B vs D – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de fabricação frequentemente enfrentam uma escolha entre dois graus de aço designados por letras ao especificar componentes para estruturas, equipamentos de pressão ou fabricados. As compensações geralmente giram em torno da soldabilidade, custo e desempenho mecânico requerido (resistência e ductilidade) em condições de serviço. Em muitos padrões e linhas de produtos, a distinção entre um grau "B" e um grau "D" centra-se em seu desempenho esperado em faixas de temperatura de serviço e na rigidez dos requisitos de tenacidade ao impacto, o que gera diferenças na química e no processamento.
Este artigo compara o Grau B e o Grau D de uma maneira prática e ciente dos padrões: como são especificados, como as composições e estratégias de liga diferem, suas microestruturas e respostas ao tratamento térmico, características mecânicas e de soldabilidade, considerações de proteção contra corrosão, comportamento de fabricação, aplicações típicas e implicações de aquisição.
1. Padrões e Designações
Os graus de letras (B, D, etc.) são usados de maneira diferente em padrões e famílias de produtos. Padrões comuns onde graus de letras ou rótulos simples semelhantes aparecem incluem:
- ASTM / ASME: usados em especificações de tubulação, chapa e flange (alguns padrões incluem variantes do Grau B e Grau D).
- EN (padrões europeus): normalmente usam designações Sxxx ou numéricas em vez de letras únicas; no entanto, os aços EN com propriedades comparáveis são frequentemente referenciados.
- JIS (Padrões Industriais Japoneses) e GB (padrões nacionais chineses): às vezes usam sistemas de graus letra/número para aços de tubulação e caldeiras.
- API (petróleo e gás) e outras especificações da indústria: podem incluir graus com letras para classificações simples.
Classificação típica: O Grau B é frequentemente um aço estrutural de carbono ou baixa liga de base com requisitos de tenacidade moderados; o Grau D é comumente uma variante com requisitos de impacto mais rigorosos ou desempenho melhorado em baixas temperaturas (portanto, frequentemente implementado por ajuste de liga ou tratamento térmico diferente). Definições exatas devem ser retiradas do número do padrão aplicável para aquisição ou certificação.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
| Elemento | Grau B (típico) | Grau D (típico) | Comentário |
|---|---|---|---|
| C (Carbono) | Baixo a médio | Baixo a médio (pode ser ligeiramente menor) | Menor C melhora a tenacidade e a soldabilidade; o Grau D frequentemente controla o C de forma rigorosa para atender às demandas de impacto. |
| Mn (Manganês) | Moderado | Moderado a mais alto | Mn aumenta a endurecibilidade e a resistência; equilibrado para evitar microestruturas frágeis. |
| Si (Silício) | Baixo | Baixo | Desoxidante; mantido baixo para controlar a tenacidade. |
| P (Fósforo) | Traço (restrito) | Traço (mais estritamente restrito) | P é prejudicial à tenacidade e geralmente é mais rigidamente controlado para o Grau D. |
| S (Enxofre) | Traço (restrito) | Traço (mais estritamente restrito) | S reduz a tenacidade e a usinabilidade; limitado em ambos, mais rigoroso para o Grau D. |
| Cr (Cromo) | Frequentemente ausente ou baixo | Pode ser adicionado em pequenas quantidades | Cr aumenta a endurecibilidade e a resistência a altas temperaturas; usado se o D precisar de mais tenacidade em baixas temperaturas por meio de controle microestrutural. |
| Ni (Níquel) | Ausente ou baixo | Pode estar presente | Ni melhora a tenacidade, especialmente em baixas temperaturas; liga comum para variantes do tipo D. |
| Mo (Molibdênio) | Raro ou baixo | Possíveis adições baixas | Mo aumenta a endurecibilidade e a resistência sem excesso de C. |
| V / Nb / Ti (microligação) | Possivelmente menor | Possivelmente presente para refinar o grão | A microligação ajuda na resistência por meio de precipitação e refino de grão, mantendo o C baixo. |
| B (Boro) | Não típico | Traço se usado | Traço de B pode aumentar marcadamente a endurecibilidade; controlado cuidadosamente. |
| N (Nitrogênio) | Traço | Traço | Pode afetar a tenacidade através da formação de nitretos; controlado via liga e processamento. |
Notas: A tabela usa presença qualitativa em vez de porcentagens fixas porque as químicas exatas são definidas por padrões particulares ou especificações de moinho proprietárias. As variantes do Grau D são tipicamente projetadas para atender a um desempenho de impacto mais rigoroso por meio de controle mais rigoroso de impurezas e ligações seletivas ou microligações, em vez de grandes aumentos de carbono.
Como a liga afeta as propriedades: - A resistência e a endurecibilidade aumentam com Mn, Cr, Mo e microligação; no entanto, uma maior endurecibilidade pode levar a microestruturas mais duras e menos tenazes nas zonas afetadas pelo calor da solda. - O níquel e os elementos que promovem grãos finos (Nb, Ti, V) melhoram a tenacidade em baixas temperaturas sem excesso de carbono. - O controle rigoroso de P e S é essencial para o desempenho de impacto em temperaturas mais baixas.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas e como respondem ao processamento:
- Grau B (base): Material laminado ou normalizado tende a exibir microestrutura de ferrita–pearlita com perlita relativamente grossa dependendo da taxa de resfriamento. Isso proporciona ductilidade previsível e tenacidade adequada para faixas de temperatura moderadas.
- Grau D (variante de baixa temperatura/impacto): Para atender a critérios de impacto mais altos, as microestruturas visam um tamanho de grão de ferrita mais fino, bainita temperada ou perlita mais fina. Isso é alcançado por meio de laminação controlada (TMCP), redução de intersticiais, microligação e, às vezes, normalização ou resfriamento/temperamento controlados.
Caminhos e efeitos do tratamento térmico: - Normalização: Refina o tamanho do grão e melhora a uniformidade das propriedades; benéfico para ambos os graus, mas essencial para atender às especificações rigorosas de impacto do Grau D. - Resfriamento e tempera: Usado quando maior resistência com tenacidade mantida é necessária (mais comum para variantes D de alta liga). Requer tempera cuidadosa para evitar fragilidade. - Processamento termomecânico controlado (TMCP): Amplamente utilizado para produzir chapas e bobinas de grão fino e alta tenacidade — frequentemente a rota de processamento usada para converter uma química B em um produto de desempenho D sem pesadas ligações.
4. Propriedades Mecânicas
| Propriedade | Grau B (típico) | Grau D (típico) |
|---|---|---|
| Resistência à tração | Moderada | Semelhante a mais alta (igual ou ligeiramente mais alta se ligado/HT) |
| Resistência ao escoamento | Moderada | Comparável ou ligeiramente mais alta (via microligação/processamento) |
| Elongação (%) | Boa / dúctil | Boa, pode ser ligeiramente reduzida em níveis de resistência mais altos |
| Tenacidade ao impacto (Charpy) | Moderada à temperatura ambiente; reduzida em baixa temperatura | Tenacidade garantida mais alta em temperaturas mais baixas conforme especificação |
| Dureza | Moderada | Comparável; variantes de resfriamento e tempera podem ser mais duras |
Interpretação: - O Grau D é normalmente especificado quando a energia de impacto em baixas temperaturas deve atender a um mínimo; isso frequentemente resulta em requisitos de química e processamento mais rigorosos. As diferenças de resistência podem ser pequenas se ambos forem produzidos como aços de baixa liga, mas o Grau D foca em manter a tenacidade em uma faixa de temperatura mais ampla. - O equilíbrio entre ductilidade e tenacidade é alcançado reduzindo o carbono e controlando impurezas enquanto se utiliza microligação e processamento térmico para reter a resistência.
5. Soldabilidade
A soldabilidade depende do equivalente de carbono e da liga. Duas medidas empíricas comumente usadas são o equivalente de carbono IIW e o Pcm para uma avaliação mais detalhada:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa: - O Grau B normalmente tem um equivalente de carbono efetivo mais baixo e menos adições de liga que aumentam a endurecibilidade, dando-lhe um comportamento geralmente melhor como soldado e menores necessidades de pré-aquecimento/pós-aquecimento. - O Grau D, projetado para maior tenacidade em baixas temperaturas, frequentemente apresenta controle de impurezas mais rigoroso e pode incluir ligações que aumentam a endurecibilidade (por exemplo, Mn, Cr, Mo, microligação). Isso pode elevar $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$, exigindo maior pré-aquecimento, temperaturas de interpassagem controladas ou tratamento térmico pós-solda (PWHT) para evitar trincas na ZAC. - Ao especificar para soldagem, os engenheiros devem calcular $CE_{IIW}$ ou $P_{cm}$ para a química solicitada e aplicar as qualificações de procedimento de soldagem relevantes.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Aços B/D não inoxidáveis: Nem o Grau B típico nem o Grau D são inerentemente resistentes à corrosão. As estratégias de proteção incluem revestimentos (galvanização a quente, tintas, epóxi fundido), proteção catódica ou revestimento dependendo do ambiente de serviço.
- Variantes inoxidáveis: Se uma determinada designação “D” ou “B” corresponder a tipos inoxidáveis (não comum para graus de carbono simples com letras), índices de corrosão inoxidáveis como PREN são relevantes:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Esclarecimento: PREN não é aplicável a graus de carbono/baixa liga B e D, a menos que o material seja um aço inoxidável austenítico ou duplex. Para a maioria dos materiais estruturais Grau B/D, o desempenho contra corrosão é uma função da proteção da superfície e do ambiente, não da passividade da liga.
7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade
- Formabilidade e dobra a frio: O Grau B, com resistência ligeiramente mais baixa e microestrutura mais simples, geralmente oferece uma formação e dobra a frio mais fáceis, com retorno previsível. Materiais do Grau D projetados para tenacidade podem ser ligeiramente menos formáveis se a resistência for aumentada, mas TMCP e microligação podem preservar a formabilidade.
- Usinabilidade: A redução de enxofre e aditivos de corte livre mais baixos significam que ambos os graus não são aços de alta usinabilidade; o Grau B tende a ser mais fácil de usinar se tiver menor resistência e menos inclusões duras. O Grau D, com grãos mais finos e maior resistência, pode ser mais difícil para as ferramentas.
- Processos de corte e térmicos: O comportamento de corte a plasma ou oxi-combustível é comparável; para graus D que têm maior endurecibilidade ou condições tratáveis termicamente, pode ser necessário um alívio de tensão pós-corte cuidadoso em aplicações críticas.
8. Aplicações Típicas
| Grau B — Usos Típicos | Grau D — Usos Típicos |
|---|---|
| Chapadas estruturais gerais, vigas, canais para edifícios e obras civis leves | Estruturas e componentes de pressão que requerem tenacidade ao impacto garantida em baixas temperaturas (por exemplo, climas frios, jaquetas offshore) |
| Tubulação de pressão básica ou flanges onde os requisitos de impacto são moderados | Partes de vasos de pressão, componentes de pontes ou seções de tubulação com energia Charpy especificada em temperaturas negativas |
| Componentes fabricados onde a facilidade de soldagem/formação é priorizada | Aplicações onde a especificação de tenacidade impulsiona a aquisição, mesmo que o custo seja mais alto |
| Partes de transportadores, estruturas gerais de máquinas | Serviço criogênico ou subambiental onde a tenacidade é crítica |
Racional de seleção: Escolha o Grau B para aplicações sensíveis ao custo, em temperaturas moderadas e de fácil soldagem. Escolha o Grau D onde a faixa de temperatura de serviço e o desempenho de impacto obrigatório justifiquem um controle mais rigoroso da química e do processamento.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo: Materiais do Grau B são geralmente menos caros devido à química mais simples, menos processamento e menos testes de desempenho. O Grau D custa mais devido à seleção de material mais rigorosa, testes adicionais (testes de impacto em múltiplas temperaturas) e possivelmente processamento mais complexo (TMCP, normalização).
- Disponibilidade por forma: Chapas e bobinas no Grau B estão amplamente disponíveis em moinhos de commodities. Variantes do Grau D — especialmente aquelas certificadas para impacto em baixas temperaturas — podem ter prazos de entrega mais longos, especialmente para espessuras grandes ou dimensões incomuns, porque requerem processamento controlado e testes adicionais.
10. Resumo e Recomendação
| Atributo | Grau B | Grau D |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Geralmente boa (CE mais baixo) | Aceitável, mas pode exigir pré-aquecimento/PWHT (potencial CE mais alto) |
| Equilíbrio Resistência–Tenacidade | Resistência moderada com boa ductilidade | Ajustado para maior tenacidade em baixas temperaturas; resistência semelhante ou ligeiramente mais alta |
| Custo | Mais baixo | Mais alto |
Recomendações: - Escolha o Grau B se o componente operar em faixas de temperatura moderadas, a simplicidade da soldagem e o custo forem prioridades, e a tenacidade ao impacto em baixas temperaturas não for um requisito crítico. - Escolha o Grau D se a aplicação exigir tenacidade ao impacto verificada em uma faixa de temperatura inferior especificada (por exemplo, climas frios, serviço subambiental ou aplicações críticas de pressão/vaso), ou se o código/padrão exigir uma designação de Grau D para certificação.
Notas finais: Sempre consulte o padrão exato e os certificados de teste do moinho para o material específico do Grau B ou Grau D que você está adquirindo. Calcule os equivalentes de carbono para o planejamento da soldagem usando a análise química real e valide a tenacidade ao impacto por meio da matriz de teste prescrita. Quando em dúvida, discuta as compensações com o fornecedor de material e o engenheiro de soldagem para alinhar a química, o processamento e a prática de fabricação com os requisitos de serviço.