Q390 vs Q420 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
Q390 e Q420 são dois aços estruturais de alta resistência comumente especificados, utilizados em construção, maquinário pesado e indústrias de fabricação. Engenheiros e equipes de compras frequentemente escolhem entre eles ao equilibrar requisitos de resistência, complexidade de fabricação e custo do ciclo de vida: por exemplo, selecionando um grau de custo mais baixo com melhor soldabilidade em comparação a um grau de maior resistência que reduz o tamanho e o peso da seção.
A principal distinção técnica é que o Q420 é especificado para uma resistência mínima ao escoamento mais alta do que o Q390, e alcançar essa resistência mais alta geralmente envolve um controle de composição mais rigoroso e estratégias de microligação/endurecimento mais fortes, que podem afetar a soldabilidade e o comportamento de conformação. Esses dois graus são, portanto, comparados quando os projetistas devem equilibrar maior resistência (e potenciais economias de peso) contra facilidade de fabricação e desempenho de tenacidade.
1. Normas e Designações
- As normas comuns que referenciam esses graus incluem:
- Norma chinesa GB/T 1591 — aços estruturais de baixa liga de alta resistência (onde a designação Q se origina).
- Equivalentes/analógicos regionais podem ser especificados na documentação do projeto, mas Q390/Q420 são designações baseadas em rendimento do estilo GB, em vez de nomes ASTM.
- Classificação:
- Tanto o Q390 quanto o Q420 são aços carbono HSLA (alta resistência e baixa liga) projetados principalmente para aplicações estruturais (não aços inoxidáveis ou aços para ferramentas).
- Não são aços inoxidáveis; são aços estruturais à base de carbono com microligação e química controlada.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
- Ambos os graus utilizam uma base de baixo carbono com liga controlada e podem incluir elementos de microligação (V, Nb, Ti, B) ou pequenas adições de Cr/Mo em algumas variantes fornecidas. Os limites exatos variam de acordo com a edição da norma e o produtor; os certificados de usina devem sempre ser consultados.
| Elemento | Papel típico e presença em Q390 / Q420 |
|---|---|
| C (Carbono) | Baixo teor de carbono para preservar a soldabilidade e tenacidade; ambos os graus dependem de C controlado em vez de C alto para resistência. |
| Mn (Manganês) | Elemento principal de endurecimento e desoxidante; presente em quantidades modestas para aumentar a endurecibilidade e propriedades de tração. |
| Si (Silício) | Desoxidação e contribuição para resistência; mantido moderado para evitar problemas de soldabilidade. |
| P (Fósforo) | Mantido baixo como impureza para evitar fragilização e perda de tenacidade. |
| S (Enxofre) | Minimizado; pode estar presente em quantidades traço — controlado para usinabilidade, mas reduzido para tenacidade. |
| Cr (Cromo) | Normalmente baixo ou ausente; pequenas quantidades podem ser usadas em variantes específicas para melhorar a endurecibilidade. |
| Ni (Níquel) | Não típico em graus Q padrão; pode aparecer apenas em variantes especiais para tenacidade. |
| Mo (Molibdênio) | Ocasionalmente adicionado em pequenas quantidades em aços especialmente especificados para melhorar a endurecibilidade. |
| V (Vanádio) | Elemento comum de microligação para endurecimento por precipitação e refino de grão. |
| Nb (Nióbio) | Usado para refino de grão e endurecimento via microligação (comum em produtos TMCP). |
| Ti (Titânio) | Presente como desoxidante e para controlar N via TiN; contribui para tamanhos de grão fino quando utilizado. |
| B (Boro) | Quantidades muito pequenas, quando usadas, aumentam significativamente a endurecibilidade; controladas rigorosamente. |
| N (Nitrogênio) | Controlado; interage com Ti/Nb para formar nitretos estáveis que afetam o tamanho do grão e a tenacidade. |
Explicação: A principal estratégia de liga para Q390 e Q420 é manter baixo carbono e utilizar microligação (V, Nb, Ti e ocasionalmente B) combinada com processamento termo-mecânico para obter a resistência ao escoamento necessária com tenacidade e soldabilidade favoráveis. Variantes do Q420 projetadas para atender ao requisito de rendimento mais alto podem depender um pouco mais de microligação ou controle termomecânico, o que pode aumentar a endurecibilidade em relação ao Q390.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
- Microestruturas típicas:
- Produtos laminados a quente ou TMCP (processamento termo-mecânico controlado): fina ferrita-perlita ou ferrita com frações bainíticas controladas dependendo das taxas de resfriamento e adições de microligação.
- O Q390 frequentemente atinge a resistência necessária com uma microestrutura predominantemente ferrítica fina e precipitados dispersos de Nb/V/Ti.
- O Q420 pode incluir uma fração maior de produtos de transformação a baixa temperatura (bainita fina ou ilhas de martensita temperada) em algumas rotas de processamento para alcançar o rendimento mais alto.
- Resposta ao tratamento térmico:
- Normalização: refina o tamanho do grão de austenita anterior e pode melhorar a tenacidade; ambos os graus respondem à normalização com melhor uniformidade, mas os ganhos dependem da espessura e composição.
- Resfriamento e tempera: não é tipicamente usado para graus Q padrão (preocupações de custo e distorção), mas a têmpera subcrítica/resfriamento controlado pode produzir maior resistência e tenacidade se necessário.
- TMCP: a rota mais comum — laminação controlada seguida de resfriamento acelerado produz estruturas de grão fino e endurecimento por dispersão; é eficaz para ambos os graus, mas os cronogramas de tratamento térmico do Q420 são otimizados para garantir o rendimento mais alto sem sacrificar a tenacidade ao impacto.
4. Propriedades Mecânicas
Nota: As propriedades mecânicas dependem da espessura, processamento (TMCP, normalizado) e temperatura de teste. O valor de rendimento no nome do grau denota a resistência mínima garantida ao escoamento em MPa sob condições de teste especificadas.
| Propriedade | Q390 (típico) | Q420 (típico) |
|---|---|---|
| Resistência Mínima ao Escoamento (MPa) | 390 (especificado) | 420 (especificado) |
| Resistência à Tração (MPa) | Moderada; margem acima do rendimento varia com o processamento (faixas comuns dependem da especificação da usina e espessura) | Faixa de tração geral mais alta necessária para manter a ductilidade em rendimento mais alto |
| Alongamento (%) | Ductilidade geralmente boa para aços estruturais (depende da espessura) | Ductilidade ligeiramente reduzida em relação ao Q390 para processamento equivalente, se maior resistência for alcançada por microligação/endurecimento |
| Tenacidade ao Impacto (J a uma determinada temperatura) | Boa quando TMCP e baixo C são usados; mantém a tenacidade em temperaturas de serviço comuns | Semelhante ou ligeiramente inferior se maior endurecibilidade aumentar a suscetibilidade a microestruturas frágeis, a menos que especificamente processado para tenacidade |
| Dureza (HB, típico) | Menor que Q420 para processamento semelhante | Maior devido ao maior rendimento; afeta a usinabilidade e resistência à indentação |
Interpretação: O Q420 é deliberadamente mais forte por especificação, e quando a resistência é alcançada principalmente através de microligação e processamento controlado, a tenacidade pode permanecer aceitável. No entanto, a meta de resistência mais alta estreita a janela de processamento: alcançar o Q420 pode aumentar a endurecibilidade, o que pode reduzir a soldabilidade intrínseca e a ductilidade se não for compensado por um cuidadoso design de liga e tratamento térmico.
5. Soldabilidade
- Considerações sobre soldabilidade giram em torno do teor de carbono, equivalente de carbono e a presença de elementos de microligação ou que aumentam a endurecibilidade.
- Índices úteis:
- Equivalente de carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- Pcm (parâmetro 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:
- Menor teor de carbono e valores de CE mais baixos indicam soldabilidade mais fácil com menor pré-aquecimento e risco reduzido de trincas a frio.
- O Q390, projetado com resistência ligeiramente mais baixa, frequentemente tem um CE mais baixo em comparação com variantes Q420 produzidas com microligação adicional ou maior Mn, tornando o Q390 geralmente mais fácil de soldar com menos pré-aquecimento.
- O Q420 pode ser soldado com sucesso, mas pode exigir temperaturas de pré-aquecimento/interpassagem mais conservadoras, controle de hidrogênio e tratamento térmico pós-solda (PWHT) em seções grossas para evitar zonas martensíticas duras e trincas a frio por hidrogênio.
- Recomendações práticas:
- Use consumíveis de baixo hidrogênio e pré-aqueça conforme necessário com base na espessura e CE/Pcm calculados.
- Para aplicações críticas, solicite dados de soldabilidade da usina e considere procedimentos de soldagem de qualificação em espessuras representativas.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Estes são aços HSLA de carbono — não são resistentes à corrosão da mesma forma que os aços inoxidáveis.
- Métodos típicos de proteção: galvanização a quente, eletrogalvanização de zinco (onde apropriado), revestimentos orgânicos (primer/camadas superiores) e revestimentos especializados para atmosferas industriais marinhas ou agressivas.
- PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) não é aplicável a graus Q porque não são aços inoxidáveis: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Este índice se aplica apenas a ligas inoxidáveis que contêm Cr, Mo e N significativos; não deve ser usado para Q390/Q420.
- Ponto de seleção: se a resistência à corrosão for um fator determinante do projeto, especifique sistemas de proteção ou considere ligas inoxidáveis/duplex em vez de confiar na química do aço base.
7. Fabricação, Usinabilidade e Conformabilidade
- Usinabilidade:
- Ambos os graus são usináveis com práticas padrão; maior resistência (Q420) geralmente aumenta o desgaste da ferramenta e pode exigir ajustes nas taxas de avanço/velocidade.
- Conformabilidade e dobra:
- Aços de menor rendimento (Q390) são geralmente mais fáceis de conformar e dobrar em raios apertados sem trincas; o Q420 pode exigir raios de dobra maiores ou métodos de conformação controlados.
- Corte e processos térmicos:
- O corte térmico (plasma/oxigênio-combustível) é semelhante para ambos os graus, mas as condições das bordas pós-corte e zonas afetadas pelo calor devem ser consideradas para fadiga ou soldas a jusante.
- Acabamento de superfície:
- Para pintura ou revestimento, a limpeza da superfície e o pré-tratamento são os mesmos; superfícies duras no Q420 podem influenciar o acabamento abrasivo.
8. Aplicações Típicas
| Q390 — Usos comuns | Q420 — Usos comuns |
|---|---|
| Estruturas de aço estrutural geral onde resistência alta moderada e boa soldabilidade são necessárias (estruturas de edifícios, pontes não críticas, plataformas) | Aplicações estruturais mais pesadas onde a economia de peso é importante (pontes de grande vão, guindastes pesados, grandes equipamentos de movimentação de terra) |
| Componentes estruturais onde a velocidade de fabricação e a facilidade de soldagem são prioridades | Componentes que requerem maior módulo de seção para a mesma carga (reduzindo a espessura da chapa enquanto mantém a capacidade) |
| Membros estruturais secundários, fabricação geral | Membros estruturais primários de suporte de carga, membros estruturais de alta capacidade e estruturas soldadas especializadas |
Justificativa da seleção: Escolha Q390 quando a facilidade de fabricação, custo mais baixo e boa tenacidade forem primordiais. Escolha Q420 quando maior resistência por unidade de área e economias de peso/espaço forem necessárias, e quando o plano de fabricação acomodar controles de soldagem/conformação ligeiramente mais rigorosos.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo relativo:
- O Q420 geralmente tem um pequeno prêmio sobre o Q390 devido ao maior rendimento garantido e possivelmente controles de composição/processamento mais rigorosos.
- Disponibilidade:
- Ambos os graus são amplamente produzidos em chapa e bobina por grandes usinas em regiões onde as normas GB são comuns. A disponibilidade por forma de produto (chapa, bobina, seção) pode variar de acordo com o mercado e a espessura.
- Nota de aquisição:
- Para grandes projetos, especifique o padrão de entrega necessário, critérios de aceitação de propriedades mecânicas e forma de fornecimento com antecedência para garantir os melhores prazos e preços.
10. Resumo e Recomendação
| Critério | Q390 | Q420 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Melhor (geralmente CE mais baixo) | Bom, mas pode exigir mais pré-aquecimento/controles |
| Equilíbrio Resistência–Tenacidade | Bom, tenacidade favorável para muitos produtos TMCP | Maior resistência; tenacidade alcançável, mas requer controle mais rigoroso |
| Custo | Mais baixo | Mais alto (prêmio modesto) |
Conclusão: - Escolha Q390 se você prioriza uma fabricação e soldagem mais fáceis, boa tenacidade com um custo de material ligeiramente mais baixo, e quando o dimensionamento da seção permite o menor rendimento mínimo. - Escolha Q420 se você precisar de um rendimento de design mais alto para reduzir o tamanho ou peso da seção e puder acomodar um controle mais disciplinado de soldagem, conformação e térmico durante a fabricação.
Nota final prática: Sempre solicite o certificado da usina do fornecedor, registro de tratamento térmico e orientações de soldabilidade para o lote fornecido. Para estruturas críticas, exija soldagem de qualificação em espessuras e condições de processamento representativas, e considere especificar limites de energia de impacto e tenacidade na temperatura de serviço para garantir o desempenho em campo.