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

Introdução

301 e 304 são dois dos aços inoxidáveis austeníticos mais comumente especificados na fabricação, automotiva, eletrodomésticos e trabalhos arquitetônicos. Engenheiros e equipes de compras pesam rotineiramente as compensações entre resistência à corrosão, conformabilidade, soldabilidade e custo ao selecionar entre eles. Os contextos típicos de decisão incluem a escolha de uma liga para componentes moldados a frio onde o ganho de resistência por endurecimento por trabalho é importante, ou a seleção de um material para exposição a alimentos, produtos químicos ou arquitetônicos onde a resistência à corrosão e a estabilidade a longo prazo são fundamentais.

A principal distinção funcional entre 301 e 304 é como eles respondem à deformação a frio: 301 endurece mais facilmente do que 304, permitindo uma resistência substancialmente maior após o trabalho a frio, mas à custa de ductilidade e, às vezes, estabilidade dimensional. Esse comportamento—junto com as diferenças nos conteúdos de cromo e níquel—impulsiona seu desempenho comparativo em aplicações críticas de conformação, fadiga e corrosão.

1. Normas e Designações

• Normas internacionais comuns:
• ASTM/ASME: A240/A666 (chapas/placas/ bobinas), A276 (barras), frequentemente referenciadas para 301 e 304.
• EN: série EN 10088 para aços inoxidáveis (por exemplo, números da família EN 1.4310/1.4301).
• JIS: JIS G4303 / G4305 e normas de produtos relacionadas no Japão.
• GB: normas GB/T para aços inoxidáveis na China.
• Classificação:
• Tanto 301 quanto 304 são aços inoxidáveis austeníticos.
• Não são aços carbono, aços para ferramentas ou graus HSLA; pertencem à família inoxidável caracterizada por alto teor de cromo e conteúdo significativo de níquel.
• Existem variantes (por exemplo, 301LN, 301Ti, 304L, 304H) que introduzem nitrogênio, titânio ou carbono mais baixo para controle de propriedades específicas.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

Notas: - 301 utiliza uma estratégia de níquel mais baixo e cromo ligeiramente mais baixo em comparação com 304; isso reduz o custo e aumenta a suscetibilidade à transformação sob trabalho a frio, que é explorada quando uma maior resistência pós-formação é desejada. - Os elementos de liga influenciam três comportamentos principais: resistência à corrosão (dominada por Cr e Ni), estabilidade da austenita e tenacidade (Ni estabiliza a austenita) e comportamento de endurecimento por trabalho (a composição e a energia de falha de empilhamento influenciam a transformação martensítica induzida por deformação).

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

• Microestrutura como fabricada:
• Tanto 301 quanto 304 são predominantemente austeníticos à temperatura ambiente quando no estado de recozimento em solução.
• 301 tem uma estabilidade de austenita mais baixa do que 304; sob trabalho a frio significativo, 301 pode se transformar parcialmente em martensita induzida por deformação ou exibir maior densidade de discordâncias e gêmeos de deformação, dependendo da variante da liga e da temperatura.
• Resposta ao trabalho a frio e tratamento térmico:
• O recozimento (tratamento em solução) retorna ambas as ligas a uma estrutura ductil, totalmente austenítica.
• Não há endurecimento convencional por resfriamento e tempera para esses aços inoxidáveis austeníticos como ocorre com aços ferríticos/martensíticos; os tratamentos térmicos são usados principalmente para alívio de tensões, recozimento em solução ou estabilização de carbonetos (com adições de Ti ou Nb).
• Processamento termo-mecânico: 301 é frequentemente laminado a frio para alcançar maior resistência ao escoamento e resistência à tração por meio do endurecimento por trabalho; 304 também endurece, mas em menor grau e mantém maior ductilidade no estado recozido.
• Implicação prática: a propensão de 301 a endurecer por trabalho (e formar martensita em algumas condições) é explorada para tiras de mola, estruturas de assento e peças moldadas de alta resistência; 304 é favorecido onde a estabilidade dimensional e a resistência à corrosão consistente são necessárias.

4. Propriedades Mecânicas

Explicação: - 301 pode alcançar resistências mais altas do que 304 através da deformação a frio porque seu equilíbrio de liga (níquel mais baixo, energia de falha de empilhamento ligeiramente diferente) promove uma acumulação mais rápida de discordâncias e, em alguns casos, martensita induzida por deformação. Isso resulta em maiores resistências à tração e ao escoamento após a conformação, o que é vantajoso para molas e componentes moldados de alta resistência. - 304 mantém uma ductilidade uniforme superior e uma tenacidade mais consistente em aplicações onde há mínima deformação a frio ou onde as tensões de conformação devem ser mantidas baixas para preservar a resistência à corrosão ou o acabamento superficial.

5. Soldabilidade

• Tanto 301 quanto 304 soldam facilmente com processos comuns de soldagem inoxidável (TIG, MIG, soldagem por resistência). As principais considerações de soldabilidade são o teor de carbono (risco de sensibilização), a presença de estabilizadores (Ti/Nb) e tensões residuais.
• Carbono e endurecibilidade: o carbono mais alto aumenta o risco de sensibilização (precipitação de carboneto de cromo) na zona afetada pelo calor durante o resfriamento lento, especialmente para graus com maior C. Variantes de baixo carbono (por exemplo, 304L, 301L) reduzem esse risco.
• Uso de índices de soldabilidade:
• O equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Interpretando $CE_{IIW}$ qualitativamente: valores mais altos indicam maior risco de trincas relacionadas à endurecibilidade em aços; para aços inoxidáveis austeníticos, o índice ajuda a enquadrar a suscetibilidade, embora os austeníticos geralmente se comportem de maneira diferente dos aços ferríticos.
• A fórmula Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ Interpretando $P_{cm}$ qualitativamente: valores mais altos sugerem maior preocupação com trincas a frio e comportamento da zona afetada pelo calor da solda; para 301 e 304, os valores são geralmente baixos em comparação com aços de alta liga, mas o controle de carbono e a seleção de eletrodos permanecem importantes.
• Orientação prática para soldagem:
• Use graus de baixo carbono ou estabilizados para soldagem crítica em serviço de corrosão ou para seções pesadas onde ocorre resfriamento lento.
• Use eletrodos de níquel correspondente ou ligeiramente mais alto para juntas críticas de corrosão; para 301, escolha eletrodos que mantenham a ductilidade e a resistência à corrosão após trabalho a frio e soldagem.

6. Corrosão e Proteção Superficial

• Comportamento inoxidável:
• O cromo fornece o filme passivo; o níquel estabiliza a estrutura austenítica e promove resistência à trinca por corrosão sob tensão por cloretos em alguns contextos.
• Use o índice PREN para avaliar a resistência à corrosão por picotamento onde aplicável: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Nota: PREN é mais aplicável para avaliar a resistência ao picotamento de graus inoxidáveis mais altamente ligados (por exemplo, duplex, superausteníticos); 301 e 304 tipicamente têm pontuações comparativamente baixas em PREN porque nenhum contém Mo.
• Resistência à corrosão comparativa:
• 304 geralmente oferece melhor resistência à corrosão geral do que 301 devido ao seu maior teor de cromo e níquel.
• Onde há risco de picotamento severo por cloretos ou corrosão em fendas, nem 301 nem 304 são ideais; graus contendo Mo (por exemplo, 316) ou graus duplex são preferidos.
• Alternativas não inoxidáveis e proteção superficial:
• Para aços não inoxidáveis, métodos como galvanização, pintura ou revestimentos metálicos são utilizados; estes estão fora do escopo para 301/304, mas são pertinentes quando o custo exige substituição.
• Acabamento superficial, trabalho a frio e tensões residuais influenciam o desempenho à corrosão. Trabalho a frio intenso em 301 pode causar mudanças locais no comportamento eletroquímico; a passivação ou o recozimento pós-formação podem ser usados para restaurar a resistência à corrosão.

7. Fabricação, Maquinabilidade e Conformabilidade

• Conformabilidade:
• 301 é frequentemente especificado para aplicações que requerem alto controle de retorno elástico e aumento de resistência após a conformação, pois endurece fortemente; no entanto, a conformação intensa pode causar redução da ductilidade e risco de trincas se excessivamente trabalhado.
• 304 oferece excelente conformabilidade na condição recozida, com excelentes características de alongamento, conformação profunda e dobra.
• Maquinabilidade:
• Ambos têm maquinabilidade relativamente baixa em comparação com aços carbono; 301 pode ser mais difícil de usinar na condição trabalhada a frio devido ao aumento da dureza.
• A escolha de ferramentas, velocidades de corte e estratégias de resfriamento é importante.
• Acabamento superficial e finalização:
• Trabalho a frio em 301 pode causar distorção superficial ou marcas de deformação; tratamentos de polimento e passivação são comuns para restaurar a aparência e a resistência à corrosão.
• 304 é geralmente mais fácil de finalizar para uma superfície estética na condição recozida.

8. Aplicações Típicas

Racional de seleção: - Escolha 301 quando alta resistência após conformação a frio e sensibilidade ao custo (níquel mais baixo) são prioridades, e quando a aplicação tolera uma resistência à corrosão um pouco mais baixa ou quando as peças serão tratadas posteriormente. - Escolha 304 quando desempenho consistente à corrosão, conformabilidade e ampla aplicabilidade em serviço higiênico ou arquitetônico dominam a especificação.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo:
• 301 geralmente tem custo de liga mais baixo do que 304 devido ao seu menor teor de níquel; isso o torna atraente onde a sensibilidade ao preço do níquel e a resistência por conformação são prioridades.
• 304 é mais caro do que 301 com base no teor de liga, mas continua sendo um dos graus inoxidáveis mais comumente estocados em todo o mundo.
• Disponibilidade:
• Ambas as ligas estão amplamente disponíveis em produtos de chapa, bobina, tira, barra e tubo soldado. 304 geralmente tem uma cobertura de forma de produto mais ampla e maior profundidade de estoque devido ao seu status de uso geral.
• Variantes especiais ou produtos de tolerância apertada podem ter prazos de entrega; especifique certificações de fábrica e forma do produto cedo na aquisição.

10. Resumo e Recomendação

Conclusão: - Escolha 301 se precisar de maior resistência a partir da conformação a frio (por exemplo, molas, peças estampadas de alta resistência), quiser reduzir o custo do material usando menor teor de níquel e puder gerenciar quaisquer tratamentos pós-conformação necessários para manter o desempenho à corrosão. - Escolha 304 se resistência à corrosão, ductilidade consistente, ampla soldabilidade e aplicabilidade de uso geral forem requisitos primários—particularmente para aplicações alimentícias, farmacêuticas, arquitetônicas e muitos serviços químicos.

Se os requisitos do projeto incluem exposição severa a cloretos, serviço em temperatura elevada ou resistência rigorosa ao picotamento, considere graus de alta liga (por exemplo, 316, inoxidável duplex) em vez de selecionar entre 301 e 304.