Um guia completo para aço inoxidável

Graus de aço inoxidável, composição, estrutura molecular, produção e propriedades

Neste guia:

• Como é feito o aço inoxidável?
• Do que é feito o aço inoxidável?
• Tipos de aço inoxidável
• Graus de aço inoxidável
• O aço inoxidável é magnético?
• Propriedades mecânicas do aço inoxidável
• Um olhar técnico – microestrutura molecular do aço inoxidável
• Cuidados e manutenção

Aço inoxidável é o nome comum para um grande grupo de ligas ferrosas que são resistentes à ferrugem. Ao contrário de outras ligas de ferro, o aço inoxidável possui uma camada de passivação estável que o protege do ar e da umidade. Essa resistência à ferrugem o torna uma boa escolha para muitas aplicações, incluindo uso externo, aquoso, de serviços de alimentação e de alta temperatura.

Como é feito o aço inoxidável?

O aço inoxidável pode ser fundido ou forjado. A principal diferença está em como ele é formado em um produto final. Aço inoxidável fundido é feito derramando metal líquido em um recipiente de moldagem com uma forma específica. Aço inoxidável forjado começa em uma siderúrgica, onde fundidores contínuos transformam aço inoxidável em lingotes, blocos, tarugos ou placas. Essas matérias-primas de fabricação devem então ser moldadas por mais trabalho. Eles são reaquecidos e retrabalhados usando técnicas de rolagem ou martelamento.

Os produtos de aço inoxidável forjado são mais comuns do que os produtos de aço inoxidável fundido.

Os objetos de aço inoxidável fundido são geralmente feitos e acabados em uma fundição ou com a supervisão da fundição. Se forem um pequeno componente de um produto maior, a fundição pode ir para outras fábricas para montagem. O aço inoxidável forjado começa em uma siderúrgica, mas é transformado em produto final em outra fábrica.

Do que é feito o aço inoxidável?

Como todo aço, o aço inoxidável começa com uma mistura de ferro e carbono. O que diferencia essa família de ligas é que o aço inoxidável também possui um mínimo de 10,5% de cromo. Este elemento confere ao aço inoxidável sua resistência característica à oxidação. Quando o aço inoxidável é exposto à atmosfera, o cromo se combina com o oxigênio para formar uma fina e estável camada de passivação de óxido de cromo (III) (Cr₂ O₃ ). A camada de passivação protege o aço interior da oxidação e se reforma rapidamente se a superfície for arranhada.

Esta camada de passivação é diferente do chapeamento. Alguns metais são revestidos com zinco, cromo ou níquel, para proteção da superfície. Nesses casos, os benefícios do revestimento são perdidos quando um arranhão penetra no revestimento. O cromo dentro do aço inoxidável fornece mais do que essa proteção de superfície. Cria seu filme passivo sempre que é exposto ao ar. Portanto, mesmo se o aço inoxidável estiver profundamente arranhado, a camada de passivação se autocurará.




FERRO + CARBONO =AÇO

+ CROMO =AÇO INOX
(PELO MENOS 10,5% DE CROMO)

ligas ferríticas




Cromo
(10,5–18%)
Carbono
(0,08–0,15%)

ligas ferríticas

Crómio (10,5–18%)
Carbono (0,08–0,15%)

ligas martensíticas

Carbono
(0,10–1,2%)
+ Cromo
(12-18%)

A produção pode envolver têmpera ou endurecimento ao ar.

ligas martensíticas

Carbono (0,10–1,2%)
+ Cromo (12-18%)

A produção pode envolver têmpera ou endurecimento ao ar.

Ligas austeníticas


+ Cromo
(16%)
+ Níquel
(8+%)


Pode conter molibdênio, titânio ou cobre.

Ligas austeníticas

+ Cromo (16%)
+ Níquel (8+%)

Pode conter molibdênio, titânio ou cobre.

Ligas Duplex



+ Cromo (19+%)
+ Molibdênio
+ pequena quantidade de níquel



Geralmente contém molibdênio, cobre ou outros elementos de liga.

Ligas Duplex

+ Cromo (19+%)
+ Molibdênio
+ pequena quantidade de níquel

Geralmente contém molibdênio, cobre ou outros elementos de liga.

Ligas de endurecimento por precipitação


+ Cromo
+ Níquel
+ Cobre e/ou outros elementos


A produção deve envolver técnicas de tratamento térmico.

Ligas de endurecimento por precipitação

+ Cromo
+ Níquel
+ Cobre e/ou outros elementos


A produção deve envolver técnicas de tratamento térmico.

Tipos de aço inoxidável

Existem várias “famílias” de aço inoxidável. Cada uma dessas famílias tem diferentes proporções de ferro, cromo e carbono. Alguns têm outros elementos, como níquel, molibdênio, manganês ou cobre. As propriedades desses aços variam de acordo com o teor, tornando este um grupo versátil de ligas.

Graus de aço inoxidável

As classes dão uma dica sobre a família de um determinado aço inoxidável. Os graus mais comuns são:

• Inoxidáveis ​​ferríticos:430, 444, 409
• Inoxidáveis ​​austeníticos:304, 302, 303, 310, 316, 317, 321, 347
• Inoxidável martensítico:420, 431, 440, 416
• Duplex inoxidável:2304, 2205

Às vezes, os engenheiros escolhem entre ligas da mesma família, como nas duas classes comerciais populares de aço inoxidável austenítico, 304 vs. 316. No entanto, isso nem sempre é o caso. Os sistemas de exaustão automotivos geralmente escolhem entre 304 e 409. As churrasqueiras podem ser encontradas feitas de 304 ou 430.

O aço inoxidável é magnético?

Usar um ímã para determinar se o metal à sua frente é inoxidável não lhe dará uma resposta definitiva. Alguns graus e tipos de aço inoxidável são magnéticos e outros não – tudo depende dos diferentes elementos da liga.

As classes de aço inoxidável austenítico (série 3xx) não são magnéticas. Sua geladeira de inox que está limpa de ímãs e arte de geladeira? Inoxidável austenítico devido às microestruturas dos cristais. (Leia mais abaixo em nossa seção de tecnologia.)

Os aços inoxidáveis ​​martensíticos e ferríticos mais comuns, como o 430, são magnéticos. Os aços duplex, que são uma mistura de aços austeníticos e ferríticos, geralmente são levemente magnéticos. Um ímã no aço ferrítico mantém-se firme. Ainda no duplex, pode ser mais fácil interromper e deslizar.

Propriedades mecânicas do aço inoxidável

O aço inoxidável é geralmente escolhido porque é resistente à corrosão, mas também é escolhido porque é aço. Propriedades como resistência, rendimento, tenacidade, dureza, resposta ao encruamento, soldabilidade e tolerância ao calor tornam o aço um metal incrivelmente útil em engenharia, construção e fabricação, especialmente devido ao seu custo. Um engenheiro considera a carga de trabalho e as condições atmosféricas do aço inoxidável antes de decidir sobre um grau.

Propriedades de tração

As propriedades de tração dos metais são medidas por tração. Uma barra de tração representativa é submetida a uma força de tração, também conhecida como carga de tração. Após a falha, a resistência à tração, resistência ao escoamento, alongamento e redução da área são medidos.

Dureza

A dureza é a capacidade do aço de resistir à indentação e à abrasão. Os dois testes de dureza mais comuns são Brinell e Rockwell. No teste Brinell, uma pequena esfera de aço endurecido é forçada no aço por uma carga padrão e o diâmetro da impressão resultante é medido. O teste Rockwell mede a profundidade da indentação. A dureza pode ser aumentada em alguns metais por trabalho a frio, também conhecido como endurecimento por trabalho. Em alguns metais, a dureza pode ser aumentada por meio de tratamento térmico.

Resistência

A tenacidade é a capacidade do aço de ceder plasticamente sob tensão muito localizada. Um aço tenaz é resistente a trincas, tornando a tenacidade uma qualidade altamente desejável usada em aplicações de engenharia. O nível de tenacidade é determinado usando um teste dinâmico. Uma barra de amostra é entalhada para localizar a tensão e, em seguida, atingida por um pêndulo oscilante. A energia absorvida na quebra da barra de amostra é medida pela quantidade de energia que o pêndulo perde. Metais resistentes absorvem mais energia, enquanto metais frágeis absorvem menos.

Ferrítico

Os aços inoxidáveis ​​ferríticos contêm ferro, carbono e 10,5 a 18% de cromo. Eles podem conter outros elementos de liga, como molibdênio ou alumínio, mas geralmente em quantidades muito pequenas. Eles têm uma estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (BCC) – a mesma do ferro puro à temperatura ambiente.

Devido à sua estrutura cristalina, os aços inoxidáveis ​​ferríticos são magnéticos. Seu teor de carbono relativamente baixo produz uma resistência correspondentemente baixa. Outras fraquezas do tipo ferrítico incluem baixa soldabilidade e resistência à corrosão reduzida. Eles são, no entanto, desejáveis ​​para aplicações de engenharia devido à sua tenacidade superior. Os aços inoxidáveis ​​ferríticos são frequentemente usados ​​para tubos de escape de veículos, linhas de combustível e acabamentos arquitetônicos.

Austenítico

Os aços inoxidáveis ​​austeníticos têm uma estrutura cristalina cúbica de face centrada (FCC) e são compostos de ferro, carbono, cromo e pelo menos 8% de níquel. Devido ao seu alto teor de cromo e níquel, eles são altamente resistentes à corrosão e não magnéticos. Assim como os aços inoxidáveis ​​ferríticos, os aços inoxidáveis ​​austeníticos não podem ser endurecidos por tratamento térmico. No entanto, eles podem ser endurecidos por trabalho a frio. O alto teor de níquel em aços inoxidáveis ​​austeníticos os torna capazes de funcionar bem em aplicações de baixa temperatura.

Os dois aços inoxidáveis ​​mais comuns – 304 e 316 – são ambos austeníticos. O principal fator por trás da popularidade dos aços inoxidáveis ​​austeníticos é a facilidade com que eles podem ser formados e soldados, tornando-os ideais para fabricação de alta eficiência. Existem muitos subgrupos de aços inoxidáveis ​​austeníticos com grandes variações no teor de carbono. As propriedades são ajustadas ainda mais pela adição de elementos de liga, como molibdênio, titânio e cobre. Os aços inoxidáveis ​​austeníticos são frequentemente usados ​​para produzir pias de cozinha, caixilhos de janelas, equipamentos de processamento de alimentos e tanques de produtos químicos. Eles também são comumente usados ​​para móveis ao ar livre, como bancos, postes de aço inoxidável e bicicletários.

Martensítico

Os aços inoxidáveis ​​martensíticos têm uma estrutura tetragonal de corpo centrado (BCT). Eles contêm 12–18% de cromo e têm um teor de carbono mais alto (0,1–1,2%) do que os aços inoxidáveis ​​austeníticos ou ferríticos. Como a estrutura ferrítica BCC, BCT é magnético. Os aços inoxidáveis ​​martensíticos são altamente úteis em situações em que a resistência do aço é mais importante do que sua soldabilidade ou resistência à corrosão. A principal distinção é que o aço inoxidável martensítico pode ser endurecido por tratamento térmico devido ao seu alto teor de carbono. Isso os torna úteis para várias aplicações, incluindo peças aeroespaciais, talheres e lâminas.

Dúplex

Os aços inoxidáveis ​​duplex são o mais novo tipo de aço inoxidável. Eles contêm mais cromo (19-32%) e molibdênio (até 5%) do que os aços inoxidáveis ​​austeníticos, mas significativamente menos níquel. Os aços inoxidáveis ​​duplex às vezes são chamados de austenítico-ferríticos porque têm uma estrutura cristalina híbrida ferrítica e austenítica. A mistura aproximadamente meio a meio de fases austeníticas e ferríticas em aços inoxidáveis ​​duplex oferece vantagens únicas. Eles são mais resistentes a trincas por corrosão sob tensão do que os austeníticos, mais tenazes do que os ferríticos e aproximadamente duas vezes mais fortes do que uma forma pura de ambos. A principal vantagem dos aços inoxidáveis ​​duplex é a resistência à corrosão igual ou superior aos graus austeníticos no caso de exposição ao cloreto.

Os aços inoxidáveis ​​duplex também são muito econômicos. A força e a resistência à corrosão do aço inoxidável duplex são alcançadas com um teor de liga menor do que os graus austeníticos equivalentes. Os aços inoxidáveis ​​duplex são usados ​​regularmente para produzir peças para aplicações expostas a cloretos na dessalinização e na indústria petroquímica. Eles também são usados ​​nas indústrias de construção civil para pontes, vasos de pressão e barras de ligação.

Endurecimento por precipitação

Os aços inoxidáveis ​​endurecidos por precipitação podem ter uma variedade de estruturas cristalinas, no entanto, todos eles contêm cromo e níquel. Suas características comuns são resistência à corrosão, facilidade de fabricação e resistência à tração extremamente alta com tratamento térmico de baixa temperatura.

As ligas de endurecimento por precipitação austeníticas foram substituídas principalmente por superligas de maior resistência. No entanto, os aços inoxidáveis ​​de endurecimento por precipitação semi-austeníticos continuam a ser usados ​​em aplicações aeroespaciais e até mesmo aplicados em novas formas. Os aços inoxidáveis ​​de endurecimento por precipitação martensíticos são mais fortes do que os martensíticos regulares e frequentemente usados ​​para produzir barras, vergalhões e arames.

Um olhar técnico:microestrutura molecular do aço inoxidável

Quando os metais congelam do estado fundido, eles cristalizam e formam grãos. Essa estrutura cristalina determina muitas das propriedades mecânicas do metal. Muitos fatores influenciam essa microestrutura.

Os tipos de átomos em uma liga alteram a estrutura devido às moléculas formadas por esses tipos atômicos. As porcentagens de cada material também determinam quais arranjos os átomos formam.

A temperatura tem um efeito profundo na forma da rede cristalina de um metal. Diferentes estruturas começam a se formar em temperaturas específicas. As ligas possuem tabelas de fases que demonstram quais tipos de grãos são comuns em diferentes temperaturas e com diferentes porcentagens de elementos importantes.

Nosso diagrama de fases ferro-carbono ilustra como a temperatura e o carbono afetam a formação de grãos no aço. Ele mostra três fases de formação de ferro:

• Ferrita, ou ferro alfa, (α) é o grão padrão formado em temperaturas abaixo de 912°C.
• A austenita, ou ferro gama, (γ), tem cristais de grãos mais densamente compactados e aparece entre 912 e 1394°C.
• O ferro delta (δ) se forma em aquecimentos acima de 1395°C, antes que o ferro se transforme em líquido a 1538°C. A fase delta ferro assemelha-se mais ao α-ferro, ou ferrita.

A adição de carbono influencia como os grãos básicos do aço cristalizam, estabilizam e interagem uns com os outros. A temperatura influencia a forma como o carbono é absorvido. A fase de austenita de alto calor é saturada com o carbono, com moléculas de metal densamente empacotadas. Em outras temperaturas, todo o carbono não é absorvido. Ele cria outras estruturas moleculares. Por exemplo, é comum que uma liga de ferro-carbono contenha Fe₃ C moléculas de cementita. Na forma pura, a cementita é classificada como cerâmica:é dura e quebradiça, e confere esses atributos ao metal final. A grafite também pode se formar em um nível molecular. A forma deste grafite pode afetar como o metal se comporta quando atingido. Nódulos redondos de grafite podem deslizar uns pelos outros quando são atingidos, deformando-se, mas não se rompendo. Em comparação, um metal com muito grafite em flocos pode cisalhar ao longo dos limites dos flocos quando atingido. A rapidez com que um metal é resfriado, e se é tratado termicamente ou trabalhado, também afeta o tamanho e a forma do grão.

Aços austeníticos são aqueles que possuem uma rede de austenita com γ-ferro. No diagrama de fases ferro-carbono, essa rede é normalmente encontrada em altas temperaturas. No entanto, a adição de níquel e/ou manganês permite que a austenita permaneça enquanto o aço esfria. A microestrutura da austenita é conhecida como “cúbica de face centrada”. Moléculas cúbicas de face centrada conferem propriedades particulares ao metal.

Microestruturas cúbicas centradas no corpo vs. centradas na face

O metal é um cristal feito de uma rede molecular. Cada célula de uma rede é composta de átomos. O número de átomos em cada célula da rede e como eles se conectam mudam como essa rede se comporta sob tensão. As redes básicas são primitivas, centradas no corpo e centradas na face.




FORMAS BÁSICAS DE CÉLULAS

Primitivo
Cúbico

• Cada átomo neste cubo primitivo fica em um canto da célula. Cada átomo é um ponto de conexão na rede.
• Cada átomo de canto é compartilhado igualmente com as células ao seu redor. Portanto, cada átomo faz parte de oito cubos adjacentes.
• A célula unitária contém 1 átomo no total. Como cada um dos átomos de canto é compartilhado com oito cubos adjacentes, apenas 1/8 de cada átomo está dentro da célula primitiva.
  8 x 1/8 de cada átomo de canto =1 átomo no total.

Corpo-
Centralizado
Cúbico (BCC)

• Como na forma cúbica primitiva, existem átomos em cada canto da célula.
• Além disso, um átomo fica no meio da célula. Este átomo não é compartilhado por nenhuma outra célula:existem 8 células unidas à rede e uma apenas ao átomo.
• A célula unitária contém 2 átomos no total:
  8 átomos x 1/8 partes por átomo, como na estrutura cúbica primitiva, mais o átomo no centro.
• Alfa-ferro (ferrita) e delta-ferro são ambos metais BCC.

Centralizado no rosto
Cúbico (FCC)

• The face-centered cubic structure has atoms at each corner of the cell and additionally an atom in the center of each face of the cube.
• The “face” centered atoms are shared only with two cells, and so each contribute 1/2 an atom’s worth.
• The unit cell contains 4 atoms total:
  8 atoms x 1/8 share for the corner atoms, and 6 atoms x 1/2 share for the face-centered atoms.
• Gamma-iron (austenite) is an FCC metal.

Steel, without nickel or manganese, achieves a stable face-centered cubic (FCC) structure between 1,674—2,541°F. At these temperatures, carbon in the steel permeates each cell.

However, this steel, cooled in a regular (unquenched) fashion, will become ferritic and body-centered cubic (BCC). It will not maintain the FCC structure.

BCC lattices are more vulnerable to some types of mechanical strain than more densely-packed FCC structures. They don’t have the same number of atoms in each cell holding the lattice together. Keeping the FCC structure even at room temperatures helps maintain its extra strength. This is usually done with extra elements added to the alloy.

Microstructures of ferritic, austenitic, martensitic, and duplex steels

Ferritic steel is a common BCC steel. It becomes brittle at cryogenic temperatures, loses strength quickly in elevated temperatures, and is magnetic. These properties are due to the body-centered cubic (BCC) form.

Within each “loosely” packed BCC cell, not all electrons are able to find and pair with electrons of the opposite spin. It is these unattached electrons that create the magnetism of the ferritic steel. With only two atoms adding strength to each cell, ferritic steel is also easier to break, especially in hot or cold environments.

Austenitic steel is FCC at room temperature due to an addition of nickel in the alloy. Austenitic steel is more ductile than FCC, even at cryogenic temperatures. It has more heat-strength. It is also not magnetic. These properties are due to its face-centered (FCC) form.

All lattices have “slip systems,” or lines of shear, where the lattice can slide when struck without the cells being ripped apart. Cubic lattices have lots of symmetry and therefore more slip planes. Perhaps counterintuitively, the more densely packed FCC crystal has more lines of shear than the loosely packed BCC crystals. Densely packed crystals slide more easily past each other. Each cell has more atomic weight and strength and holds together more easily.

Plastic deformation at the micro level supports the material’s ductility at the macro level. This is why there is a wider range of resilience in face-centered cubic structures. Ferritic structures are more likely to shatter on impact, or fracture when stretched, especially in challenging environments.

Austenitic stainless steels are the only stainless types that do not become brittle and easily fractured in cryogenic applications. Austenitic steel keeps most of its toughness and elongation even below -292°F. Low-temperature embrittlement is characteristic of ferritic and duplex steels. After a transition temperature they become likely to shatter under stress.

Martensitic steels are another type of steel with a very different type of grain at the surface. These steels do not have a simple cubic microstructure. Martensite is formed by quenching:a rapid cooling of the surface. The environmental shock causes the lattice to heave as it freezes. Martensitic microstructures are under strain, in a body-centered tetragonal shape, and do not line up evenly. This allows martensitic surfaces to be harder, but they are also more brittle, even at room temperature.

Duplex steels are a relatively new addition to the varieties of stainless steels. These steels have a blend of microstructures. Interleaved layers of ferrite and austenite give the final material properties of both. The lower percentages of nickel and/or manganese needed for duplex stainless lowers the cost compared to austenitic stainless.

Care and maintenance of stainless steel

Although stainless steel is rust-resistant, it is not impervious. Its corrosion resistance is based on its passivation layer, which can be disturbed chemically. Salts, acids, scratches that hold moisture, and iron deposits can cause stainless steel to become vulnerable to rust.

Care must be taken when installing stainless:steel tools can change the surface chemistry of the steel by leaving behind iron deposits that make the surface vulnerable. Any place that has come into contact with steel should be cleaned. Deep scratches that could hold moisture should be avoided.

Maintenance of stainless surfaces is not difficult but should be undertaken regularly if the steel is exposed to bumps, scratches, salt, iron, or other chemicals. Outdoor site furniture should be attended to twice per year.

The way to clean stainless steel depends on the type of issue at hand. Different strategies are necessary for different types of marks. Our in-depth cleaning post describes steps for discoloration, rust, grease, fingerprints, cement, or limestone. It is good to deal with corrosion quickly. When caught early, WD-40 or another lubricant may be all that is necessary to remove rust.

With proper maintenance and care, the properties of stainless steel that make it so attractive—steel’s toughness wedded to chromium’s corrosion resistance and luster—can continue to be a stress-free asset for years.

For more information on stainless steel, or to request a quote for a custom project, please contact us.