310S vs 321 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura comumente enfrentam uma escolha entre os aços inoxidáveis 310S e 321 ao especificar peças que devem equilibrar desempenho em alta temperatura, resistência à corrosão, soldabilidade e custo. Os contextos típicos de decisão incluem componentes de forno em alta temperatura, trocadores de calor, sistemas de escape e montagens soldadas que podem estar expostas a condições de sensibilização.

A distinção prática central entre os dois graus é sua estratégia de liga para estabilidade em alta temperatura e pós-solda: 310S é uma liga austenítica de alto cromo e alto níquel otimizada para resistência à oxidação e ao fluência em temperaturas elevadas, enquanto 321 é uma liga austenítica estabilizada por titânio projetada para resistir à corrosão intergranular após a soldagem, prevenindo a precipitação de carbonetos de cromo. Por causa dessa diferença, os projetistas os comparam quando a aplicação impõe demandas simultâneas sobre a capacidade de temperatura, desempenho da solda e resistência à corrosão a longo prazo.

1. Normas e Designações

As principais normas e designações comumente usadas para esses graus incluem: - ASTM/ASME: 310S — ASTM A240/A240M (aço inoxidável resistente ao calor), 321 — ASTM A240/A240M (aço inoxidável austenítico estabilizado). - EN (Europa): 310S aproximadamente EN 1.4845 / X10CrNi25-21; 321 aproximadamente EN 1.4541 / X6CrNiTi18-10. - JIS (Japão): existem equivalentes (por exemplo, SUS310S, SUS321). - GB (China): designações GB/T correspondentes são comumente usadas para chapa e placa.

Classificação: tanto 310S quanto 321 são aços inoxidáveis austeníticos (classe de liga inoxidável), não aços carbono, aços para ferramentas ou HSLA.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

Elemento (wt%)	310S (faixa típica)	321 (faixa típica)
C	≤ 0.08	≤ 0.08
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1.5	≤ 0.75
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	24 – 26	17 – 19
Ni	19 – 22	9 – 12
Mo	— (traço, se houver)	— (traço, se houver)
V	—	—
Nb	—	—
Ti	—	~0.4 – 0.7 (estabilizador; tipicamente ≥ 5×C)
B	—	—
N	≤ 0.10	≤ 0.10

Notas sobre a estratégia de liga - O 310S depende de altos teores de cromo e níquel para estabilizar uma matriz austenítica em temperaturas elevadas, melhorando a resistência à oxidação e a resistência em alta temperatura. - O 321 contém titânio em quantidades suficientes para amarrar o carbono como carbonetos estáveis (TiC) e assim prevenir a precipitação de carbonetos de cromo (sensibilização) na faixa de 425–870°C. O titânio não aumenta substancialmente a resistência à corrosão base, mas a preserva após a soldagem ou exposição térmica.

Como a liga afeta as propriedades - O cromo aumenta a resistência à oxidação e a estabilidade do filme passivo. - O níquel estabiliza a matriz austenítica, melhora a tenacidade e a ductilidade, e aumenta a resistência em alta temperatura. - O titânio no 321 melhora a resistência à corrosão intergranular pós-solda formando carbonetos estáveis em vez de carbonetos de cromo. - O carbono elevado (não típico aqui) aumenta a resistência, mas eleva a suscetibilidade à sensibilização; ambos os graus são variantes de baixo carbono para limitar esse efeito.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestruturas típicas - Tanto o 310S quanto o 321 são totalmente austeníticos à temperatura ambiente em condições de recozimento padrão. A estrutura do grão é austenita equiaxial após o recozimento. - O 321 em condições de solda ou expostas contém precipitados de TiC/Ti(C,N) que amarram o carbono; esses precipitados são tipicamente finos e distribuídos nas fronteiras dos grãos e dentro dos grãos. - O 310S não contém titânio: em excursões térmicas dentro da faixa de sensibilização, carbonetos de cromo (Cr23C6) podem precipitar perto das fronteiras dos grãos, a menos que se tome cuidado com a entrada de calor e o resfriamento.

Resposta ao tratamento térmico e processamento - Recozimento: ambos são recozidos para restaurar a ductilidade após trabalho a frio (recozimento típico seguido de resfriamento controlado). As soluções para austeníticos inoxidáveis geralmente estão na região recomendada pelas normas (seguir as fichas técnicas do fornecedor). - Normalização e têmpera: não aplicável no mesmo sentido que para aços martensíticos—essas ligas austeníticas não são endurecidas por têmpera. Sua resposta à têmpera convencional é mínima porque são ligas austeníticas não transformáveis. - Processamento termo-mecânico: o trabalho a frio aumenta a resistência por endurecimento por deformação em ambos os graus; no entanto, o trabalho a frio mais o subsequente aquecimento no 321 não produz sensibilização na mesma medida que o 310S porque o titânio estabiliza o carbono.

Implicação prática - Para componentes sujeitos a ciclos térmicos repetidos ou soldagem, o 321 oferece uma microestrutura pós-solda mais previsível e resistência ao ataque intergranular. Para serviço contínuo resistente à oxidação em alta temperatura, o maior teor de Cr/Ni do 310S oferece uma vantagem.

4. Propriedades Mecânicas

Propriedade (típica, recozida, temperatura ambiente)	310S	321
Resistência à tração	Comparável; ambos são moderados (austeníticos)	Comparável; faixa similar
Limite de escoamento (offset de 0,2%)	Comparável; moderado	Comparável; moderado
Alongamento (ductilidade)	Alto (boa conformabilidade)	Alto (boa conformabilidade)
Tenacidade ao impacto	Boa, resistente a entalhes à temperatura ambiente; mantém a tenacidade em temperaturas elevadas	Boa; mantém a tenacidade após exposições à solda devido à estabilização
Dureza (recozida)	Baixa a moderada (facilmente trabalhada a frio)	Baixa a moderada (facilmente trabalhada a frio)

Interpretação - Ambos os graus exibem comportamento mecânico semelhante à temperatura ambiente porque ambos são aços inoxidáveis austeníticos na condição recozida. As diferenças são sutis: o maior teor de Ni e Cr do 310S proporciona uma resistência em alta temperatura e resistência à fluência um pouco melhores; o teor de titânio do 321 ajuda a manter a tenacidade e a resistência à corrosão após a soldagem e exposição térmica. Para peças estruturais críticas em termos de design, os projetistas devem usar dados de teste mecânico certificados pelo fornecedor para a forma do produto e o tratamento térmico especificado.

5. Soldabilidade

Considerações sobre soldabilidade focam no teor de carbono, elementos estabilizadores e endurecibilidade. Para aços inoxidáveis, equivalentes de carbono e Pcm podem ser indicadores qualitativos úteis.

Equações comuns usadas para estimar tendências de trincas na solda/endurecibilidade: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação qualitativa - Tanto o 310S quanto o 321 são relativamente fáceis de soldar em comparação com aços ferríticos ou martensíticos porque a microestrutura austenítica não sofre transformação martensítica e tem baixa endurecibilidade. - O 321 tem uma vantagem para componentes soldados sujeitos a ciclos térmicos pós-solda porque o titânio previne a formação de carbonetos de cromo e, assim, reduz o risco de corrosão intergranular na zona afetada pelo calor (HAZ). - O 310S, embora soldável, requer controle cuidadoso dos parâmetros de soldagem e procedimentos pós-solda se a montagem estiver sujeita a temperaturas sensibilizadoras ou ambientes corrosivos; a seleção do material de adição e o resfriamento pós-solda adequado são importantes. - O pré-aquecimento e o tratamento térmico pós-solda geralmente não são necessários para esses graus austeníticos, mas boas práticas de soldagem (consumíveis apropriados, controle da entrada de calor e limpeza) são importantes para evitar contaminação e perda de nitrogênio.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

Comportamento inoxidável - Tanto o 310S quanto o 321 formam filmes passivos ricos em cromo protetores em ambientes oxidantes; sua resistência à corrosão geral é semelhante em muitos ambientes aquosos. - O 310S tem maior teor de Cr e Ni, portanto, oferece resistência superior à oxidação em alta temperatura e melhor desempenho em atmosferas oxidantes em temperaturas elevadas. - A estabilização por titânio do 321 é especificamente direcionada para prevenir a corrosão intergranular após a exposição à faixa de temperatura de sensibilização.

PREN (número equivalente de resistência à picotamento) é frequentemente usado para comparar resistência ao picotamento em ambientes contendo cloreto: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - O PREN é mais útil para aços inoxidáveis duplex e austeníticos que contêm molibdênio e nitrogênio. Para 310S e 321, que tipicamente contêm pouco ou nenhum Mo, o PREN não é um critério de seleção primário: ambos têm resistência ao picotamento modesta em relação aos graus contendo Mo.

Alternativas não inoxidáveis e proteção de superfície - Onde graus inoxidáveis não são necessários, as proteções de superfície comuns incluem galvanização, pintura e revestimento. Estas não são substitutos para o desempenho inoxidável em alta temperatura ou em ambientes oxidantes agressivos; a seleção depende das condições de serviço esperadas.

7. Fabricação, Maquinabilidade e Conformabilidade

• Maquinabilidade: Como aços inoxidáveis austeníticos, ambos são mais difíceis de usinar do que aços carbono; eles endurecem facilmente e requerem ferramentas afiadas, montagens rígidas e alimentações/velocidades apropriadas. O 310S pode ser um pouco mais difícil de usinar devido ao maior teor de liga, mas as diferenças são modestas.
• Conformabilidade: Ambos exibem excelente ductilidade e conformabilidade na condição recozida. O retorno elástico e o endurecimento por trabalho são considerações comuns; recozimentos intermediários podem ser necessários para conformação pesada.
• Acabamento de superfície e polimento: A maior resistência à corrosão do 310S geralmente permite um bom polimento e resiste à exposição oxidante em alta temperatura; o 321 também polido bem.
• Trabalho a frio: Ambos podem ser trabalhados a frio para aumentar a resistência, mas o trabalho a frio reduz a ductilidade e pode alterar o comportamento de corrosão, a menos que sejam recozidos novamente.

8. Aplicações Típicas

310S — Usos Típicos	321 — Usos Típicos
Partes de forno, muflas e tubos radiantes (serviço de oxidação em alta temperatura)	Componentes de escape de aeronaves, juntas de expansão e equipamentos de processamento químico soldados (estabilizados contra corrosão intergranular)
Componentes de trocador de calor operando em temperatura elevada	Parafusos, flanges e fabricados soldados onde a resistência à corrosão pós-solda é crítica
Revestimentos de queimadores, cestos de recozimento	Equipamentos petroquímicos e de processamento de alimentos expostos a cargas térmicas cíclicas e soldagem

Racional de seleção - Escolha 310S onde a resistência contínua ou cíclica à oxidação em alta temperatura e a resistência em alta temperatura são requisitos primários. - Escolha 321 onde as juntas soldadas devem manter a resistência à corrosão na faixa de sensibilização ou onde o componente verá ciclos térmicos repetidos e a soldagem é extensa.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo: O 310S é tipicamente mais caro que o 321 por quilo devido ao seu maior teor de níquel e cromo. O níquel é o principal fator de custo.
• Disponibilidade: Ambos estão amplamente disponíveis em todo o mundo em formas de chapa, placa, tubo e barra, mas certas formas de produto (por exemplo, tubo sem costura de grande diâmetro em 310S) podem ser menos comuns e exigir prazos de entrega mais longos. As condições do mercado local e a volatilidade do preço do níquel afetam o custo relativo e os prazos de entrega.

10. Resumo e Recomendação

Atributo	310S	321
Soldabilidade	Boa, mas atenção à sensibilização da HAZ em algumas condições	Muito boa para estruturas soldadas (estabilizado por titânio)
Resistência–Tenacidade (temperatura ambiente)	Comparável ao 321; melhor resistência em alta temperatura	Comparável ao 310S; melhor resistência à corrosão retida após soldagem
Custo	Maior (maior Ni/Cr)	Menor (Ni/Cr moderado)

Recomendações - Escolha 310S se: - A aplicação requer resistência superior à oxidação em alta temperatura ou resistência à fluência. - O serviço contínuo em temperaturas elevadas ou atmosferas oxidantes é o principal fator de design. - O custo extra do material é justificado pelo desempenho em temperatura.

• Escolha 321 se:
• A peça será soldada com frequência ou será exposta a ciclos térmicos transitórios que podem causar sensibilização.
• A resistência a longo prazo à corrosão intergranular em estruturas soldadas é importante.
• Você deseja um grau austenítico econômico com boa resistência geral à corrosão e desempenho estável pós-solda.

Nota final Sempre confirme a seleção do material com os certificados de fábrica do fornecedor e considere a geometria do componente, os ciclos térmicos esperados, o ambiente (oxidante vs. redutor, presença de cloreto) e o processo de fabricação. Para aplicações críticas, solicite dados completos de teste mecânico para a forma específica do produto e, em caso de dúvida, realize testes de soldagem e corrosão representativos para validar o grau escolhido nas condições de serviço pretendidas.