ASTM A615 Gr40 vs Gr60 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

ASTM A615 Grau 40 e Grau 60 são dois dos tipos de barras de aço deformadas e lisas mais comumente especificados para reforço de concreto. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de produção rotineiramente equilibram prioridades concorrentes—resistência versus ductilidade, custo versus margens de segurança, e facilidade de fabricação versus desempenho a longo prazo—ao escolher entre esses graus. Os contextos típicos de decisão incluem design estrutural para regiões sísmicas, fabricação de elementos de concreto pré-moldado e projetos de infraestrutura sensíveis a custos onde as trocas de material e mão de obra devem ser avaliadas.

A principal distinção prática entre os dois graus é a resistência ao escoamento especificada: o Grau 40 é destinado a um limite mínimo de escoamento mais baixo, enquanto o Grau 60 fornece um limite mínimo de escoamento significativamente mais alto. Essa única diferença de especificação impulsiona muitas diferenças subsequentes em processamento, microestrutura, soldabilidade e adequação à aplicação, razão pela qual esses dois graus são frequentemente comparados diretamente em discussões de design e compras.

1. Normas e Designações

• Norma primária: ASTM A615 / A615M — "Especificação Padrão para Barras de Aço Carbono Deformadas e Lisos para Reforço de Concreto."
• Normas e equivalentes relacionados/que se sobrepõem:
• ASME: referencia a ASTM A615 para materiais de construção.
• EN: Equivalentes de vergalhão na Europa estão cobertos sob EN 10080 e EN 1992 (Eurocódigo 2) com diferentes designações de grau (por exemplo, B500B/C), não uma correspondência direta um-para-um.
• JIS/GB: Normas japonesas e chinesas têm seus próprios graus de reforço (por exemplo, GB 1499 para a China) com classes de resistência semelhantes, mas regras de teste/química diferentes.
• Classificação: tanto o ASTM A615 Grau 40 quanto o Grau 60 são aços carbono/liga baixa lisos usados como reforço (não inoxidáveis, não aços para ferramentas). Eles são tipicamente produzidos como aços carbono e, quando microaleados, podem ser considerados ligas baixas ou HSLA na prática de usina—mas a especificação A615 é principalmente um padrão de vergalhão de carbono focado em propriedades mecânicas em vez de química de liga detalhada.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

ASTM A615 enfatiza propriedades mecânicas (resistência ao escoamento, elongação) e testes em vez de uma composição química prescritiva. As práticas de usina variam por região e produtor. A tabela a seguir mostra a presença de elementos representativos e faixas típicas de prática da indústria; estas não são exigidas pela A615, mas são comuns na fabricação de vergalhões.

Elemento	Presença típica / papel
C (Carbono)	Normalmente presente em níveis baixos a moderados para permitir resistência por meio da estrutura de grão e endurecimento por deformação. As faixas industriais típicas são baixas o suficiente para preservar a soldabilidade; os limites exatos são específicos do fornecedor.
Mn (Manganês)	Principal desoxidante e ajustador de resistência; presente em níveis moderados para melhorar as propriedades de tração e a endurecibilidade.
Si (Silício)	Desoxidante e contribuinte para resistência; quantidades baixas a moderadas são comuns.
P (Fósforo)	Mantido em níveis baixos para tenacidade e soldabilidade (impureza traço, limitada pela prática de usina).
S (Enxofre)	Mantido baixo para evitar fragilidade a quente e baixa ductilidade (impureza traço).
Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B	Tipicamente ausentes ou presentes em quantidades traço/microaleação em vergalhões de carbono padrão. Para vergalhões de maior desempenho (por exemplo, produzidos por TMCP ou microaleação), pequenas adições de V, Nb ou Ti são usadas para refinar o tamanho do grão e aumentar a resistência sem excesso de carbono.
N (Nitrogênio)	Geralmente controlado; pode estar presente em quantidades traço—relevante se a microaleação formadora de nitreto for usada.

Como a liga afeta o desempenho: - Aumentar o carbono e o manganês eleva a resistência alcançável, mas pode reduzir a ductilidade e a soldabilidade. - Microaleação (Nb, V, Ti) e laminação controlada/resfriamento controlado (TMCP) produzem microestruturas de ferrita–pearlita ou bainítica mais finas que aumentam a resistência ao escoamento e a tenacidade sem grandes aumentos de carbono. - Os produtores de vergalhões frequentemente alcançam o Grau 60 seja por trabalho a frio (endurecimento por deformação) e laminação controlada ou via microaleação + processamento termomecânico para manter a ductilidade enquanto aumentam o escoamento.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestruturas típicas para os graus de vergalhão A615, produzidas por laminação a quente convencional e resfriamento, são: - Grau 40: Predominantemente ferrita e perlita com grãos de ferrita relativamente mais grossos. O limite mínimo de escoamento mais baixo é frequentemente alcançado com laminação a quente padrão e taxas de resfriamento moderadas. - Grau 60: Misturas de ferrita–pearlita mais finas, às vezes com bandas bainíticas quando resfriamento agressivo ou microaleação é utilizada. A resistência mais alta é frequentemente alcançada por meio de aumento do trabalho a frio (ribs e tração de barras), cronogramas de laminação mais apertados ou controle termomecânico.

Efeitos do tratamento térmico e processamento: - Normalização: Pode refinar o tamanho do grão e melhorar a uniformidade das propriedades mecânicas; não é comumente aplicado como uma etapa de produção separada para vergalhões de mercadoria devido ao custo. - Tempera e revenimento: Raro para vergalhões A615 padrão, mas usado em barras especiais de alta resistência; produz estruturas temperadas martensíticas/bainíticas com maior resistência e menor ductilidade. - Processamento controlado termomecânico (TMCP): Rota comum para aumentar a resistência ao escoamento enquanto mantém a tenacidade e ductilidade através de laminação controlada e resfriamento acelerado. Elementos de microaleação (Nb, V) são eficazes em TMCP para obter desempenho de Grau 60 com menor carbono e melhor soldabilidade do que o fortalecimento apenas com carbono.

4. Propriedades Mecânicas

ASTM A615 define explicitamente as resistências mínimas ao escoamento para diferentes graus; outras propriedades mecânicas dependem da fabricação, tamanho da barra e prática do produtor. A tabela abaixo compara os parâmetros mecânicos mais salientes qualitativamente e, onde permitido, fornece o mínimo exigido pela especificação.

Propriedade	Grau 40 (A615)	Grau 60 (A615)
Resistência ao escoamento (mínimo especificado)	40 ksi (≈280 MPa)	60 ksi (≈420 MPa)
Resistência à tração (típica)	Moderada — depende da prática da usina e do tamanho da barra; geralmente menor que o Grau 60	Maior que o Grau 40 em rotas de produção comparáveis
Elongação (ductilidade)	Geralmente maior (mais dúctil) para um dado tamanho de barra	Geralmente menor que o Grau 40; ductilidade reduzida à medida que a resistência aumenta
Tenacidade ao impacto	Tipicamente melhor em média para o Grau 40 quando a química e o processamento são semelhantes	Tipicamente menor que o Grau 40 se a resistência for alcançada por maior carbono ou mais trabalho a frio; TMCP/microaleação pode preservar a tenacidade
Dureza	Menor em média comparado ao Grau 60	Maior em média devido ao aumento da resistência (endurecimento por trabalho ou fortalecimento por microaleação)

Explicação: - O Grau 60 é mais forte por especificação; essa maior resistência ao escoamento é alcançada por meio de maior endurecimento por trabalho, microestrutura mais fina ou liga modesta. Esses mecanismos comumente reduzem a elongação e podem reduzir a tenacidade se o teor de carbono for aumentado significativamente. TMCP e microaleação são comumente usados para aumentar o escoamento sem grandes perdas na tenacidade, preservando o desempenho sísmico e a soldabilidade.

5. Soldabilidade

A soldabilidade depende do equivalente de carbono, da endurecibilidade e das práticas de microaleação. Duas fórmulas empíricas comumente usadas para prever a soldabilidade são:

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

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 (qualitativa): - Um maior equivalente de carbono (CE ou $P_{cm}$) implica maior risco de endurecimento na zona afetada pelo calor e maiores requisitos de pré-aquecimento/pós-aquecimento. - O Grau 60 produzido por microaleação e TMCP com carbono controlado pode ter soldabilidade comparável ao Grau 40 porque a resistência é obtida pelo controle microestrutural em vez de alto teor de carbono. - O Grau 60 alcançado por trabalho a frio ou por níveis mais altos de carbono/manganês terá soldabilidade reduzida em relação ao Grau 40 e pode exigir pré-aquecimento, temperaturas de interpassagem controladas e metais de enchimento adequados. - Para a maioria das barras de reforço modernas, os fabricantes controlam a química e fornecem orientações de soldagem; sempre consulte os certificados da usina e siga as especificações de procedimentos de soldagem (WPS) para emenda de vergalhões ou conexões soldadas.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Barras ASTM A615 são de aço carbono e não são inoxidáveis; a resistência à corrosão é limitada. Estratégias de proteção comuns:
• Revestimento epóxi: amplamente utilizado para vergalhões em ambientes corrosivos (por exemplo, pontes, marinha).
• Galvanização: galvanização a quente é eficaz, mas adiciona custo e pode afetar a geometria das nervuras; a compatibilidade com álcalis do concreto e a aderência devem ser verificadas.
• Barreiras mecânicas: cobertura de concreto e detalhamento de design para limitar a entrada de cloretos.
• PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) é aplicável a ligas inoxidáveis e não se aplica a graus de vergalhão de carbono. Para reforço inoxidável, o índice

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

é útil, mas não se aplica a barras padrão A615 Grau 40/60.

7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade

• Corte: Ambos os graus cortam facilmente com corte a oxigênio-combustível, serras abrasivas ou ferramentas de alta velocidade; o Grau 60 de maior resistência pode exigir um esforço adicional com métodos manuais devido ao endurecimento por trabalho.
• Dobra/formação: O Grau 40 é geralmente mais tolerante em dobras de campo e operações de formação a frio; o Grau 60 requer diâmetros mínimos de dobra maiores e cuidado para evitar trincas em regiões dobradas a frio—siga as normas para raios de dobra e limites de re-dobra.
• Maquinabilidade: Vergalhões não são tipicamente usinados; no entanto, barras com maior resistência ou microaleação serão mais exigentes nas ferramentas de corte e desgastarão os inserts mais rapidamente.
• Acabamento: Tratamentos de superfície (epóxi, galvanização) podem afetar a aderência e o manuseio; assegure a compatibilidade com processos de formação e soldagem.

8. Aplicações Típicas

Usos típicos — Grau 40	Usos típicos — Grau 60
Slabs levemente carregados, fundações e concreto reforçado não sísmico onde economia e ductilidade são prioridades	Mais comum em concreto reforçado estrutural (vigas, colunas, lajes) em códigos de design modernos; preferido para detalhamento sísmico e maior capacidade de carga
Trabalhos temporários, reforço secundário não crítico	Construção de rodovias e pontes, edifícios altos, elementos pré-moldados que requerem maior escoamento e tamanhos de barra menores para a mesma carga
Regiões/especificações que aceitam resistência mais baixa com fabricação mais simples	Projetos onde a redução da congestão de vergalhões (usando barras de Grau 60 de diâmetro menor) diminui a mão de obra de colocação e a congestão do concreto

Racional de seleção: - Escolha o Grau 40 quando a ductilidade e a facilidade de modificação em campo forem primordiais e as cargas forem moderadas. - Escolha o Grau 60 quando uma maior resistência permitir tamanhos de barra menores, reduzir a congestão, ou quando requisitos de código/regulamentares exigirem maior resistência (por exemplo, detalhamento sísmico, altas tensões de projeto).

9. Custo e Disponibilidade

• Custo relativo: O Grau 60 geralmente tem um pequeno prêmio de preço sobre o Grau 40 em uma base por massa devido às práticas de produção e demanda de mercado. No entanto, o custo por capacidade estrutural (por exemplo, custo por unidade de resistência ao escoamento ou área de seção transversal necessária) pode favorecer o Grau 60 porque menos ou menores barras podem alcançar a mesma resistência de projeto.
• Disponibilidade: Em muitos mercados (particularmente na América do Norte), o Grau 60 é agora o grau comercial dominante de vergalhão e está amplamente disponível em dobras, barras retas e bobinas. O Grau 40 pode ser menos comumente estocado em algumas regiões, mas permanece disponível onde especificado. Vergalhões especiais de alta resistência (acima do Grau 60) têm disponibilidade mais limitada.
• Formas de produto: ambos os graus estão disponíveis como barras deformadas, barras lisas e bobinas; a disponibilidade por tamanho e comprimento varia por usina e região.

10. Resumo e Recomendação

Critério	Grau 40	Grau 60
Soldabilidade	Geralmente boa (risco CE mais baixo)	Pode ser boa se alcançada por TMCP/microaleação; pode exigir controles se alto C/Mn ou trabalho a frio intenso
Equilíbrio Resistência–Tenacidade	Resistência ao escoamento mais baixa, geralmente maior ductilidade e tenacidade	Maior resistência ao escoamento; ganho de resistência pode reduzir a ductilidade a menos que TMCP/microaleação seja usada
Custo (típico)	Custo de matéria-prima mais baixo por kg	Levemente mais alto por kg, mas muitas vezes custo-efetivo por unidade de capacidade de projeto

Recomendação: - Escolha o Grau 40 se: seu projeto prioriza ductilidade e facilidade de manuseio em campo, se trilhos/normas especificam o Grau 40, ou se a carga é moderada e a congestão de vergalhões não é uma preocupação. Também é apropriado onde preocupações com soldabilidade devem ser minimizadas e onde a formação pós-fabricação é frequente. - Escolha o Grau 60 se: você precisa de maior resistência ao escoamento para tamanhos de barra reduzidos e congestão, conformidade com códigos estruturais modernos (muitos dos quais assumem vergalhões de alta resistência), ou quando o projeto exige maior capacidade de carga ou melhor desempenho em detalhamento sísmico. Prefira o Grau 60 produzido por TMCP/microaleação se soldabilidade e tenacidade forem importantes.

Nota final: ASTM A615 estabelece requisitos mecânicos, não química exaustiva; sempre solicite relatórios de teste da usina (MTRs) e orientações de fabricação dos fornecedores. Para soldagem, dobra ou aplicações estruturais críticas, coordene a seleção de materiais com detalhamento estrutural, procedimentos de soldagem e certificados de materiais para garantir que o grau escolhido atenda tanto aos requisitos de código quanto de constructibilidade.