S355JR vs S355J2 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
S355JR e S355J2 são dois graus amplamente utilizados da família de aços estruturais EN 10025. Ambos são aços estruturais de baixa liga e alta resistência destinados a construções soldadas, fabricados pesados e aplicações de engenharia geral. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de fabricação comumente ponderam custo, soldabilidade, desempenho em baixa temperatura e processamento posterior ao escolher entre eles.
A principal diferença prática entre S355JR e S355J2 é a sua tenacidade ao impacto garantida em diferentes temperaturas: JR é testado à temperatura ambiente, enquanto J2 é especificado e testado para um desempenho mais rigoroso em temperaturas sub-zero. Como muitas decisões de projeto e fabricação dependem da resiliência ao impacto em serviço, esse requisito de tenacidade direciona a seleção de materiais, a carga de testes e, ocasionalmente, o custo e a disponibilidade.
1. Normas e Designações
- EN: EN 10025-2 (S355JR, S355J2 são especificados aqui como aços estruturais).
- ASTM/ASME: Não há uma designação ASTM direta, mas os equivalentes S355 são frequentemente comparados ao ASTM A572 Grau 50 ou variantes A36, dependendo do processamento e das propriedades mecânicas.
- JIS / GB: Normas locais no Japão e na China têm aços estruturais funcionalmente semelhantes, mas a designação e os testes diferem; a substituição direta requer verificação de propriedades.
- Classificação: Tanto S355JR quanto S355J2 são aços carbono estruturais de baixa liga/alta resistência (frequentemente tratados como HSLA em virtude da microligação em algumas variantes). Eles não são aços para ferramentas ou graus inoxidáveis.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
A série EN 10025 especifica conteúdos máximos de elementos em vez de uma única composição. A tabela abaixo mostra máximos típicos e elementos comumente controlados para S355JR e S355J2 conforme a prática da EN. A composição exata depende da prática do moinho e de qualquer microligação adicional solicitada.
| Elemento | Controle típico (S355JR) | Controle típico (S355J2) |
|---|---|---|
| C (máx) | ≤ 0.22 wt% | ≤ 0.22 wt% |
| Mn (máx) | ≤ 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 | Tipicamente ≤ 0.30 wt% (se presente) | Tipicamente ≤ 0.30 wt% |
| Ni | Tipicamente ≤ 0.30 wt% (se presente) | Tipicamente ≤ 0.30 wt% |
| Mo | Tipicamente ≤ 0.10 wt% (se presente) | Tipicamente ≤ 0.10 wt% |
| V, Nb, Ti | Frequentemente adicionados em pequenas quantidades (≤ ~0.05 wt% cada) para TMCP/microligação | O mesmo, possivelmente mais controlado para J2 quando a tenacidade é requerida |
| B | Adições de traço possíveis (ppm) | Adições de traço possíveis |
| N | Tipicamente ≤ 0.012 wt% | Tipicamente ≤ 0.012 wt% |
| Al (desoxidação) | 0.015–0.060 wt% (para controle) | 0.015–0.060 wt% |
Notas: - A EN 10025 define requisitos mecânicos e temperaturas de teste de impacto para os diferentes subgraus; os limites químicos são amplos e dependem do fabricante e de classes de qualidade adicionais. - Muitos produtos S355 são produzidos por processamento controlado termomecanicamente (TMCP) e podem incluir intencionalmente microligação (V, Nb, Ti) para refinar o tamanho do grão e aumentar a resistência sem excesso de carbono.
Como a liga afeta as propriedades: - O carbono e o manganês controlam principalmente a resistência e a temperabilidade; um maior teor de carbono aumenta a resistência, mas reduz a soldabilidade e a ductilidade. - O silício é um desoxidante e pode aumentar ligeiramente a resistência. - Elementos de microligação (V, Nb, Ti) refinam o tamanho do grão e proporcionam microestruturas de ferrita-perlita ou bainítica mais fortes em níveis de carbono mais baixos. - Baixos teores de enxofre e fósforo são mantidos para preservar a tenacidade e a soldabilidade.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas: - Tanto S355JR quanto S355J2, em entregas laminadas ou TMCP, exibem uma matriz de ferrita + perlita com possíveis ilhas bainíticas dependendo da taxa de resfriamento. O refino do grão proveniente do TMCP e da microligação melhora a resistência ao escoamento e a tenacidade sem um aumento significativo de carbono. - A variante J2 é geralmente produzida com controles ligeiramente mais rigorosos sobre limpeza, nitrogênio e conteúdo de microligação, além de laminação controlada para atender ao requisito de tenacidade ao impacto em temperaturas mais baixas.
Resposta ao tratamento térmico: - Normalização: Ambos respondem bem à normalização (austenitização e depois resfriamento ao ar) — isso refina o tamanho do grão e homogeneiza a microestrutura, melhorando a tenacidade. O S355 normalizado geralmente alcançará melhor tenacidade Charpy do que o material laminado. - Resfriamento e revenimento: Embora tecnicamente possível, o resfriamento e revenimento não é uma entrega padrão para os graus EN S355; ele transforma substancialmente a microestrutura (martensita temperada para menor dureza, maior tenacidade), mas é usado apenas quando propriedades específicas além do grau EN são necessárias. - Processamento termomecânico (TMCP): Muitos produtos S355 são fabricados por TMCP para alcançar alta resistência com baixo carbono e boa tenacidade. O TMCP produz uma microestrutura de grão fino que melhora o equilíbrio resistência-tenacidade de forma mais eficaz do que simplesmente aumentar o carbono. - Alívio de tensões e tratamento térmico pós-solda: Para estruturas soldadas, um mínimo de PWHT é comum para S355, mas seções pesadas ou aplicações críticas podem exigir PWHT controlado dependendo do projeto da junta e do risco de hidrogênio.
4. Propriedades Mecânicas
A EN 10025 especifica limites de propriedades mecânicas para a família S355. A tabela a seguir resume valores típicos e padronizados; os resultados reais dependem da espessura e da rota de produção.
| Propriedade | S355JR (típico/especificado) | S355J2 (típico/especificado) |
|---|---|---|
| Resistência ao escoamento (Rp0.2, mín) | 355 MPa (para muitas faixas de espessura) | 355 MPa (mesmo requisito nominal) |
| Resistência à tração (Rm) | 470–630 MPa (faixa típica conforme especificação) | 470–630 MPa (similar) |
| Alongamento (A, mín) | ~20% (varia com a espessura) | ~20% (varia com a espessura) |
| Tenacidade ao impacto | 27 J a +20 °C (Charpy V) | 27 J a −20 °C (Charpy V) |
| Dureza típica (HBW) | 140–190 HBW (dependente da fabricação) | 140–190 HBW (similar) |
Interpretação: - A resistência estática (escoamento e tração) é efetivamente equivalente entre os graus JR e J2 quando comparados na mesma condição de entrega; ambos garantem um mínimo de escoamento de 355 MPa. - A propriedade mecânica distintiva é a tenacidade ao impacto: S355J2 é garantido para manter comportamento dúctil até −20 °C, enquanto S355JR é garantido apenas a +20 °C. Isso não torna o J2 mais forte em termos estáticos, mas é mais resistente à fratura frágil em temperaturas mais baixas. - As faixas de alongamento e dureza se sobrepõem; a rota de processamento (TMCP, normalização) tem uma influência maior na tenacidade e ductilidade do que o sufixo JR/J2 sozinho.
5. Soldabilidade
A soldabilidade é um fator de seleção frequente para aços estruturais. Tanto S355JR quanto S355J2 são projetados para soldagem, mas considerações específicas se aplicam.
Fatores-chave: - O teor de carbono e a liga combinada determinam a temperabilidade e o risco de trincas a frio. Ambos os graus têm carbono relativamente baixo (≤ ~0.22 wt%), apoiando boa soldabilidade. - A microligação e os elementos residuais (Cr, Mo, V, Nb) aumentam a temperabilidade e podem necessitar de pré-aquecimento ou tratamento térmico pós-solda em seções grossas.
Índices de aço soldado úteis: - Equivalente de carbono (forma IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Suscetibilidade à martensita Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa: - Para composições nominais idênticas, S355JR e S355J2 terão valores de $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ quase idênticos. No entanto, os moinhos J2 frequentemente exercem um controle de processo mais rigoroso (aço mais limpo, adições de microligação controladas) para atender à tenacidade em baixas temperaturas, o que pode indiretamente melhorar a soldabilidade ao reduzir a captura de hidrogênio impulsionada por impurezas. - Para seções pesadas, uma maior temperabilidade ou um CE mais alto podem exigir pré-aquecimento ou temperaturas de interpassagem controladas; a qualificação do procedimento de soldagem deve referenciar o certificado de material específico. - O tratamento térmico pós-solda (PWHT) raramente é exigido para estruturas soldadas S355 comuns, mas pode ser necessário para montagens soldadas com alta restrição, seções grossas ou quando as especificações exigirem.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Tanto S355JR quanto S355J2 são aços carbono não inoxidáveis — a resistência à corrosão em ambientes atmosféricos ou agressivos é modesta.
- Estratégias de proteção padrão: galvanização a quente, eletrogalvanização de zinco (para pequenos componentes), revestimentos orgânicos (primers, epóxis), metalização (revestimentos de zinco/Al sprayados a fogo ou arco), ou uma combinação (primer rico em zinco + camada de acabamento).
- O índice PREN não é aplicável porque o PREN é usado para aços inoxidáveis: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- A escolha do revestimento depende do ambiente (classificação C1–C5), vida útil esperada, estética e estratégia de manutenção. A galvanização é comum para aço estrutural exposto às intempéries; o substrato S355 não altera materialmente a estratégia de controle de corrosão entre JR e J2.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade
- Corte: Corte a plasma, oxi-combustível, laser e jato d'água se comportam de maneira semelhante para ambos os graus. A dureza e a espessura podem afetar as configurações de corte.
- Maquinabilidade: O baixo teor de carbono e de liga proporciona uma maquinabilidade razoável; variantes TMCP de microligação ou de maior resistência podem ser ligeiramente mais difíceis de usinar, mas as diferenças entre JR e J2 são mínimas.
- Formação e dobra: A formabilidade é governada pela resistência ao escoamento e ductilidade; uma vez que ambos compartilham resistência e alongamento nominais semelhantes, o comportamento de formação é geralmente comparável. A conformação a frio em ambientes de temperatura muito baixa se beneficia da tenacidade melhorada em baixa temperatura do J2.
- Prática de soldagem e fabricação: Use procedimentos de soldagem qualificados e considere estratégias de pré-aquecimento/revenimento para seções grossas ou onde o controle de hidrogênio é necessário. O S355J2 pode exigir testes/certificações adicionais de impacto para conformidade do projeto.
8. Aplicações Típicas
| S355JR — Usos Típicos | S355J2 — Usos Típicos |
|---|---|
| Estruturas de aço estrutural geral: vigas, colunas, estruturas para edifícios em condições ambiente | Membros estruturais em climas frios: plataformas offshore, estruturas refrigeradas, pontes em regiões frias |
| Fabricação geral onde a tenacidade à temperatura ambiente é aceitável | Fabricações soldadas pesadas que requerem tenacidade verificada em baixa temperatura |
| Estruturas de máquinas, componentes de engenharia geral | Estruturas e equipamentos de retenção de pressão operando em serviço mais frio (quando especificado) |
| Placas padrão, formas laminadas a quente e seções para obras civis | Elementos estruturais expostos a serviço sub-zero ou risco aumentado de fratura frágil |
Racional de seleção: - Escolha S355JR para aplicações estruturais típicas em temperatura ambiente onde um custo de aquisição/teste mais baixo é desejável. - Escolha S355J2 quando o projeto exigir resistência ao impacto verificada em temperaturas mais baixas, ou quando as especificações do projeto exigirem uma classificação de tenacidade de −20 °C.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo: Ambos os graus são comumente produzidos e, portanto, geralmente similares em preço base. O S355J2 pode atrair um pequeno prêmio devido aos testes adicionais e ao controle de processo mais rigoroso necessário para certificar o desempenho ao impacto em baixa temperatura.
- Disponibilidade: Ambos estão amplamente disponíveis em placas, bobinas laminadas a quente, vigas e seções. Os prazos de entrega dependem do tamanho, espessura e se uma variante normalizada/TMCP ou microligada especial é necessária.
- Requisitos especiais de longo prazo (por exemplo, entrega normalizada para placa grossa ou controle químico adicional para soldabilidade) podem aumentar o custo e o prazo de entrega para qualquer grau.
10. Resumo e Recomendação
| Critério | S355JR | S355J2 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Muito boa (baixo C); procedimentos de soldagem padrão se aplicam | Muito boa (baixo C); similar, mas com controles de moinho mais rigorosos possíveis |
| Equilíbrio Resistência–Tenacidade | Alta resistência; tenacidade à temperatura ambiente garantida | Alta resistência; tenacidade melhorada em baixa temperatura garantida |
| Custo | Padrão, carga de teste ligeiramente menor | Ligeiramente mais alto (testes de impacto e controle adicionais) |
Conclusão e orientação: - Escolha S355JR se sua estrutura operar em temperaturas ambiente típicas ou superiores, se o projeto não exigir testes de impacto verificados em baixa temperatura e se minimizar o custo de aquisição e teste for uma prioridade. - Escolha S355J2 se a estrutura operar em ambientes frios, se as especificações exigirem tenacidade ao impacto em temperaturas sub-zero (tipicamente −20 °C), ou se o projeto tiver alta restrição/risco de fratura frágil na junta de solda onde a tenacidade em baixa temperatura certificada é necessária.
Nota prática final: Como ambos os graus compartilham a mesma resistência estática nominal, a seleção muitas vezes depende do requisito de temperatura de teste de impacto e das implicações associadas de fornecimento/teste. Sempre solicite certificados do moinho e registros de teste Charpy relevantes para o lote de material, e qualifique os procedimentos de soldagem na forma e espessura do produto real que você usará.