para evitar fragilização em T baixas)

Por que as diferenças: - O Grau D alcança maior resistência através de maior endurecibilidade e endurecimento por precipitação, o que tende a reduzir a elongação uniforme e a tenacidade ao impacto, a menos que extensivo revenido e controle microestrutural sejam usados. - O Grau E minimiza fases frágeis e concentrações de impurezas, e frequentemente inclui níquel ou microligação refinadora de grão; isso mantém alta energia de impacto em baixas temperaturas, sacrificando alguma resistência última.

5. Soldabilidade

A soldabilidade depende principalmente do equivalente de carbono e controle de impurezas. Dois índices comumente usados:

• $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$

• $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$

Interpretação: - Maior $CE_{IIW}$ ou $P_{cm}$ indica maior endurecibilidade e maior risco de fratura a frio (assistida por hidrogênio) na zona afetada pelo calor (HAZ), necessitando de pré-aquecimento, temperaturas de interpassagem controladas e possivelmente tratamento térmico pós-solda (PWHT). - Efeito típico para esses graus: - Grau D: tende a mostrar maior conteúdo de carbono e liga → maior equivalente de carbono → procedimentos de soldagem mais rigorosos exigidos, incluindo pré-aquecimento e PWHT em seções mais grossas. - Grau E: projetado com menor carbono e equilíbrio cuidadoso de liga (frequentemente com níquel) → menor equivalente de carbono para um determinado nível de resistência → geralmente melhor soldabilidade e risco reduzido de fratura, mas os procedimentos de soldagem ainda devem ser controlados para preservar a tenacidade a baixas temperaturas. - A microligação (V, Nb, Ti) em qualquer grau pode exigir atenção para evitar crescimento de grão na HAZ ou precipitação que pode reduzir a tenacidade; o controle de hidrogênio durante a soldagem é crítico para ambos.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

Graus não inoxidáveis: - Tanto D quanto E são tipicamente não inoxidáveis; estratégias de proteção contra corrosão incluem galvanização, pintura, revestimentos em pó e tratamentos locais (por exemplo, metalização). - Adições de liga como Cr, Mo ou Ni em quantidades pequenas a moderadas podem melhorar a resistência geral à corrosão, mas não substituem a seleção de ligas inoxidáveis.

Variantes inoxidáveis ou especializadas em corrosão: - Se o Grau E ou D for uma variante inoxidável austenítica ou duplex, use PREN (Número Equivalente de Resistência à Fissuração) para avaliar a resistência à corrosão localizada: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ - PREN não é aplicável para aços carbono simples ou de baixa liga.

Escolhendo proteção: - Para serviço enterrado ou marinho onde tanto a tenacidade a baixas temperaturas quanto a resistência à corrosão são necessárias, pode ser necessário um grau de liga resistente à corrosão a baixa temperatura ou inoxidável; caso contrário, aplique revestimentos industriais combinados com proteção catódica e manutenção rotineira.

7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade

• Usinabilidade: O Grau D (maior resistência/dureza) é geralmente mais abrasivo para ferramentas e pode exigir velocidades mais lentas, graus de ferramentas mais resistentes e estratégias de resfriamento. O Grau E, com menor dureza, tipicamente é mais fácil de usinar.
• Formabilidade: A menor resistência ao escoamento e maior ductilidade do Grau E melhoram o desempenho de conformação a frio e dobra; o Grau D pode exigir raios maiores, conformação a quente ou recozimento antes da conformação para evitar fraturas.
• Acabamento de superfície: Graus mais duros podem exigir retificação ou jateamento para vida útil de fadiga; graus de tenacidade de menor dureza frequentemente aceitam tratamentos de superfície padrão mais prontamente.

8. Aplicações Típicas

Grau D – Usos Típicos	Grau E – Usos Típicos
Membros estruturais pesados onde alta resistência e tamanhos de seção reduzidos são necessários (pontes, guindastes)	Vasos criogênicos, armazenamento e transporte de GNL, tubulações e vasos de pressão a baixas temperaturas
Componentes resistentes ao desgaste, engrenagens, eixos e peças temperadas e revenidas	Plataformas offshore e estruturas submarinas que requerem tenacidade mantida em baixas temperaturas ambientes
Vasos de pressão de seção grossa onde maior tensão permitida economiza material	Tanques de armazenamento e estruturas onde o risco de fratura frágil deve ser minimizado em climas frios
Partes propensas à abrasão e estruturas de maquinário pesado	Juntas estruturais em climas frios, vagões-tanque ferroviários para carga criogênica

Racional de seleção: - Escolha o Grau D quando minimizar o tamanho da seção, melhorar a vida útil de fadiga sob alta tensão e aumentar a resistência ao desgaste for serem primordiais. - Escolha o Grau E quando as temperaturas de serviço se aproximarem ou caírem abaixo de 0°C (e especialmente perto de faixas criogênicas), e manter a resistência ao impacto e ductilidade for crítico para controle de fraturas.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo do material: O Grau D pode ser mais econômico em uma base de custo por desempenho quando a resistência permite redução de peso/espessura da seção. A adição de ligas e o tratamento térmico aumentam o custo em relação aos aços carbono básicos.
• O Grau E pode ser mais caro por tonelada se níquel ou outros elementos que possibilitam tenacidade forem usados; no entanto, as economias de ciclo de vida provenientes da redução do risco de fratura e menores custos de reparo/inspeção podem justificar o prêmio.
• Disponibilidade: Ambas as estratégias estão amplamente disponíveis de grandes fabricantes de aço, mas químicas específicas (por exemplo, aços de baixa temperatura com alto níquel) podem ter prazos de entrega e quantidades mínimas de pedido. Formas de produtos em chapa e tubo são comumente estocadas; itens temperados e revenidos sob medida podem ter restrições de prazo de entrega.

10. Resumo e Recomendação

Tabela de resumo (qualitativa):

Métrica	Grau D	Grau E
Soldabilidade	Moderada–desafiadora (maior CE)	Melhor (menor CE para espessura similar)
Equilíbrio Resistência–Tenacidade	Alta resistência / tenacidade moderada	Tenacidade otimizada a baixas T / resistência moderada
Custo	Moderado–alto (custo de processamento e liga)	Moderado–alto (pode incluir Ni)

Recomendações finais: - Escolha o Grau D se seu objetivo principal é maximizar a resistência estática e de fadiga, reduzir tamanhos de seção ou obter propriedades resistentes ao desgaste onde as temperaturas de operação estão dentro da faixa de revenido do material e o risco de fratura frágil a baixas temperaturas é gerenciado de forma aceitável pelo design e inspeção. - Escolha o Grau E se o serviço envolver temperaturas subambientais ou criogênicas, se a tenacidade à fratura em baixas temperaturas for uma restrição crítica de segurança, ou se você precisar de um material que tolere impacto e carga de entalhe sem uma perda acentuada de ductilidade.

Nota final: Sempre consulte a especificação exata do material (ASTM/EN/JIS/GB ou padrão OEM), realize uma avaliação de mecânica de fratura específica do local para componentes de serviço a frio e valide os procedimentos de soldagem e tratamento térmico com maquetes ou testes de procedimentos qualificados. As comparações qualitativas acima devem ser mapeadas para especificações reais de produtos e validadas pela documentação e testes do fornecedor para sua aplicação particular.