304 vs 316 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
Os aços inoxidáveis 304 e 316 são duas das classificações austeníticas mais especificadas na indústria. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura frequentemente devem decidir entre eles ao equilibrar resistência à corrosão, usinabilidade/soldabilidade, necessidades mecânicas e custo. Os contextos típicos de decisão incluem processamento de alimentos e equipamentos de cozinha (onde custo e conformabilidade são importantes) versus serviço marinho ou químico (onde a resistência à corrosão por cloreto é crítica).
A principal distinção metalúrgica é que o 316 é ligado ao molibdênio (e frequentemente tem um teor de níquel ligeiramente mais alto), o que aumenta a resistência à corrosão localizada—especialmente à corrosão por picotamento e fendas em ambientes contendo cloreto. Como ambos são aços inoxidáveis austeníticos com conteúdos base de cromo e níquel semelhantes, eles são frequentemente comparados para escolhas de substituição ou especificação.
1. Normas e Designações
As normas e designações internacionais comuns para 304 e 316 incluem:
- ASTM/ASME: A240/A276/A312 (placa, barra, tubo, respectivamente)
- EN: 1.4301 (304), 1.4401 (316) e suas variantes de baixo carbono/estabilizadas (por exemplo, 1.4307 = 304L, 1.4404 = 316L)
- JIS: SUS304, SUS316
- GB (China): 0Cr18Ni9 (aprox. 304), 0Cr17Ni12Mo2 (aprox. 316)
Classificação: tanto 304 quanto 316 são aços inoxidáveis (austeníticos). Eles não são aços carbono, aços para ferramentas ou graus HSLA.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
A tabela a seguir resume as faixas composicionais típicas para as classificações comerciais comuns 304 e 316 (recozido, graus padrão). Normas de produtos e fornecedores podem especificar limites ligeiramente diferentes; variantes estabilizadas ou de baixo carbono (por exemplo, 304L, 316L, 316Ti, 316Nb) alteram algumas entradas.
| Elemento | 304 (faixa típica, % em peso) | 316 (faixa típica, % em peso) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 | ≤ 0.08 |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 0.75 | ≤ 0.75 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 17.0–19.0 | 16.0–18.0 |
| Ni | 8.0–10.5 | 10.0–14.0 |
| Mo | — (tipicamente 0) | 2.0–3.0 |
| V | traço (não especificado) | traço (não especificado) |
| Nb | não presente (exceto graus estabilizados) | não presente (exceto graus estabilizados) |
| Ti | não presente (exceto graus estabilizados) | não presente (exceto graus estabilizados) |
| B | traço / não especificado | traço / não especificado |
| N | pequeno, controlado (frequentemente ≤ 0.1) | pequeno, controlado (frequentemente ≤ 0.1) |
Como a liga afeta o desempenho - O cromo (Cr) fornece o filme de óxido passivo que confere ao aço inoxidável sua resistência básica à corrosão. - O níquel (Ni) estabiliza a fase cúbica de face centrada (austenítica), melhorando a tenacidade, ductilidade e desempenho em baixa temperatura. - O molibdênio (Mo), presente no 316, aumenta a resistência ao picotamento e à corrosão por fenda em ambientes contendo cloreto e melhora a resistência a alguns meios químicos. - O teor de carbono afeta a resistência e a suscetibilidade à sensibilização (precipitação de carbonetos) durante o aquecimento/soldagem; variantes de baixo carbono (304L, 316L) ou graus estabilizados mitigam a sensibilização.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestrutura - Tanto o 304 quanto o 316 são totalmente austeníticos à temperatura ambiente (cúbica de face centrada, FCC) após recozimento padrão. - A microestrutura consiste tipicamente em uma austenita de fase única com possíveis quantidades traço de ferrita delta, dependendo do processamento e da composição.
Resposta ao tratamento térmico e processamento - Os aços inoxidáveis austeníticos são essencialmente não tratáveis termicamente para endurecimento por têmpera e revenimento da maneira que os aços ferríticos/marteníticos são. As propriedades mecânicas são definidas principalmente pelo trabalho a frio e pela endurecimento por trabalho. - Processos térmicos comuns: - O recozimento em solução (tipicamente em torno de 1.050–1.100 °C seguido de têmpera) dissolve carbonetos e restaura a resistência à corrosão e a ductilidade. - O recozimento de alívio de tensões a temperaturas mais baixas é usado seletivamente, mas pode correr o risco de precipitação de carbonetos se mantido na faixa de sensibilização (~500–800 °C). - Sensibilização: a exposição prolongada na faixa de 500–800 °C causa a precipitação de carbonetos de cromo nas fronteiras dos grãos, esgotando o cromo em áreas adjacentes e aumentando a suscetibilidade à corrosão intergranular. Mitigação: especifique graus de baixo carbono (304L/316L) ou graus estabilizados (TP347/316Ti) ao soldar ou quando o serviço envolver temperaturas que possam causar sensibilização. - O trabalho a frio aumenta a resistência através do endurecimento por deformação, mas também aumenta a suscetibilidade à corrosão localizada se a deformação danificar o filme passivo.
4. Propriedades Mecânicas
As propriedades mecânicas dependem da forma do produto (chapas, placas, barras, fios), tratamento térmico e trabalho a frio. A tabela fornece faixas típicas recozidas, disponíveis comercialmente; valores precisos devem ser confirmados a partir de certificados de material ou normas para aquisição.
| Propriedade (recozido, típico) | 304 | 316 |
|---|---|---|
| Resistência à tração (UTS) | ~480–620 MPa (faixa típica) | ~480–620 MPa (faixa típica) |
| Resistência ao escoamento (0.2% offset) | ~190–310 MPa (varia conforme o produto) | ~190–310 MPa (varia conforme o produto) |
| Alongamento (A%) | ≥ 40% (gauge fino maior) | ≥ 40% (gauge fino maior) |
| Tenacidade ao impacto (temperatura ambiente) | Alta; mantém ductilidade e tenacidade | Alta; semelhante ou ligeiramente melhor em baixa temperatura |
| Dureza (recozido) | HB ~120–200 (dependente do endurecimento por trabalho) | HB ~120–200 (dependente do endurecimento por trabalho) |
Interpretação - Resistência: Na condição recozida, 304 e 316 exibem resistências à tração e ao escoamento muito semelhantes; as diferenças de resistência são tipicamente pequenas em comparação com os efeitos do trabalho a frio ou da forma do produto. - Tenacidade e ductilidade: Ambas as classificações são tenazes e dúcteis em temperaturas ambiente e sub-zero devido à microestrutura austenítica estável. O 316 pode manter uma tenacidade ligeiramente melhor em alguns ambientes de baixa temperatura ou altamente corrosivos devido à sua liga, mas as diferenças são modestas. - Dureza: Ambos são relativamente macios no estado recozido; a dureza pode aumentar substancialmente com o trabalho a frio.
5. Soldabilidade
A soldabilidade de ambos 304 e 316 é geralmente muito boa usando processos de soldagem por fusão padrão (TIG, MIG, SMAW, etc.). Considerações chave:
- Nível de carbono e sensibilização: o teor de carbono controla a suscetibilidade à corrosão intergranular após a soldagem. Use variantes de baixo carbono (304L, 316L) ou graus estabilizados (por exemplo, 316Ti) para soldagens de espessura pesada ou quando o recozimento em solução pós-soldagem for impraticável.
- Dureza e endurecibilidade: os aços inoxidáveis austeníticos têm baixa endurecibilidade; a formação de martensita na HAZ da solda é incomum em comparação com os aços ferríticos.
- Índices de soldabilidade (qualitativos): fórmulas de equivalente de carbono ajudam a avaliar o risco de trincas ou endurecibilidade. Exemplos de índices comumente usados por engenheiros são: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ e $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- Interpretação qualitativa: tanto 304 quanto 316 produzem soldas dúcteis e resistentes a trincas com procedimentos adequados. O Mo e o teor mais alto de Ni do 316 podem exigir atenção na seleção do material de adição para corresponder ao desempenho contra corrosão. O recozimento em solução pós-soldagem ou o uso de graus de baixo carbono/estabilizados minimiza a sensibilização.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
Graus inoxidáveis - O filme passivo de Cr2O3 em ambos 304 e 316 confere resistência geral à corrosão no ar e em muitos ambientes aquosos. - Para corrosão localizada (picotamento, corrosão por fenda) em ambientes contendo cloreto, o molibdênio é um elemento de liga eficaz. Use o número equivalente de resistência ao picotamento (PREN) como um índice comparativo: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Qualitativamente, o 316 (com Mo) terá um PREN mais alto do que o 304 e, portanto, uma resistência superior ao picotamento em meios contendo cloreto. - A sensibilização e a corrosão intergranular ocorrem se o carbono se combinar com o cromo nas fronteiras dos grãos; graus de baixo carbono ou estabilizados mitigam isso.
Aços não inoxidáveis - Para aços carbono e de baixo liga (não são o objeto desta comparação), os métodos de proteção contra corrosão incluem galvanização, pintura, revestimentos poliméricos ou proteção catódica. O PREN não se aplica a metais não inoxidáveis.
7. Fabricação, Usinabilidade e Conformabilidade
- Conformabilidade: 304 é geralmente considerado ligeiramente mais fácil de conformar e esticar do que 316 na condição recozida; ambos são amplamente utilizados para conformação profunda e formas complexas. O trabalho a frio aumenta a resistência, mas reduz a ductilidade.
- Usinabilidade: Aços inoxidáveis austeníticos são mais difíceis de usinar do que aços carbono devido ao endurecimento por trabalho e tenacidade. O 316, devido ao Mo e ao teor mais alto de níquel, frequentemente é usinado ligeiramente com mais dificuldade do que o 304 e pode gerar desgaste rápido das ferramentas; use ferramentas afiadas, montagens rígidas, alimentação positiva e refrigerante apropriado.
- Acabamento de superfície: ambos aceitam acabamentos mecânicos e eletropolidos padrão. O 316 é frequentemente preferido onde o eletropolido e a passivação serão utilizados em ambientes com cloreto.
- Diretrizes de conformação e soldagem: evite superaquecimento e longas manutenções na faixa de 500–800 °C para prevenir sensibilização; planeje sequências de soldagem e seleções de material de adição para preservar o desempenho contra corrosão.
8. Aplicações Típicas
| 304 — Usos Típicos | 316 — Usos Típicos |
|---|---|
| Equipamentos de cozinha, pias, equipamentos de processamento de alimentos (não cloreto) | Hardware marinho, bombas, válvulas e conexões expostas à água do mar |
| Acabamentos arquitetônicos e corrimãos internos | Equipamentos químicos e petroquímicos que manipulam cloretos ou ácidos |
| Equipamentos de bebidas e laticínios | Dispositivos farmacêuticos e médicos onde a resistência ao cloreto é necessária |
| Fixadores (uso interno), painéis decorativos | Trocadores de calor, tubos de condensadores em plantas marinhas ou costeiras |
| Acabamentos automotivos e componentes internos | Plataformas offshore, componentes de construção naval, infraestrutura costeira |
Racional de seleção - Escolha 304 quando o serviço não envolver ataque significativo de cloreto e custo e conformabilidade forem prioridades. - Escolha 316 quando o serviço incluir exposição à água do mar, salmouras ou produtos químicos ricos em cloreto onde resistência aprimorada ao picotamento e à corrosão por fenda é necessária.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo: 316 é tipicamente mais caro do que 304 porque o molibdênio e frequentemente o teor mais alto de níquel aumentam o custo do material. As diferenças de preço variam com as flutuações do mercado em Ni e Mo.
- Disponibilidade: 304 é mais amplamente estocado em uma gama mais ampla de formas de produtos (chapas, placas, barras, fixadores) e espessuras. 316 está amplamente disponível, mas pode ter prazos de entrega mais longos ou quantidades mínimas de pedido mais altas para algumas formas de produtos especiais (por exemplo, tubos sem costura de grande diâmetro ou placas pesadas).
- Nota de aquisição: especifique a classificação exata, a forma do produto e quaisquer variantes de baixo carbono ou estabilizadas ao fazer o pedido para evitar substituições que possam prejudicar o desempenho contra corrosão.
10. Resumo e Recomendação
Tabela de resumo (qualitativa)
| Aspecto | 304 | 316 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Excelente (use 304L ou estabilização conforme necessário) | Excelente (use 316L ou estabilização conforme necessário) |
| Resistência–Tenacidade | Boa; semelhante ao 316 no estado recozido | Boa; semelhante ao 304 no estado recozido; mantém tenacidade em ambientes corrosivos |
| Resistência à corrosão (geral) | Boa | Melhor em ambientes de cloreto/picotamento devido ao Mo |
| Conformabilidade | Ligeiramente melhor para conformação profunda | Ligeiramente menos conformável; melhor para serviço em corrosão severa |
| Usinabilidade | Marginalmente mais fácil do que 316 | Ligeiramente mais desafiador; endurece mais |
| Custo | Mais baixo | Mais alto (teor de Mo e Ni aumenta o custo) |
Conclusões e recomendações - Escolha 304 se: - A aplicação for interna ou envolver serviço não cloreto (equipamentos alimentares, acabamentos arquitetônicos) onde resistência geral à corrosão, menor custo e boa conformabilidade são a prioridade. - Você deseja máxima disponibilidade em formas e tamanhos de produtos a um custo de material mais baixo. - Escolha 316 se: - O ambiente de serviço incluir cloretos, água do mar, salmouras ou meios químicos que promovam picotamento e corrosão por fenda. - Uma vida útil mais longa em ambientes agressivos, manutenção reduzida ou maior confiabilidade do material justifica o custo mais alto do material. - Você requer desempenho aprimorado em montagens soldadas onde a resistência à corrosão localizada na área da solda é crítica (e você seleciona opções apropriadas de baixo carbono/estabilizadas conforme necessário).
Dica final de aquisição: Sempre especifique a variante exata da classificação (por exemplo, 304L, 316L, 316Ti), forma do produto, acabamento de superfície e quaisquer requisitos de teste ou certificação. Para ambientes críticos ou agressivos, considere testes de corrosão em laboratório, ensaios de campo ou qualificação de material para validar a seleção da classificação para o serviço pretendido.