S355 vs S460 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
S355 e S460 são dois aços estruturais amplamente utilizados nas especificações da série EN 10025. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de fabricação frequentemente enfrentam o dilema da seleção entre aços de baixo custo, facilmente fabricáveis, e materiais de alta resistência que permitem estruturas mais leves ou tamanhos de seção reduzidos. As trocas típicas incluem soldabilidade versus resistência, facilidade de fabricação versus economia de peso, e tenacidade disponível em temperaturas de projeto.
A principal distinção técnica é que S460 fornece uma resistência mínima ao escoamento mais alta do que S355, alcançada por meio do controle de composição e processamento termo-mecânico ou microligação. Como suas bases químicas e opções de processamento se sobrepõem, essas classificações são comumente comparadas ao otimizar a eficiência estrutural, procedimentos de soldagem e custos ao longo da vida útil.
1. Normas e Designações
- EN: Tanto S355 quanto S460 estão especificados na EN 10025 (por exemplo, EN 10025‑2 para aços estruturais não ligados). As variantes incluem sufixos para propriedades de impacto (JR, J0, J2) e para processamento (M = laminado termo-mecanicamente, N = normalizado).
- ISO: Designações equivalentes podem aparecer em listas de aços estruturais ISO, mas os nomes EN são os mais comuns na Europa.
- ASTM/ASME: Esses aços não correspondem diretamente às classificações ASTM (ASTM usa diferentes químicas e nomenclaturas); a seleção entre aços EN e ASTM requer comparação de propriedades em vez de substituição direta de nomes.
- JIS/GB: Normas japonesas (JIS) e chinesas (GB) têm suas próprias classificações de aços estruturais; tabelas de referência cruzada são usadas para intercambialidade.
- Classificação: Tanto S355 quanto S460 são aços estruturais do tipo HSLA (alta resistência e baixo teor de liga) — aços carbono-manganês não inoxidáveis que podem incluir elementos de microligação (Nb, V, Ti) para resistência e tenacidade. Eles não são aços de ferramentas de liga ou aços inoxidáveis.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
| Elemento | S355 típico (variantes EN 10025) | S460 típico (variantes EN 10025) |
|---|---|---|
| C (máx) | ~0.20–0.24 wt% (varia por variante) | ~0.16–0.22 wt% (varia por variante) |
| Mn (típ.) | ≤1.60 wt% | ≤1.60 wt% |
| Si (máx) | ≤0.55 wt% | ≤0.55 wt% |
| P (máx) | ≤0.035 wt% | ≤0.035 wt% |
| S (máx) | ≤0.035 wt% | ≤0.035 wt% |
| Cr | traço a baixo (não obrigatório) | traço a baixo |
| Ni | traço a baixo | traço a baixo |
| Mo | traço a baixo | traço a baixo |
| V (microligação) | pode estar presente em variantes microligadas | frequentemente usado em graus microligados |
| Nb (microligação) | pode estar presente | comumente usado nas variantes S460M/N |
| Ti (microligação) | às vezes presente | às vezes presente |
| B (nível em ppm) | possível em variantes microligadas | possível em variantes microligadas |
| N (controlado) | controlado para tenacidade | controlado para tenacidade |
Notas: - Os valores são intervalos indicativos. Os limites exatos dependem da sub-classe EN 10025 (por exemplo, S355JR, S355J0, S355J2, S460M, S460N) e das certificações do fabricante. - S460 comumente alcança maior resistência ao escoamento através de laminação termo-mecânica (TMCP) e microligação (Nb, V, Ti) em vez de um grande aumento de carbono. - Estratégia de liga: manter baixo teor de carbono e fósforo/enxofre controlados para soldabilidade e tenacidade; adicionar elementos de microligação para refinar o tamanho do grão e promover o endurecimento por precipitação sem comprometer a soldabilidade.
Como a liga afeta as propriedades: - Carbono: aumenta a resistência e a endurecibilidade, mas reduz a soldabilidade e a tenacidade se excessivo. - Manganês: promove resistência e endurecibilidade; em quantidades controladas, apoia a desoxidação e a tenacidade. - Si: desoxidante; níveis moderados ajudam na resistência, mas podem afetar a tenacidade. - Nb, V, Ti: elementos de microligação que permitem maior resistência por meio do refino do grão e endurecimento por precipitação com efeito negativo mínimo na soldabilidade quando mantidos em baixas concentrações. - Mo, Cr, Ni: não são primários nessas classificações, mas podem afetar a endurecibilidade e a resistência à corrosão se presentes.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas: - S355 (laminado/normalizado): microestrutura de ferrita–perlita com grãos relativamente grossos em condições de laminação a frio; tenacidade melhorada pelo normalizado. - S460 (TMCP ou normalizado): ferrita de grão mais fino com uma quantidade controlada de bainita/martensita temperada em alguns produtos laminados termo-mecanicamente; precipitados de microligação refinam o tamanho do grão e adicionam resistência.
Efeito das rotas de processamento: - Normalização: reaquecimento e resfriamento ao ar refinam o tamanho do grão e melhoram a tenacidade para ambas as classificações; variantes S460 com “N” são normalizadas para garantir propriedades consistentes. - Processamento de controle termo-mecânico (TMCP): amplamente utilizado para S460M para alcançar maior resistência a equivalentes de carbono mais baixos — produz uma matriz de ferrita fina e de alta resistência com tenacidade melhorada. - Resfriamento e tempera: não é típico para as classificações estruturais padrão S355/S460 (estes são entregues como laminados ou normalizados); resfriamento e tempera é uma rota diferente usada para aços de liga de alta resistência e resfriados e mudaria materialmente as propriedades além das especificações de grau EN.
4. Propriedades Mecânicas
| Propriedade | S355 (típico) | S460 (típico) |
|---|---|---|
| Resistência Mínima ao Escoamento (Rp0.2) | ~355 MPa (produtos planos conforme EN 10025) | ~460 MPa |
| Resistência à Tração (Rm) | ~470–630 MPa (dependente da variante e espessura) | ~510–680 MPa (dependente da variante e espessura) |
| Alongamento (A, % min) | ~20–22% (dependente da espessura; menor com aumento da espessura) | ~14–20% (dependente da espessura e variante) |
| Tenacidade ao Impacto (Charpy V) | Especificado pela variante (por exemplo, 27 J a +20°C / 0°C / −20°C dependendo de JR/J0/J2) | Frequentemente especificado para temperaturas mais baixas (variantes garantem tenacidade equivalente ou melhorada na temperatura de projeto) |
| Dureza (típica, não-HT) | Baixa–moderada (dependente da estrutura; tipicamente na faixa de dureza mais baixa para aços estruturais) | Moderada (maior resistência comumente resulta em dureza um pouco mais alta) |
Interpretação: - S460 é a classificação mais forte em termos de resistência ao escoamento e frequentemente à resistência à tração; o aumento da resistência é obtido principalmente por meio da microligação e TMCP, não por um aumento significativo de carbono. - S355 tende a ser ligeiramente mais dúctil (maior alongamento) em muitas comparações de produtos/variantes devido à sua menor exigência de tensão de escoamento. - A tenacidade depende da variante; ambas as classificações podem ser especificadas com requisitos de impacto apropriados para serviço em baixas temperaturas. S460 é projetado para manter a tenacidade em níveis de resistência mais altos por meio de processamento controlado.
5. Soldabilidade
Considerações sobre soldabilidade dependem do teor de carbono, equivalente de carbono e microligação. Fórmulas preditivas comuns incluem:
-
Equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Parâmetro mais global ($P_{cm}$) para suscetibilidade a trincas de solda: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa: - Tanto S355 quanto S460 são geralmente considerados soldáveis com pré-aquecimento apropriado, controle de temperatura entre passes e materiais de enchimento compatíveis. S460, devido à maior endurecibilidade da microligação e resistência ligeiramente maior, pode exigir procedimentos de soldagem mais controlados (limites de entrada de calor mais baixos, maior pré-aquecimento ou tratamento térmico pós-solda em alguns casos) do que S355 para evitar trincas a frio. - Os equivalentes de carbono para variantes típicas EN S355 e S460 são geralmente baixos a moderados em comparação com aços de liga resfriados, mas variantes S460M/N podem ter CE mais altos devido a adições de Nb/V. Sempre calcule CE ou $P_{cm}$ para a química e espessura do fabricante para definir pré-aquecimento e seleção de consumíveis.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Nenhum dos dois, S355 ou S460, é aço inoxidável; eles não possuem cromo ou níquel significativos para a formação de filme passivo. A proteção contra corrosão é, portanto, por meio de revestimentos e design:
- Galvanização a quente, primer rico em zinco mais sistemas de pintura, metalização ou revestimentos resistentes à corrosão são comuns.
- Projetar para drenagem, evitar fendas e usar revestimentos sacrificiais onde apropriado.
- PREN (Número Equivalente de Resistência à Fissuração) não é aplicável a aços estruturais não inoxidáveis, mas para referência: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Este índice é relevante para ligas inoxidáveis e não é significativo para S355/S460.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade
- Corte: Corte a plasma, oxicombustível, laser e jato d'água são padrão para ambas as classificações. O S460 de maior resistência pode mostrar desgaste de ferramenta e retorno ligeiramente maiores no corte a quente devido à maior dureza.
- Dobragem/formação: S355 é mais fácil de formar a frio e dobrar devido à menor tensão de escoamento; S460 requer forças de formação mais altas e controle mais rigoroso do retorno. Os limites de formação dependem da espessura, tratamento térmico e variante.
- Maquinabilidade: Ambos são aços carbono/microligados padrão; a maquinabilidade é geralmente moderada. A maior resistência do S460 e os precipitados de microligação podem reduzir ligeiramente a maquinabilidade e aumentar o desgaste das ferramentas de corte.
- Acabamento: Tratamentos de superfície (jato de areia, pintura, galvanização) são semelhantes para ambas as classificações; considerações de pré-aquecimento e alívio de tensões para montagens soldadas diferem por classificação.
8. Aplicações Típicas
| S355 — Usos Típicos | S460 — Usos Típicos |
|---|---|
| Estruturas de edifícios (vigas, colunas) onde a resistência padrão é suficiente | Pontes e estruturas de grande vão onde maior resistência reduz o tamanho da seção |
| Componentes estruturais gerais, estruturas e plataformas | Estruturas de máquinas pesadas com requisitos de economia de peso |
| Edifícios de aço soldados e estruturas de aço secundárias | Elementos estruturais de alto desempenho em estruturas de aço offshore/onshore onde a relação resistência/peso é crítica |
| Seções, placas e perfis fabricados para carregamento moderado | Vigas de guindaste, grandes fabricados soldados e estruturas onde a redução na espessura do material é desejável |
Racional de seleção: - Escolha S355 quando custo, facilidade de fabricação e desempenho estrutural padrão forem prioridades. É frequentemente o padrão para estruturas de edifícios e fabricação geral. - Escolha S460 quando o projeto se beneficiar de maior resistência ao escoamento — por exemplo, para reduzir o tamanho do membro, atender a requisitos mais rigorosos de deflexão ou flambagem, ou economizar peso em sistemas limitados por transporte — desde que controles de soldagem e fabricação sejam implementados.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo relativo: S460 é geralmente mais caro por tonelada do que S355 devido a controles de processamento mais rigorosos (TMCP/normalização), potencial conteúdo de microligação e volumes de produção mais baixos. O prêmio de preço varia conforme o mercado, forma do produto e espessura.
- Disponibilidade: S355 tem maior disponibilidade em placas, seções laminadas a quente e formas estruturais. S460 está amplamente disponível para placas e seções estruturais, mas pode ter prazos de entrega mais longos para espessuras, níveis de tratamento ou variantes de impacto específicas.
- Efeito da forma do produto: Placas e bobinas com propriedades certificadas S460M/N podem ser mais limitadas em oferta do que o S355 padrão; a aquisição deve considerar o prazo de entrega e a qualificação do fornecedor.
10. Resumo e Recomendação
| Critério | S355 | S460 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Boa (procedimentos padrão) | Boa a moderada (pode exigir controles mais rigorosos) |
| Equilíbrio Resistência–Tenacidade | Resistência moderada com boa ductilidade | Maior resistência com tenacidade projetada via TMCP |
| Custo | Mais baixo | Mais alto (prêmio por maior resistência/processamento) |
Escolha S355 se: - A simplicidade de fabricação, ampla disponibilidade e menor custo do material forem prioridades. - As cargas de projeto e as restrições de peso puderem ser atendidas sem seções de alta resistência. - Procedimentos de soldagem padrão e controle rotineiro de pré-aquecimento/interpasso forem desejados.
Escolha S460 se: - A eficiência estrutural e a redução de peso forem críticas (por exemplo, grandes vãos, vigas de guindaste, transporte restrito). - O projeto puder suportar controles de soldagem/fabricação mais rigorosos e possivelmente custos de material mais altos para realizar benefícios de ciclo de vida ou desempenho. - Tenacidade de impacto especificada e valores de tensão de escoamento mais altos forem exigidos pelo projeto.
Observação final: Tanto S355 quanto S460 são projetados para oferecer desempenho estrutural confiável; a escolha é governada pela resistência ao escoamento requerida, restrições de fabricação, requisitos de temperatura/tenacidade de projeto e custo total de propriedade. Sempre verifique os limites químicos e mecânicos exatos no certificado do fabricante e realize a qualificação do equivalente de carbono e do procedimento de soldagem para fabricações críticas.