Q355 vs Q390 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
Q355 e Q390 são aços estruturais de alta resistência amplamente utilizados na construção, equipamentos pesados e fabricação geral. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura frequentemente ponderam as compensações entre custo do material, soldabilidade, tenacidade e limite de escoamento mínimo ao selecionar entre eles. Os contextos típicos de decisão incluem escolher um grau de menor custo para estruturas estruturais soldadas versus selecionar um grau de maior resistência para reduzir o tamanho ou peso da seção sob a mesma carga.
A principal distinção entre os dois é sua designação de resistência: Q390 é especificado para um limite de escoamento mínimo mais alto do que o Q355, o que gera diferenças em processamento, estratégia de microligação, controle de tenacidade e prática de fabricação. Esses aços são comumente comparados porque ocupam níveis de resistência adjacentes nas linhas de produtos de aço estrutural e frequentemente competem em desempenho por custo para estruturas soldadas e moldadas.
1. Normas e Designações
- Principais normas onde esses graus aparecem ou têm equivalentes próximos:
- GB/T (China): Q355, Q390 (aços estruturais).
- EN (Europa): resistências comparáveis são encontradas nas séries S355 e S420, mas os requisitos químicos e mecânicos diferem.
- ASTM/ASME (EUA): sem equivalentes diretos exatos; os graus comuns mais próximos incluem ASTM A572 (Graus 50/60) e A656 (normalizado), mas a equivalência deve ser verificada por dados químicos e mecânicos.
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JIS (Japão): existem aços estruturais de alta resistência semelhantes, mas novamente a referência cruzada direta requer verificação.
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Classificação:
- Ambos Q355 e Q390 são aços de carbono estruturais de alta resistência e baixa liga (família HSLA). Eles não são aços inoxidáveis ou aços para ferramentas. Eles geralmente dependem de um teor de carbono controlado mais microligação (Nb, V, Ti) e processamento termo-mecânico para obter um equilíbrio de resistência e tenacidade.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
Nota: A química varia de acordo com o fornecedor, forma do produto e subgrau específico (por exemplo, Q355A/B/C/D/E). A tabela abaixo fornece a presença indicativa e intervalos típicos comumente encontrados em aços Q355 e Q390 comerciais; verifique os valores reais no certificado de teste do moinho (MTC) e norma aplicável antes do projeto ou soldagem.
| Elemento | Q355 (típico, indicativo) | Q390 (típico, indicativo) | Papel / Efeito |
|---|---|---|---|
| C (carbono) | Baixo a moderado (aproximadamente 0,05–0,22%) | Baixo a moderado (aproximadamente 0,06–0,22%) | Aumenta a resistência e dureza, reduz soldabilidade e tenacidade com o aumento do teor. |
| Mn (manganês) | 0,6–1,6% | 0,6–1,6% (frequentemente ligeiramente mais alto para endurecimento) | Fortalecedor, desoxidante; aumenta a endurecibilidade e a resistência à tração. |
| Si (silício) | 0,02–0,5% | 0,02–0,5% | Desoxidante; pequeno efeito sobre a resistência. |
| P (fósforo) | ≤0,035% (controlado) | ≤0,035% | Impureza; alto P reduz a tenacidade—mantido baixo. |
| S (enxofre) | ≤0,035% (controlado) | ≤0,035% | Impureza; reduz a ductilidade e a usinabilidade se alto. |
| Cr (cromo) | traço–baixo (se presente) | traço–baixo (se presente) | Melhora a endurecibilidade e a resistência quando presente. |
| Ni (níquel) | traço–baixo | traço–baixo | Tenacidade e resistência a baixas temperaturas quando adicionado. |
| Mo (molibdênio) | ≤0,1% (ocasionalmente adicionado) | ≤0,1% (ocasionalmente adicionado) | Melhora a endurecibilidade e a resistência ao fluência. |
| V (vanádio) | microligado (ppm–0,1%) | microligado (ppm–0,1%) | Precipita carbonetos/nitretos para fortalecimento; melhora o refino de grão. |
| Nb (niobio) | microligado (ppm–0,05%) | microligado (ppm–0,05%) | Controla a recristalização em TMCP, aumenta o limite de escoamento por meio do endurecimento por precipitação. |
| Ti (titânio) | possível microligação (ppm) | possível microligação (ppm) | Controla N, refina o grão. |
| B (boro) | traço (se usado) | traço (se usado) | Adições muito pequenas aumentam a endurecibilidade. |
| N (nitrogênio) | controlado (ppm) | controlado (ppm) | Atinge a precipitação; combinado com Ti/Nb para formar nitretos para resistência. |
Resumo da estratégia de liga: - O Q355 é tipicamente produzido com carbono e Mn modestos e depende de laminação controlada e/ou normalização para alcançar um equilíbrio de limite de escoamento, ductilidade e tenacidade. - O Q390 frequentemente utiliza química base semelhante, mas pode incorporar microligação mais alta ou Mn/endurecimento ligeiramente ajustados para alcançar o limite de escoamento mínimo mais alto, mantendo a tenacidade—comumente alcançado por meio de processamento termo-mecânico controlado (TMCP) e precipitação de microligação em vez de grandes aumentos de carbono.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
- Microestruturas típicas:
- Q355: matriz de ferrita–pearlita para produtos convencionais laminados a quente ou normalizados; ferrita mais fina e dispersão de precipitados de microligação quando TMCP é utilizado.
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Q390: ferrita de grão mais fino com uma proporção controlada de bainita em alguns produtos TMCP; o fortalecimento por precipitação controlada de Nb/V/Ti é comum para aumentar o limite de escoamento sem sacrificar a tenacidade.
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Efeitos do tratamento térmico e processamento:
- A normalização refina o tamanho do grão, melhora a tenacidade e homogeneiza a estrutura—usada quando propriedades de impacto melhoradas são necessárias.
- O resfriamento e tempera não são típicos para formas de produtos estruturais padrão Q355/Q390, mas podem ser usados para chapas ou componentes sob medida para alcançar maior resistência e tenacidade ajustada.
-
TMCP (processamento termo-mecânico controlado) é comum para ambas as classes para alcançar alta resistência e boa tenacidade a baixas temperaturas por meio de laminação controlada, resfriamento acelerado e precipitação de microligação—particularmente eficaz para Q390 para atender a metas de limite de escoamento mais altas sem aumentar significativamente o carbono.
-
Nota prática: Ambas as classes são projetadas para condições como-laminadas ou normalizadas; tratamentos térmicos de endurecimento total geralmente são desnecessários e podem comprometer a soldabilidade e ductilidade sem controle preciso do processo.
4. Propriedades Mecânicas
A tabela a seguir apresenta intervalos representativos de propriedades mecânicas comumente encontrados em produtos de chapa e bobina comerciais. Os valores dependem da espessura, subgrau (A/B/C/D/E) e processamento—sempre verifique com os certificados de teste do fornecedor.
| Propriedade | Q355 (típico, indicativo) | Q390 (típico, indicativo) |
|---|---|---|
| Limite de escoamento mínimo (MPa) | ~355 MPa | ~390 MPa |
| Resistência à tração (MPa) | ~470–630 MPa (varia com o tratamento e espessura) | ~490–650+ MPa (varia com o tratamento e espessura) |
| Alongamento (A%) | Faixa de ductilidade mais alta; por exemplo, típico 20%+ para chapas mais finas | Levemente reduzido em comparação com Q355; por exemplo, frequentemente baixo a médio-dezenas até 20% dependendo do produto |
| Tenacidade ao impacto Charpy | Boa (se especificado e produzido com TMCP/normalização adequada) | Requer mais atenção ao processamento para atender à mesma especificação de impacto—possível, mas deve ser verificado |
| Dureza (HB/HRB) | Moderada | Geralmente ligeiramente mais alta para atender à resistência |
Interpretação: - O Q390 é o grau mais forte (maior limite de escoamento e frequentemente maior resistência à tração) por especificação. Alcançar isso requer controle microestrutural que pode reduzir ligeiramente a ductilidade e, a menos que controlado, pode afetar a tenacidade ao impacto—especialmente para seções mais espessas ou temperaturas de serviço mais frias. - O Q355 é geralmente mais dúctil e tolerante na fabricação, com maior facilidade de atingir a tenacidade especificada para seções mais espessas.
5. Soldabilidade
Fatores-chave: teor de carbono, equivalente de carbono, espessura e presença de elementos de microligação.
Índices empíricos úteis (interprete e use qualitativamente; calcule com a química real para qualificação do procedimento de soldagem): - Equivalente de carbono do Instituto Internacional de Soldagem: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm para avaliação de soldabilidade: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa: - Tanto Q355 quanto Q390 são projetados para boa soldabilidade em comparação com aços para ferramentas de maior carbono; no entanto, a meta de maior resistência do Q390 geralmente significa ligeiramente maior endurecibilidade (de Mn ou microligação), o que pode aumentar $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ em comparação com Q355. - Implicações práticas: - As temperaturas de pré-aquecimento e interpassagem podem precisar ser mais altas para seções grossas de Q390 para evitar trincas a frio. - A seleção de consumíveis de soldagem e procedimentos (correspondendo à resistência, tenacidade do metal de adição apropriado) deve ser determinada pela qualificação do procedimento usando valores reais do MTC. - O tratamento térmico pós-soldagem raramente é necessário para seções finas, mas pode ser necessário para soldagens grossas ou onde existem condições de serviço críticas.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Nenhum dos dois, Q355 ou Q390, são aços inoxidáveis; a resistência à corrosão é típica de aços carbono.
- Métodos comuns de proteção:
- Galvanização a quente para proteção atmosférica de longo prazo.
- Sistemas de pintura, primers e revestimentos adaptados ao ambiente (marinho, industrial, rural).
- Revestimento ou metalização para ambientes severos.
- Se propriedades inoxidáveis ou resistentes à corrosão forem necessárias, selecione uma liga inoxidável apropriada; PREN não se aplica a Q355/Q390. Para referência, PREN para ligas inoxidáveis é: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Esclarecimento: PREN é irrelevante para aços HSLA de carbono simples—use estratégias de revestimento ou ligas resistentes à corrosão em vez disso.
7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade
- Corte: Ambos os graus são facilmente cortados a oxigênio-combustível, plasma e laser; a qualidade da borda e a escala dependem da espessura e do método de corte.
- Formação/dobra: O Q355 geralmente tem melhor formabilidade (raio de dobra mínimo maior) devido ao seu limite de escoamento nominal mais baixo. O Q390 pode ser formado, mas requer raios de dobra maiores ou práticas de formação incremental para evitar trincas; o retorno elástico aumenta com a resistência.
- Usinabilidade: A maior resistência (e a microligação associada) no Q390 pode reduzir ligeiramente a usinabilidade em comparação com o Q355; selecione ferramentas e velocidades de acordo.
- Acabamento de superfície: Ambos aceitam tratamentos de superfície comuns (jato de areia, primer, pintura); soldagem e fabricação podem alterar localmente as propriedades e requerer atenção ao controle de distorção.
8. Aplicações Típicas
| Q355 — Usos Comuns | Q390 — Usos Comuns |
|---|---|
| Vigas estruturais, colunas, pontes com requisitos de resistência padrão | Estruturas onde a redução de peso é necessária por meio de seções mais finas a um limite de escoamento mais alto |
| Fabricação geral de aço, estruturas, suportes, tanques (não pressurizados) | Estruturas de máquinas pesadas onde maior relação resistência-peso é desejável |
| Estruturas soldadas onde alta tenacidade e boa soldabilidade são priorizadas | Trilhos de guindaste, componentes de chassi de alta carga e designs que otimizam o módulo de seção |
| Tubos e perfis para construção geral (quando especificado) | Aplicações que requerem um aumento no limite de escoamento com tenacidade controlada via TMCP |
Racional de seleção: - Use Q355 quando ductilidade, soldabilidade e custo forem preocupações dominantes e as cargas de projeto forem atendidas pelo limite de escoamento de 355 MPa. - Use Q390 quando um limite de escoamento mínimo mais alto permitir a redução do tamanho ou peso da seção e quando o processo de fabricação e os procedimentos de soldagem forem controlados para garantir tenacidade e evitar trincas.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo: O Q390 é tipicamente um pouco mais caro por tonelada do que o Q355 devido ao controle de processamento mais rigoroso e à potencial microligação adicional. O prêmio de preço varia de acordo com o mercado, fornecedor e forma do produto.
- Disponibilidade: O Q355 é mais comumente estocado e disponível em uma gama mais ampla de formas e espessuras de produtos. A disponibilidade do Q390 depende da produção regional do moinho e da demanda do cliente; longos prazos de entrega podem ocorrer para espessuras incomuns ou graus de chapa de tolerância apertada.
10. Resumo e Recomendação
| Atributo | Q355 | Q390 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Muito boa (mais tolerante) | Boa, mas requer mais atenção (maior potencial de endurecimento) |
| Equilíbrio Resistência–Tenacidade | Boa ductilidade e tenacidade para muitas aplicações | Maior resistência, requer controle de processo para igualar a tenacidade |
| Custo | Mais baixo (geralmente) | Mais alto (geralmente) |
Recomendação: - Escolha Q355 se precisar de um aço estrutural econômico com soldabilidade confiável, maior ductilidade e ampla disponibilidade—ideal quando os limites de projeto permitem um mínimo de 355 MPa e a facilidade de fabricação é importante. - Escolha Q390 se precisar de um limite de escoamento mínimo mais alto para reduzir o tamanho ou peso da seção e estiver preparado para controlar o processamento, procedimentos de soldagem e possivelmente condições de pré-aquecimento/interpassagem para manter a tenacidade necessária—ideal para estruturas de alta carga onde a resistência do material oferece vantagens claras de projeto ou peso.
Nota prática final: Sempre confirme a composição química exata e as propriedades mecânicas a partir do certificado de teste do moinho e assegure que os procedimentos de soldagem sejam qualificados para o lote de material real, espessura e condições de serviço pretendidas.