Barra de aço de alta resistência: Produção e propriedades

1. Prefácio

Os varões de aço de alta resistência são considerados a espinha dorsal e o esqueleto do sector da construção. Atualmente, existem cinco áreas principais de desenvolvimento de materiais de reforço de alta resistência:

• Realçar a investigação, o desenvolvimento, a promoção e a implementação de barras de aço de alta resistência com uma resistência de 500MPa e superior.
• Centrado na produção e utilização de reforço sísmico.
• Destaca a investigação, o desenvolvimento, a promoção e a implementação de reforços resistentes à corrosão.
• Reforçar a investigação, o desenvolvimento, a promoção e a aplicação de reforços rentáveis e de elevado desempenho.
• Centrando-se na investigação da tecnologia de aplicação de reforço de alta resistência.

Este artigo apresenta uma breve panorâmica das propriedades e do processo de produção de barras de aço de alta resistência e barras de aço sísmico com um grau de 500MPa e superior para a construção de edifícios.

2. Processo de produção de reforço de alta resistência de 500 MPa e superior

2.1 Processo de produção do reforço de alta resistência de 500MPa

O principal processo de produção de barras de aço de alta resistência de 500MPa envolve a adição do elemento de microligação vanádio ao aço de baixa liga 20MnSi e a utilização de nitrogénio barato para obter o reforço por precipitação. Isto permite que o aço atinja uma resistência de 500MPa.

A tecnologia de microligas de vanádio tem várias vantagens, incluindo uma conceção económica e razoável da composição, um desempenho de reforço estável, uma elevada relação resistência/rendimento e um excelente desempenho a baixa temperatura e de soldadura.

Este processo é considerado um método ótimo para produzir reforço de alta resistência de 500MPa.

2.1.1 Conceção da composição e propriedades mecânicas

A norma GB1499.2 (revista em 2016) especifica que a composição química e o equivalente de carbono do HRB500 devem cumprir os requisitos indicados no Quadro 1. Além disso, elementos como o vanádio, o nióbio e o titânio pode ser adicionado ao aço conforme necessário.

O quadro 1 do GB1499.2 (revisto em 2016) descreve a composição química e os requisitos de propriedades mecânicas para o reforço de alta resistência de 500MPa.

2.1.2 Percurso técnico

Os processos técnicos para a produção de barras de aço de alta resistência de 500MPa incluem tratamento térmico de resíduos pós-laminação, grão ultrafino e microligação.

Os dois primeiros métodos utilizam a composição do aço de baixa liga 20MnSi, enquanto o processo de microligação envolve a adição de elementos de microligação como o vanádio, o nióbio e o titânio ao 20MnSi.

1) Micro-ligação

A tecnologia de microligação melhora a propriedades mecânicas do aço adicionando elementos de microliga ao aço 20MnSi através de métodos metalúrgicos. O mecanismo de reforço envolve a formação de carbonetos e nitretos de elevado ponto de fusão e elevada dureza a partir dos elementos de microligação e dos átomos de carbono e azoto no aço.

Por um lado, a precipitação destes carbonetos e nitretos no austenite impede o crescimento dos grãos de austenite durante o aquecimento e resulta no reforço dos grãos finos.

Por outro lado, a precipitação destes carbonetos e nitretos durante ou após a transformação de austenite na ferrite impede o movimento de deslocação na rede de ferro e conduz ao reforço da precipitação.

2) Tecnologia de grão ultrafino

A tecnologia de grão ultrafino é um processo de produção moderno que combina laminagem controlada e arrefecimento controlado e não requer a adição de elementos de microliga. A implementação deste processo requer o controlo informático da temperatura em toda a linha de produção de laminagem do aço, e o sistema específico do processo de laminagem do aço deve ser adaptado à variedade e às especificações do aço.

Esta tecnologia utiliza uma combinação de laminagem controlada por recristalização, laminagem controlada por não recristalização, transformação de ferrite induzida por deformação e mecanismos de recristalização dinâmica de ferrite para controlar o tamanho do grão e a microestrutura, conseguindo, em última análise, o reforço de grão fino do aço.

3) Tratamento térmico residual após laminagem

A tecnologia de tratamento térmico de resíduos pós-laminagem é um processo que não requer a adição de elementos de microliga. Integra os processos de laminagem a quente e de tratamento térmico, em que as barras de aço são temperadas em linha após a laminagem a quente para arrefecimento da superfície e, em seguida, o calor residual do núcleo de aço é utilizado para temperar a camada superficial das barras de aço. Isto transforma a estrutura da superfície das barras de aço em sorbite temperada, que retém a martensite enquanto o núcleo se torna uma estrutura refinada de ferrite e perlite com um teor relativo mais elevado de perlite. O resultado final é que o aço 20MnSi atinge um nível de resistência de 500MPa através do reforço microestrutural.

Embora as tecnologias de tratamento térmico pós-laminagem e de grão ultrafino não exijam a adição de elementos de microliga, têm um custo de equipamento elevado e uma baixa relação resistência/rendimento, e são propensas ao envelhecimento. Consequentemente, estes métodos não são adequados para ligações mecânicas utilizando soldadura ou danos superficiais.

A tecnologia de microligação tem o custo de equipamento mais baixo, uma vez que não requer equipamento de controlo da temperatura na linha de produção de laminagem de aço. Tem também uma elevada relação resistência/rendimento, baixa sensibilidade ao envelhecimento e bom desempenho de soldadura.

Com base numa comparação do desempenho do produto e do custo de produção, pode concluir-se que o melhor método técnico para produzir barras de aço de alta resistência de 500MPa é através do processo de microligação.

O quadro 2 do GB1499.2 (revisto em 2016) descreve a composição química e os requisitos de propriedades mecânicas para o reforço de alta resistência de 600MPa.

2.2 Processo de produção do reforço de alta resistência de 600MPa

2.2.1 Conceção da composição e propriedades mecânicas

Atualmente, siderurgias como Shagang, Chenggang e Jigang, na China, têm um historial comprovado de produção bem sucedida de barras deformadas laminadas a quente de 600MPa.

O quadro 2 do GB1499.2 (revisto em 2016) descreve os requisitos para a composição química e as propriedades mecânicas do reforço de alta resistência HRB600 de 600MPa.

2.2.2 Percurso técnico

Atualmente, muitas fábricas de aço na China podem produzir barras de aço de alta resistência de grau 600 MPa que são utilizadas em projectos de construção. No entanto, a investigação sobre a composição química, a transformação de fases e a evolução da microestrutura destas barras de aço e a sua relação com os processos de produção de laminagem e arrefecimento é limitada. Isto resulta numa correspondência incorrecta entre a tecnologia de microligação e os processos controlados de laminagem e arrefecimento, o que leva ao desperdício de dispendiosos elementos de liga e o não cumprimento das propriedades mecânicas exigidas para as barras de aço.

As siderurgias nacionais, como Shagang, Chenggang e Jigang, que conseguiram atingir com êxito a produção de HRB600, adoptam principalmente a técnica de liga de vanádio, que envolve a adição de vanádio para melhorar significativamente a resistência. A produção de barras de aço de alta resistência de 600 MPa através de nióbio, titânio e controlo do processo é ainda rara.

A tecnologia de liga de vanádio é a principal via técnica para o desenvolvimento de barras de aço soldáveis de alta resistência a nível mundial. O controlo do processo pode ser conseguido através da laminagem controlada e do arrefecimento controlado ou do tratamento térmico pós-laminagem. As barras de aço de alta resistência são produzidas através de laminagem controlada e arrefecimento controlado, principalmente através de laminagem a baixa temperatura e arrefecimento rápido, para reduzir o tamanho do grão e melhorar a resistência.

A utilização do mesmo processo de produção das barras de aço de média e baixa resistência para produzir barras de aço de alta resistência de 600 MPa através de ligas tem várias vantagens. Em primeiro lugar, evita a transformação da linha de produção e os problemas que lhe estão associados, incluindo o custo da modificação do equipamento. Em segundo lugar, ajuda na produção rápida em grande escala e na promoção de novos produtos HRB600.

No entanto, confiar apenas na liga para melhorar a resistência aumenta o custo das ligas, e um maior teor de liga pode também causar anomalias estruturais.

Em conclusão, a atual via de processo para a produção de reforço de alta resistência de 600 MPa é principalmente a liga, complementada pelo controlo do processo. Durante a fase inicial, o processo de produção de armaduras de alta resistência de 600 MPa deve ser tão próximo quanto possível do das armaduras de média e baixa resistência, para facilitar a sua adoção e aplicação generalizadas.

3. Processo de produção do reforço antissísmico de alta resistência

Devido à crescente procura de barras de aço de elevado desempenho por parte da indústria da construção chinesa, existe uma preocupação generalizada com a segurança e a resistência sísmica das estruturas dos edifícios.

3.1 Conceção da composição e propriedades mecânicas

Na norma GB 1499.2-2007, o índice de desempenho sísmico do reforço é incluído pela primeira vez como uma norma nacional. Foram especificados três índices representativos de reforço sísmico: o rácio resistência-rendimento (R ˚ m /R ˚ eL), o rácio super rácio de flexão (R ˚ eL/ReL), e o alongamento total à força máxima (Agt).

As Tabelas 3 e 4 apresentam a composição química e os índices de propriedades mecânicas das armaduras sísmicas HRB400E e HRB500E de uma siderurgia nacional. Estes índices foram obtidos a partir da inspeção de amostras múltiplas.

Quadro 3 Composição química do reforço sísmico de alta resistência HRB400E e HRB500E %

Quadro 4 Inspeção das propriedades mecânicas das armaduras sísmicas de alta resistência HRB400E e HRB500E

3.2 Percurso técnico

3.2.1 Tecnologia de microligas

O desempenho à fadiga de alto esforço e baixo ciclo é o principal índice sísmico para barras de aço.

O principal método para melhorar o desempenho à fadiga das barras de aço sísmicas, com elevada deformação e baixo ciclo, é através da microligação. Esta tecnologia é amplamente utilizada, tanto a nível nacional como internacional, para melhorar as propriedades globais das barras de aço através da refinação dos grãos e do reforço por precipitação.

Na China, o vanádio é preferido como elemento de microliga, e uma pequena quantidade de azoto é adicionada ao mesmo tempo para aumentar o número de fases precipitadas V (C, N). Isto reforça o papel do reforço por precipitação e do reforço de grão fino, e melhora significativamente o desempenho sísmico do aço.

Alguns investigadores desenvolveram também com êxito um reforço antissísmico de alta resistência e grão fino de grau 600MPa utilizando um processo de microligação Cr+V. O vanádio é utilizado para formar compostos V (C, N) no aço, o que melhora significativamente a sua resistência. Adicionalmente, é adicionada uma certa quantidade de crómio para melhorar o desempenho sísmico do reforço. As propriedades mecânicas finais cumprem os requisitos de resistência sísmica de alta resistência de grão fino de 600MPa.

A estrutura metalográfica do reforço é composta por "ferrite+pearlite" na extremidade e no centro, sem bainite ou estrutura de têmpera na extremidade que possa afetar negativamente o seu desempenho em serviço.

3.2.2 Tecnologia de cristalização fina

O Japão tem uma longa história de estudo da tecnologia de cristalização fina, que envolve a combinação de laminagem de grande deformação com recristalização dinâmica para refinar a estrutura do grão. Isto levou ao desenvolvimento de reforço sísmico de ultra-alta resistência com uma gama de resistência de 685-980MPa, que é considerada de nível avançado internacional.

Em contrapartida, a China está a concentrar-se na combinação da deformação e da transformação de fases para conseguir o refinamento do grão.

As barras de aço de grão fino têm-se destacado pela sua vasta gama de deformação plástica cíclica e pela baixa probabilidade de fissuração durante a deformação do material. Para além disso, estas barras têm uma maior tenacidade cíclica e uma vida à fadiga mais baixa em comparação com as barras de aço com tratamento térmico. Além disso, o aço de grão ultrafino tem melhor soldabilidade do que o aço de ferrite perlite.

No entanto, existem ainda algumas limitações na aplicação prática de barras de aço de grão fino. Estas limitações incluem requisitos rigorosos em termos de equipamento e de dimensão da peça, microestrutura e propriedades irregulares devido à deformação e ao arrefecimento desigual de barras de grandes dimensões, e uma diminuição do rácio de resistência ao escoamento devido a um maior aumento da resistência ao escoamento do que da resistência à tração quando a dimensão do grão é demasiado pequena. O aço de grão fino também tem baixa resistência à corrosão devido à sua estrutura de grão fino e ao aumento do número de limites de grão.

Por conseguinte, é necessário um maior desenvolvimento da tecnologia de cristalização fina.

4. Conclusão

Três métodos comuns para produzir barras de aço de alta resistência são a microliga, a cristalização fina e o tratamento térmico residual.

Em comparação com os outros dois processos, as barras de aço microligado têm a vantagem de um desempenho estável, baixa sensibilidade ao envelhecimento por deformação e bom desempenho de soldadura.

As barras de aço com tratamento térmico residual são produzidas através da têmpera de barras de aço laminadas a quente, resultando numa maior resistência. Este processo é eficiente em termos de recursos e de energia, conduzindo a custos de produção mais baixos.

A armadura de grão fino é capaz de satisfazer tanto os requisitos de resistência como os de tenacidade para o reforço sísmico.

Apesar destes avanços, existem ainda alguns desafios nos processos acima referidos, nomeadamente:

• O elevado custo de produção da tecnologia de microligas;
• A baixa ductilidade, a soldabilidade, o desempenho das ligações mecânicas e a adaptabilidade da construção do reforço do tratamento térmico de resíduos;
• A complexidade da tecnologia de cristalização fina e o baixo rácio de resistência do reforço.

Por conseguinte, para produzir barras de aço de elevada resistência, é crucial combinar eficazmente tecnologias de microligação, cristalização fina e tratamento térmico de resíduos com base nas necessidades reais de aplicação e na relação custo-eficácia. Isto não só reduzirá a adição de elementos de liga e diminuirá os custos de produção, como também aumentará significativamente a propriedades mecânicas do aço bares.