301 vs 304 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura frequentemente enfrentam a escolha entre dois aços inoxidáveis austeníticos muito comuns: 301 e 304. A decisão geralmente gira em torno de trade-offs entre custo, resistência à corrosão, conformabilidade e resistência alcançável após a fabricação (por exemplo, se um alto endurecimento por trabalho é desejável). Em muitos contextos de produção—formação de chapas metálicas, componentes estruturais e produtos de consumo— a seleção é impulsionada por como o material responde ao trabalho a frio em comparação com como ele resiste a ambientes corrosivos.

A distinção fundamental entre essas classes reside em seu equilíbrio de ligas e na resposta mecânica resultante à deformação: 301 é formulado para apresentar maior capacidade de endurecimento por deformação (pode ganhar força substancial através do trabalho a frio), enquanto 304 é otimizado para um comportamento austenítico estável, maximizando a resistência à corrosão e a ductilidade na condição de recozimento. Como ambos são aços inoxidáveis austeníticos amplamente disponíveis e econômicos, eles são frequentemente comparados ao projetar peças que requerem uma combinação de conformação, soldagem, resistência à corrosão e controle de custos.

1. Normas e Designações

• ASTM/ASME:
• 301: AISI 301 (referências ASTM A240/A666 para chapa/tubo/placa)
• 304: AISI 304 (ASTM A240/A666)
• EN (Europeu):
• 301 geralmente corresponde a EN 1.4310 / 1.4311 às vezes; existem variantes
• 304 corresponde a EN 1.4301 (304)
• JIS (Japonês): equivalentes existem (por exemplo, SUS301 / SUS304)
• GB (China): equivalentes existem (por exemplo, classes 301, 304 nas normas GB/T)

Classificação: ambos são aços inoxidáveis austeníticos. Eles não são aços carbono, de liga, ferramenta ou HSLA — pertencem à família inoxidável (austenítica).

2. Composição Química e Estratégia de Liga

As diferenças composicionais são modestas, mas deliberadas: 304 é mais rico em níquel e ligeiramente mais alto em cromo, o que favorece a resistência à corrosão e estabiliza a fase austenítica; 301 reduz o níquel e mantém o cromo adequado, o que aumenta a tendência à formação de martensita induzida por deformação e maior endurecimento por deformação.

Como a liga afeta as propriedades: - O cromo (Cr) fornece o filme de óxido passivo que confere resistência à corrosão; maior Cr melhora o desempenho contra corrosão em muitos ambientes. - O níquel (Ni) estabiliza a fase austenítica, melhora a tenacidade e ductilidade, e reduz a tendência de formar martensita sob deformação. - O carbono aumenta a resistência, mas pode reduzir a resistência à corrosão (risco de sensibilização) e aumenta ligeiramente a endurecibilidade. - O manganês e o silício são desoxidantes e podem influenciar modestamente as propriedades de tração; o manganês também ajuda na estabilidade da austenita em alguns momentos. Como 301 contém menos Ni e Cr semelhante, é mais propenso à transformação martensítica induzida por deformação e ao endurecimento por trabalho mais forte em comparação com 304.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Tanto 301 quanto 304 são austeníticos à temperatura ambiente na condição de recozimento (cúbico de face centrada, FCC). Comportamentos microestruturais chave e suas respostas ao processamento:

• Estado recozido:
• 301: totalmente austenítico (mas com uma composição que o torna mais metastável). Estrutura de grão típica de chapa inoxidável laminada a frio e recozida.

• 304: austenita estável com excelente ductilidade e tenacidade.

• Trabalho a frio e transformação induzida por deformação:

• 301: projetado para exibir transformação significativa induzida por deformação para martensita (α′) durante deformação plástica (formação, dobra, estampagem). Essa transformação aumenta a resistência e dureza localmente e no geral (endurecimento por trabalho), mas reduz a ductilidade e pode afetar o comportamento de corrosão onde a martensita está exposta.

• 304: muito menos tendência à martensita induzida por deformação; retém a estrutura austenítica e ductilidade após trabalho a frio semelhante, com taxa de endurecimento por trabalho mais baixa do que 301.

• Tratamento térmico:

• Nenhuma das classes é endurecível por tratamento térmico de têmpera e revenimento (são austeníticos, não aços inoxidáveis martensíticos). O recozimento em solução (por exemplo, aquecimento a cerca de 1000–1100 °C seguido de resfriamento rápido) é usado para dissolver carbonetos e restaurar a ductilidade. O recozimento pós-fabricação restaura a conformabilidade e alivia o endurecimento por trabalho.
• Tratamentos termo-mecânicos (laminação controlada, trabalho a frio mais recozimento) são usados industrialmente para produzir chapa ou fita com combinações de resistência/ductilidade personalizadas; variantes 301 podem ser laminadas a frio para resistências mais altas do que 304 antes do recozimento.

4. Propriedades Mecânicas

A tabela abaixo compara qualitativamente o comportamento mecânico típico (como fabricado, recozido e após trabalho a frio). Os valores exatos dependem da forma do produto (chapa, fita, barra), processamento e especificação; consulte os dados do fabricante para números críticos do projeto.

Por que: O menor teor de Ni do 301 torna a austenita menos estável sob tensão; a deformação mecânica converte parte da austenita em martensita, aumentando a resistência e dureza (benéfico em peças que precisam de maior resistência sem tratamento térmico). O maior Ni do 304 estabiliza a austenita, preservando a ductilidade e tenacidade em detrimento da magnitude do endurecimento por deformação.

5. Soldabilidade

A soldabilidade de ambas as classes é geralmente boa para aços inoxidáveis austeníticos, mas há considerações:

• Teor de carbono: maior carbono aumenta o risco de sensibilização (precipitação de carboneto de cromo) durante o resfriamento lento, particularmente para 304 com variantes de C mais alto (304H). Existem variantes de baixo carbono (304L, 301L) para reduzir o risco de sensibilização.
• Endurecibilidade e transformação: a maior tendência do 301 para martensita induzida por deformação não afeta diretamente as zonas de solda de fusão (que são austenita reaquecida/solidificada), mas regiões adjacentes trabalhadas a frio podem ter microestruturas mistas que afetam a tensão residual e a distorção.
• A compatibilidade do material de adição e o controle da temperatura entre passes são preocupações típicas para ambas as classes.
• O uso de variantes estabilizadas ou de baixo carbono (por exemplo, 304L) é típico onde a soldagem sem recozimento pós-solda é necessária.

Índices comuns de soldabilidade (interpretação qualitativa; nenhum dado numérico fornecido aqui): - O equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - A fórmula Pcm alemã: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação: - Um maior $CE_{IIW}$ ou $P_{cm}$ sugere um aumento do risco de endurecimento, trincas ou redução da soldabilidade em aços onde a formação de martensita é possível. Para 301 vs 304, as diferenças numéricas nesses índices são pequenas porque ambos têm baixo carbono e conteúdo de liga semelhante; 301 pode ter ligeiramente mais carbono ou menos níquel em alguns lingotes, afetando marginalmente os índices. No geral, ambos são considerados prontamente soldáveis por práticas padrão de soldagem de inox.

6. Corrosão e Proteção da Superfície

• Comportamento inoxidável: Tanto 301 quanto 304 formam filmes passivos ricos em cromo. Como 304 geralmente contém um pouco mais de cromo e níquel, oferece resistência à corrosão geral marginalmente melhor e é a escolha mais comum onde preocupações com corrosão têm prioridade (processamento de alimentos, equipamentos de cozinha, aplicações arquitetônicas).
• Corrosão localizada (pitting/fissura): Nenhuma das classes contém Mo; para ambientes ricos em cloreto, nem 301 nem 304 são tão resistentes quanto as classes com Mo (por exemplo, 316). O uso de design protetivo e acabamento de superfície é crítico em ambientes agressivos.
• PREN (para avaliar a resistência ao pitting em aços inoxidáveis com Mo e N): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Interpretação:
• PREN não é um diferenciador útil entre 301 e 304 porque ambos têm essencialmente nenhum Mo e baixo N; os valores de PREN são, portanto, baixos e semelhantes.
• A proteção da superfície para aços não inoxidáveis (não aplicável aqui) incluiria galvanização ou revestimentos; para 301/304, a passivação, eletropolimento e polimento mecânico melhoram a resistência à corrosão.

7. Fabricação, Maquinabilidade e Conformabilidade

• Conformação e estampagem:
• 301: Excelente conformabilidade na condição recozida; como endurece rapidamente, pode ser usado para produzir peças que ganham resistência durante a conformação (o comportamento de retorno deve ser considerado).
• 304: Altamente conformável e mais tolerante a operações de estampagem profunda; menos endurecimento por trabalho simplifica previsões de conformação.
• Maquinabilidade:
• Ambos têm desempenho pior do que aços carbono; aços inoxidáveis austeníticos grudam e endurecem no corte. 301 tende a endurecer mais rápido, complicando a usinagem (requer ferramentas afiadas, montagens rígidas, quebra-chips e velocidades de corte modestas). 304 é ligeiramente mais fácil de usinar em muitas condições, mas ainda exige ferramentas otimizadas e refrigerante.
• Acabamento:
• Acabamento de superfície, passivação e polimento são semelhantes para ambas as classes. Note que o 301 trabalhado a frio pode ter áreas martensíticas que respondem de maneira diferente ao ataque/polimento.

8. Aplicações Típicas

Racional de seleção: - Escolha 301 quando as peças forem ser trabalhadas a frio e os projetistas quiserem explorar o endurecimento por deformação para alcançar maior resistência em serviço sem tratamento térmico. - Escolha 304 quando a resistência à corrosão, ductilidade e soldabilidade na condição recozida forem prioridades mais altas.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo: 304 é geralmente um pouco mais caro do que 301 devido ao maior teor de níquel. Os preços de mercado variam com os preços à vista de Ni e a oferta regional; 301 é frequentemente escolhido como uma alternativa econômica quando a resistência à corrosão total de 304 não é necessária.
• Disponibilidade: 304 é a liga inoxidável austenítica mais comum em todo o mundo e está disponível na mais ampla gama de formas de produtos (chapa, placa, barra, tubo, fixadores). 301 está amplamente disponível, mas menos onipresente; é comum em fita, chapa e algumas formas estruturais.

10. Resumo e Recomendação

Recomendação: - Escolha 301 se você precisar de peças que serão conformadas a frio e depois dependerão do endurecimento por deformação para aumentar a resistência em serviço (clipes, molas, peças estruturais conformadas), ou quando um inoxidável de menor custo com resistência à corrosão razoável for aceitável. - Escolha 304 se sua prioridade for resistência à corrosão consistente, alta ductilidade e tenacidade na condição recozida, ampla disponibilidade e comportamento de conformação/soldagem mais simples para ambientes de produção onde propriedades austeníticas previsíveis e estáveis são necessárias.

Nota final: Para qualquer especificação crítica, solicite certificados de teste do fabricante e fichas de dados do fornecedor para a forma exata do produto, e considere variantes de baixo carbono ou estabilizadas (304L, 301L, 301LN) quando a soldagem, o cronograma de recozimento ou o teor de nitrogênio forem críticos para o desempenho.