Pergunte a um Engenheiro: Dominando as Propriedades do Aço Inoxidável Austenítico

Aço inoxidável austenítico versátil e resistente — mesmo em temperaturas criogênicas ou elevadas

O aço inoxidável é chamado de "inoxidável" por causa de sua resistência à ferrugem. O aço contém ferro e carbono em certas porcentagens: adicionar o elemento cromo o transforma de aço para aço inoxidável. Começando com estes três elementos básicos, metalurgistas criaram uma enorme gama de aços inoxidáveis. Tipos de metais na liga, instruções de liga, tratamentos térmicos e trabalho pós-produção entram na descrição de cada grau. Estas especificações se classificam em quatro subtipos principais: austenítico, ferrítico, martensítico e duplex. Todos são úteis, mas os aços austeníticos se destacam por sua utilidade superior. 70% dos itens de aço inoxidável são feitos de aço inoxidável austenítico.

O cromo torna o aço inoxidável resistente à corrosão oxidando rapidamente. Isso forma um selo, ou "camada passiva", que protege o metal à base de ferro da ferrugem. O aço inoxidável austenítico tem um elemento de liga adicional, níquel, que lhe dá propriedades de resistência e ductilidade.

Propriedades do aço inoxidável austenítico

O aço inoxidável austenítico tem muitas propriedades úteis:

• Altamente resistente à corrosão
• Durável
• Conformável
• Soldável
• Não se torna frágil em temperaturas criogênicas
• Maior faixa de resistência a quente que outros tipos de inoxidável
• Maior expansão térmica que aços inoxidáveis martensíticos e ferríticos
• Menor condutividade térmica que graus martensíticos
• Geralmente não magnético; levemente magnético se trabalhado a frio

Estas propriedades tornam o aço inoxidável austenítico versátil e ideal para muitas aplicações, incluindo cozinhas e equipamentos de processamento de alimentos, laboratórios e hospitais, mobiliários urbanos externos e revestimentos, fornos e fornalhas, trocadores de calor e mais. A série 300 comercialmente comum, incluindo os graus comuns 304 e 316, são aços austeníticos.

O aço austenítico tem estas propriedades úteis por causa de sua estrutura molecular. No entanto, é caro criar e manter as moléculas de austenita dentro do aço. Estes aços são portanto usados apenas onde suas propriedades aprimoradas são necessárias.

Microestrutura austenítica

Quando metais congelam do estado fundido, eles cristalizam e formam grãos que se ligam uns aos outros em uma rede. Esta estrutura cristalina determina muitas das propriedades mecânicas do metal.

Existem muitos fatores que influenciam esta microestrutura: os materiais dentro da rede, quão quente o metal fica e quão rápido esfria, e se o metal é tratado termicamente depois. Ligas austeníticas têm algo chamado "microestrutura cúbica de face centrada". Esta rede é feita de células densamente empacotadas. Moléculas de austenita de face centrada só aparecem em aços suaves quando o ferro está em estado fundido. Quando metalurgistas adicionam níquel à liga, esta estrutura pode manter-se mesmo quando o metal está frio.

Estruturas cúbicas de face centrada têm átomos em cada canto da célula, mais átomos no centro de cada face do cubo. São os átomos na face de cada cubo que dão ao aço austenítico suas propriedades. A densidade de átomos por célula dá a ele resistência. Muitas outras formas de aço e aço inoxidável têm estruturas menos densamente empacotadas sem o átomo no centro de cada face.

O aço inoxidável austenítico é não magnético porque cada átomo na célula pode encontrar um par com carga oposta.

Aço inoxidável austenítico: adequado para criogenia

Estruturas cúbicas de face centrada são mais resistentes em temperaturas extremas devido à força extra dos átomos adicionais por célula.

Aços inoxidáveis austeníticos são os únicos tipos de inoxidável que não se tornam frágeis e facilmente fraturados em aplicações criogênicas. Mesmo abaixo de -180°C (-292°F), este material mantém sua tenacidade e alongamento. Quando golpeado, as moléculas podem deslizar umas sobre as outras sem se estilhaçar.

Em comparação, estruturas cúbicas de corpo centrado geralmente evidenciam uma temperatura de "transição" abaixo da qual o material se estilhaça se mecanicamente estressado. Isso é chamado de fragilização a baixa temperatura.

Tolerância ao calor ou resistência a quente

Quando metais são aquecidos, eles amolecem, até atingirem seus pontos de fusão. Aqueles que amolecem menos rapidamente têm maior resistência a quente. O aço inoxidável austenítico começa a perder sua resistência entre 482-538°C (900-1000°F) mas não tão rapidamente quanto outros tipos de inoxidável. Temperaturas de serviço contínuo em dois tipos, os aços inoxidáveis martensíticos e ferríticos, estão entre 704-816°C (1300-1500°F). A temperatura máxima de serviço contínuo para aço inoxidável austenítico 310 é 1.149°C (2100°F).

A complexidade dos metais

Metais obtêm suas propriedades de material únicas de sua formação de rede cristalina atômica. Estes grãos são influenciados por muitos aspectos diferentes da produção do metal.

O aço é criado quando o ferro é ligado ao carbono, produzindo uma liga forte, dúctil, mas vulnerável à ferrugem. Cromo é adicionado para ajudar a criar uma camada passiva de óxido e prevenir ferrugem. Quando tratado termicamente entre 912-1.394°C (1.674-2.541°F), o carbono permeia através da rede e o inoxidável agora tem maior ductilidade e resistência. A única forma de manter esta estrutura à temperatura ambiente é tendo níquel e/ou manganês na liga. Estas adições fornecem andaime químico para as células cúbicas de face centrada. Com todos estes elementos, o aço inoxidável austenítico é criado: não magnético, tolerante a calor e frio, dúctil e soldável.

Aços inoxidáveis austeníticos resilientes continuam trabalhando em muitos ambientes industriais. Suas propriedades mecânicas os tornam de longe a escolha mais popular em graus de inoxidável. No entanto, níquel e manganês adicionados tornam os aços austeníticos mais caros: novos aços duplex, que intercalam austenita e ferrita, tendem a ter algumas das propriedades de ambos. São uma forma mais barata de ter alguns benefícios do aço austenítico em ambientes não extremos. No entanto, para aplicações criogênicas, e intensivas em calor como caldeiras, trocadores de calor e linhas de vapor, o aço inoxidável austenítico permanecerá a escolha mais popular.