Q390 vs Q420 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

Q390 e Q420 são aços estruturais de alta resistência comumente especificados em mercados chineses e relacionados para aplicações de suporte de carga onde é necessária uma resistência ao escoamento maior do que a dos aços carbono convencionais. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de fabricação frequentemente precisam decidir entre essas duas classificações ao equilibrar resistência, tenacidade, soldabilidade, conformabilidade e custo. Os contextos típicos de seleção incluem fabricação pesada (pontes, guindastes e estruturas de jaqueta offshore), quadros suportantes de pressão e componentes estruturais que devem atender a metas mais rigorosas de escoamento ou redução de peso.

A principal diferença prática é que o Q420 é especificado para fornecer uma resistência mínima ao escoamento maior do que o Q390, o que afeta como o aço é produzido (ligação, processamento termomecânico ou tratamento térmico) e, portanto, influencia a tenacidade, soldabilidade e comportamento de conformação. Como ambos são classificados como aços de baixa liga de alta resistência (HSLA) em vez de aços inoxidáveis ou aços para ferramentas, as comparações se concentram nas trocas entre resistência e tenacidade, restrições de fabricação e medidas de proteção contra corrosão.

1. Normas e Designações

• Normas nacionais e internacionais comuns onde as classificações comparáveis são referenciadas:
• GB/T (China): Aços da série Q (por exemplo, Q390, Q420) são definidos em especificações chinesas para aços estruturais.
• EN (Europa): os equivalentes mais próximos são as classificações estruturais S, como S355 ou S420, dependendo das propriedades.
• JIS (Japão): sem correspondência direta; as classificações JIS se concentram em outras designações.
• ASTM/ASME (EUA): sem mapeamento direto de padrão único — use correspondência mecânica/propriedade (por exemplo, ASTM A572 para aços estruturais de alta resistência).
• Classificação: Tanto o Q390 quanto o Q420 são aços carbono HSLA (alta resistência e baixa liga) otimizados para aplicações estruturais. Eles não são aços inoxidáveis, para ferramentas ou aços de liga especiais.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

Tendências típicas de composição para aços da série Q HSLA enfatizam baixo carbono, além de pequenas adições controladas de manganês, silício e elementos de microliga para alcançar resistência enquanto preservam tenacidade e soldabilidade. A tabela abaixo fornece intervalos típicos indicativos (wt%). Sempre verifique a composição exata nos certificados da usina ou na norma aplicável para o material adquirido.

Tabela: Intervalos típicos de composição (wt%) — indicativos apenas; consulte a especificação ou certificado da usina para números exatos

Elemento	Q390 (intervalo típico, wt%)	Q420 (intervalo típico, wt%)
C	0.06 – 0.18	0.06 – 0.16
Mn	0.40 – 1.60	0.50 – 1.60
Si	0.10 – 0.50	0.10 – 0.50
P	≤ 0.035	≤ 0.035
S	≤ 0.035	≤ 0.035
Cr	0 – 0.50	0 – 0.50
Ni	0 – 0.30	0 – 0.30
Mo	0 – 0.10	0 – 0.10
V (microliga)	0 – 0.12	0 – 0.12
Nb (microliga)	0 – 0.08	0 – 0.08
Ti	0 – 0.02	0 – 0.02
B	0 – 0.002	0 – 0.002
N	0.005 – 0.020	0.005 – 0.020

Explicação - Carbono: Mantido baixo a moderado para limitar a endurecibilidade e preservar a soldabilidade; carbono ligeiramente mais baixo é às vezes usado em graus de maior resistência combinado com microligação ou laminação termomecânica. - Manganês e silício: Endurecedores e desoxidantes; o Mn contribui para a endurecibilidade e resistência à tração. - Microligação (V, Nb, Ti, B): Pequenas adições permitem o endurecimento por precipitação e o refino de grãos, permitindo maior resistência ao escoamento sem grandes aumentos no carbono ou em outros elementos de liga que prejudicariam a soldabilidade. - Liga menor (Cr, Ni, Mo): Usada apenas quando uma dureza ou resistência ambiental específica é necessária.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

A microestrutura tanto do Q390 quanto do Q420 é tipicamente uma mistura fina de ferrita–pearlita ou ferrita–bainita, dependendo da rota de processamento: - Laminado/normalizado: Uma matriz ferrítica fina com perlita dispersa é comum; a normalização refina o tamanho do grão e melhora a tenacidade. - Processamento termomecânico (TMCP): A laminação controlada e o resfriamento acelerado promovem ferrita poligonal fina e bainita, permitindo maior escoamento com menor teor de liga — uma rota comum para o Q420. - Resfriamento e tempera: Não é típico para graus estruturais Q, mas usado quando uma combinação ajustada de alta resistência e tenacidade é necessária; produz martensita temperada ou bainita temperada e maior dureza. - Precipitação de microliga: Precipitados de Nb, V e Ti fixam os limites de grão e inibem a recristalização, proporcionando resistência através do refino de grãos e endurecimento por precipitação com aumento mínimo de carbono.

Efeito do processamento - O Q420 geralmente depende mais do TMCP e da microligação para alcançar a maior resistência garantida enquanto preserva a tenacidade; isso pode produzir uma proporção ligeiramente maior de microestrutura bainítica em comparação com o Q390 sob processamento equivalente. - O tratamento térmico (normalização vs resfriamento e tempera) pode mudar significativamente a tenacidade e dureza; seções mais espessas têm resfriamento mais lento e, portanto, microestrutura mais grosseira e menor tenacidade.

4. Propriedades Mecânicas

Tabela: Intervalos típicos de propriedades mecânicas (indicativos; dependentes da espessura, processamento e norma)

Propriedade	Q390 (típico)	Q420 (típico)
Resistência mínima ao escoamento (Rp0.2)	≈ 390 MPa (especificado)	≈ 420 MPa (especificado)
Resistência à tração (Rm)	~ 470 – 630 MPa	~ 520 – 680 MPa
Alongamento (A, % em 50 mm)	~ 20 – 26%	~ 17 – 22%
Tenacidade ao impacto (Charpy V‑notch, J)	Dependente da aplicação/classificação; frequentemente especificado a 0°C a −20°C; típico 27 – 47 J	Faixa semelhante, mas tende a ser menor em média na mesma espessura/processamento
Dureza (HB)	Tipicamente menor que o Q420 para o mesmo processamento	Ligeiramente maior, refletindo maior resistência

Interpretação - Resistência: O Q420 fornece maior resistência mínima ao escoamento por especificação. Alcançar essa resistência sem sacrificar a tenacidade tende a depender do TMCP e da microligação em vez de aumentar significativamente o teor de carbono. - Tenacidade vs ductilidade: Para o mesmo processamento, o Q420 pode ser modestamente menos dúctil e pode mostrar menor energia de impacto do que o Q390; controle cuidadoso da laminação e resfriamento é necessário para manter a tenacidade aceitável em seções mais espessas. - Implicação de design: Use Q420 onde a margem contra escoamento é importante ou onde a redução de peso é buscada. Use Q390 quando uma ductilidade ou tenacidade ao impacto ligeiramente melhor for necessária com menor custo.

5. Soldabilidade

A soldabilidade é governada principalmente pelo teor de carbono, ligações combinadas (endurecibilidade) e microligação. Dois índices empíricos comumente usados são o equivalente de carbono IIW e a fórmula Pcm:

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

• Fórmula Pcm (para estimativa de suscetibilidade a trincas a frio): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação qualitativa - Tanto o Q390 quanto o Q420 são projetados com carbono relativamente baixo para suportar boa soldabilidade. No entanto, o Q420 pode ter uma endurecibilidade efetiva ligeiramente maior devido à microligação e microestruturas induzidas pelo TMCP — aumentando o risco de formação de martensita nas zonas afetadas pelo calor (HAZ) para soldagem de alta entrada de calor ou seções mais espessas. - Use pré-aquecimento, temperaturas de interpassagem controladas e eletrodos consumíveis de baixo hidrogênio para placas ou juntas mais espessas com valores mais altos de Pcm/CE. O tratamento térmico pós-solda (PWHT) pode ser necessário para aplicações críticas. - Para soldagem rotineira em oficina de espessuras finas a moderadas, ambas as classificações são facilmente soldáveis com procedimentos apropriados; o Q420 geralmente requer maior atenção ao design da junta e controle de calor.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Nenhum dos dois, Q390 ou Q420, são aços inoxidáveis; ambos estão sujeitos à corrosão atmosférica e química como a maioria dos aços carbono.
• Estratégias de proteção padrão: galvanização a quente, revestimentos de lamelas de zinco, sistemas de pintura epóxi/uretano, proteção catódica para ambientes marinhos/offshore e detalhes de design resistentes à corrosão (drenagem, segregação de metais diferentes).
• PREN não é aplicável: Para aços inoxidáveis, o Número Equivalente de Resistência à Perfuração é relevante: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Este índice não é usado para aços carbono/HSLA; portanto, o PREN não deve ser aplicado ao Q390/Q420.

7. Fabricação, Maquinabilidade e Conformabilidade

• Conformabilidade: O Q390 de menor resistência geralmente tem melhor conformabilidade a frio (dobrabilidade, conformação por prensa) do que o Q420 em espessuras equivalentes devido à maior ductilidade. O Q420 pode exigir raios de dobra maiores ou forças de conformação mais altas.
• Maquinabilidade: Ambas as classificações são semelhantes; a maquinabilidade é aceitável, mas diminui com a resistência. A maior resistência (Q420) geralmente aumenta o desgaste das ferramentas e exige ferramentas e parâmetros de corte mais robustos.
• Tolerância de corte/solda: O Q420 pode ser mais sensível à falta de planicidade e ao retorno elástico devido à maior resistência ao escoamento; as tolerâncias de fabricação devem levar isso em conta.
• Acabamento de superfície: Ambos aceitam bem tintas e galvanização; pré-tratamento e preparação de superfície são padrão.

8. Aplicações Típicas

Tabela: Usos típicos por classificação

Q390 (usos típicos)	Q420 (usos típicos)
Vigas, colunas e quadros estruturais gerais onde a eficiência de custo e boa ductilidade são priorizadas	Componentes de guindaste, vigas pesadas e membros de ponte onde maior resistência reduz o tamanho e o peso da seção
Chassis e estruturas de veículos de médio porte	Membros de jaqueta offshore e componentes de plataforma onde maior relação resistência/peso é crítica (com proteção contra corrosão)
Equipamentos agrícolas e de construção	Componentes estruturais de alta carga (elevadores, guinchos, maquinário pesado) onde as margens contra escoamento plástico são mais apertadas
Tanques de armazenamento e conchas estruturais não pressurizadas (com proteção apropriada)	Membros fabricados projetados para redução de peso em estruturas de transporte

Racional de seleção - Escolha Q420 quando o design exigir maior resistência ao escoamento para redução de peso, seções menores ou para atender a demandas estruturais mais altas. O Q420 é preferido quando a oficina de fabricação pode controlar os procedimentos de solda e a forma para o material de maior resistência. - Escolha Q390 quando uma ductilidade ligeiramente melhor, conformação mais fácil e menor custo/risco de fornecimento forem prioridades.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo: O Q420 é tipicamente mais caro que o Q390 por tonelada devido a maiores demandas de processamento (TMCP, controle de microligação) e garantias de propriedades mais rigorosas. A diferença de preço varia conforme a usina, região e forma do produto (placa, bobina, seção).
• Disponibilidade: O Q390 tende a ser mais comumente estocado em usinas estruturais gerais e distribuidores. O Q420 pode estar mais disponível em regiões com alta demanda por aços HSLA; no entanto, formas ou espessuras de produtos especializados podem exigir tempo de espera para ambas as classificações.

10. Resumo e Recomendação

Tabela: Comparação rápida

Critério	Q390	Q420
Soldabilidade	Boa; margem ligeiramente melhor em seções espessas	Boa, mas requer controle de calor mais rigoroso para seções mais espessas
Equilíbrio Resistência–Tenacidade	Equilibrado em direção à ductilidade/tenacidade	Maior resistência ao escoamento; pode trocar alguma ductilidade/tenacidade
Custo (relativo)	Menor	Maior

Recomendações - Escolha Q390 se: você precisa de um aço HSLA econômico com boa ductilidade e conformação/solda mais fáceis para cargas estruturais moderadas; quando a velocidade de fabricação e menor desgaste de ferramentas são prioridades; ou quando a disponibilidade em estoque e menor preço são decisivas. - Escolha Q420 se: seu design exigir uma maior resistência ao escoamento garantida para reduzir o tamanho da seção ou peso, ou quando as margens estruturais contra escoamento devem ser aumentadas; desde que seus procedimentos de fabricação e soldagem possam controlar a entrada de calor e você aceite um aumento modesto no custo do material.

Nota final Sempre especifique a norma exata, limites de espessura, energia de impacto necessária (temperatura) e qualificações de procedimento de solda nos documentos de aquisição. Certificados da usina e relatórios de teste de lote devem ser revisados para garantir que a química e os resultados mecânicos entregues atendam às restrições de desempenho e fabricação do projeto.