Propriedades magnéticas 304 vs 316: Por que 304 pode se tornar magnético após trabalho a frio

Um ponto de confusão comum e razoável: supõe-se que o aço inoxidável austenítico não seja-magnético, mas um ímã geralmente grudará firmemente no canto dobrado de umaço inoxidável 304afundamento ou a extremidade usinada de uma barra 304, enquanto uma peça 316 equivalente mostra pouca ou nenhuma resposta. Isso não é um sinal de material falsificado ou fora das{3}}especificações -, é um fenômeno metalúrgico bem{5}}compreendido e previsível chamado transformação de martensita induzida por deformação-e afeta 304 muito mais prontamente do que afeta 316. Este guia explica por que o aço inoxidável austenítico recozido não é-magnético, exatamente o que o trabalho a frio faz para mudar isso, por que 316 resiste ao efeito muito melhor que 304 e o que isso significa para a seleção de materiais e inspeção de qualidade.

Por que os aços inoxidáveis ​​304 e 316 são normalmente não-magnéticos?

304 e 316 não são-magnéticos em sua condição recozida padrão porque seu teor de níquel estabiliza uma estrutura cristalina cúbica (austenítica) de face-centrada à temperatura ambiente, e essa estrutura cristalina específica não exibe o forte comportamento ferromagnético encontrado nas estruturas cúbicas centradas no corpo-de aços inoxidáveis ​​ferríticos e martensíticos.

O magnetismo no aço inoxidável está intimamente correlacionado com a estrutura cristalina, e não simplesmente com a presença de ferro. Os aços inoxidáveis ​​ferríticos e martensíticos têm uma estrutura cristalina de corpo -cúbica centrada (ou corpo -tetragonal centrado, no caso da martensita), que é ferromagnética - fortemente atraída por um ímã. Em vez disso, aços inoxidáveis ​​austeníticos como 304 e 316 alcançam uma estrutura cúbica-centrada na face, possibilitada pelo teor suficiente de níquel atuando como um estabilizador de austenita, e essa estrutura cúbica-centrada na face é efetivamente não-magnética (tecnicamente paramagnética, o que significa que mostra apenas uma resposta extremamente fraca a um campo magnético) em sua condição recozida normal.

Esta é a razão subjacente pela qual os graus austeníticos são a escolha padrão sempre que o aço inoxidável não{0}}magnético é especificamente necessário - a propriedade vem diretamente da estrutura cristalina que o conteúdo de níquel torna possível, e não do fato de a liga ser um aço inoxidável "mais refinado" ou de "grau superior" em algum sentido geral.

O que faz com que o aço inoxidável 304 se torne magnético após o trabalho a frio?

O trabalho a frio - dobra, trefilação, laminação ou usinagem pesada - pode transformar mecanicamente uma parte da estrutura austenítica do 304 em martensita, uma fase magnética, porque a deformação mecânica fornece a energia necessária para desencadear essa transformação em um material cuja austenita é apenas moderadamente estável para começar.

A austenita no aço inoxidável 304 é estável à temperatura ambiente sob condições normais e sem estresse, mas não é extremamente estável - ela existe em um estado metaestável que pode ser levado à transformação sob entrada de energia mecânica suficiente. Quando 304 é trabalhado a frio, a deformação aplicada fornece exatamente esse tipo de energia, e uma parte da estrutura austenítica (cúbica de face-centrada) se transforma diretamente em martensita (corpo-tetragonal centrado) sem qualquer alteração na composição química ou necessidade de tratamento térmico.

Essa martensita-induzida por deformação é ferromagnética, e é por isso que uma região dobrada, estirada ou fortemente usinada de 304 pode mostrar uma resposta magnética clara, mesmo que uma região adjacente não trabalhada da mesma folha ou barra permaneça não-magnética. A quantidade de martensita formada geralmente aumenta com a quantidade de trabalho a frio aplicado e também pode ser influenciada pela temperatura, uma vez que temperaturas de trabalho mais frias tendem a promover mais transformação para uma determinada quantidade de deformação.

Por que o 316 é menos sujeito ao magnetismo devido ao trabalho a frio do que o 304?

O maior teor de níquel do 316 e sua adição de molibdênio - ambos ausentes ou menores em 304 - aumentam substancialmente sua estabilidade de austenita, o que significa que 316 requer consideravelmente mais trabalho a frio para produzir uma quantidade equivalente de martensita induzida por deformação, razão pela qual 316 partes normalmente mostram muito menos resposta magnética do que 304 partes formadas de forma comparável.

Uma comparação{0}}a{1}}lado dos fatores de composição que impulsionam essa diferença:

Tabela 1. Comparação composicional representativa de 304 e 316 e seu efeito na estabilidade da austenita. Os valores são ilustrativos e arredondados; confirme os limites exatos de composição em relação à edição atual da ASTM A240/A480 ou à especificação aplicável.

Os metalúrgicos geralmente descrevem a estabilidade da austenita usando fórmulas equivalentes de níquel-equivalentes e de cromo-que ponderam a contribuição de diferentes elementos de liga e, por essa estrutura, a combinação do 316 de maior níquel e molibdênio adicionado aumenta significativamente seu valor equivalente-de níquel em relação ao 304, traduzindo-se diretamente em maior resistência à transformação de martensita induzida por deformação-.

Isso também é comumente discutido em termos da temperatura "Md30" - a temperatura na qual uma quantidade específica de deformação aplicada produz 50% de transformação de martensita - onde uma temperatura Md30 mais baixa indica uma austenita mais estável; O 316 tem caracteristicamente um Md30 menor que o 304, consistente com sua maior resistência ao magnetismo induzido por-trabalho a frio-.

O que é martensita{0}}induzida por deformação e como ela se forma?

A martensita-induzida por deformação é uma transformação de fase sem difusão e acionada mecanicamente, na qual tensões de cisalhamento localizadas dentro do metal em deformação reorganizam a rede cristalina de austenita cúbica-centrada na face diretamente em martensita tetragonal centrada-no corpo, ocorrendo quase instantaneamente em locais específicos que sofrem deformação plástica suficiente.

Ao contrário da martensita formada em aços carbono ou ligas endurecíveis por meio do resfriamento rápido a partir de uma temperatura elevada, a martensita-induzida por deformação no aço inoxidável austenítico se forma mecanicamente, na temperatura ambiente ou próximo a ela, por meio da aplicação de deformação plástica, e não por meio de um processo de têmpera térmica. A transformação é sem difusão, o que significa que os átomos não precisam migrar através da rede via difusão - em vez disso, o arranjo atômico existente muda cooperativamente para a nova estrutura cristalina através de um mecanismo semelhante ao cisalhamento, razão pela qual a transformação pode ocorrer essencialmente instantaneamente no momento em que tensão local suficiente é aplicada.

Como essa transformação é dependente de deformação- em vez de uniforme, ela produz magnetismo localizado que corresponde estreitamente ao padrão de deformação na peça - concentrada em um raio de curvatura, um canto desenhado ou uma superfície usinada - em vez de magnetismo uniforme em todo um componente, o que é uma pista de diagnóstico útil ao interpretar leituras magnéticas em uma peça de aço inoxidável moldada ou usinada.

O magnetismo indica um defeito ou uma resistência à corrosão reduzida em trabalho a frio-304?

O magnetismo da martensita-induzida por deformação em 304-trabalhado a frio não é um defeito em si e não indica contaminação ou calor fora da-especificação, mas as regiões martensíticas podem ter resistência à corrosão e comportamento mecânico um pouco diferentes da austenita circundante, o que é uma consideração legítima de engenharia em aplicações críticas-de corrosão ou altamente formadas.

É um equívoco comum e compreensível pensar que o magnetismo em uma peça de aço inoxidável sinaliza material falsificado, qualidade incorreta ou defeito de fabricação; na maioria dos componentes 304-formados a frio ou usinados, o magnetismo é simplesmente a consequência esperada-compreendida da transformação-induzida por deformação e não indica, por si só, um problema com o material ou a peça.

Dito isso, a fase martensita tem propriedades um pouco diferentes da austenita circundante -, é geralmente mais dura e pode, em alguns ambientes corrosivos agressivos, exibir um comportamento de corrosão um pouco diferente do material totalmente austenítico, o que é uma razão legítima para prestar mais atenção às regiões 304 altamente trabalhadas a frio em corrosão-aplicações críticas, em vez de assumir que a resposta magnética não tem qualquer relevância de engenharia. Na maioria das aplicações-de uso geral e não{6}}críticas, entretanto, a presença de martensita-induzida por deformação e seu magnetismo associado não tem nenhuma consequência prática significativa.

Como o magnetismo pode ser medido ou detectado em aço inoxidável-trabalhado a frio?

O magnetismo no aço inoxidável austenítico-trabalhado a frio pode ser detectado qualitativamente com um ímã permanente simples ou quantitativamente com um instrumento de medição de fase-ferrita/magnética calibrado, com o método quantitativo fornecendo um valor percentual repetível, útil para controle de qualidade ou documentação de engenharia, em vez de uma simples resposta sim/não.

Um teste básico de ímã portátil é uma maneira simples e acessível de confirmar qualitativamente a presença de martensita-induzida por deformação - se um ímã atrai visivelmente para uma região-trabalhada a frio de 304 ou 316 que de outra forma seria não-magnética em seu estado recozido, a transformação de martensita ocorreu nesse local. Para aplicações que exigem uma medição documentada e repetível em vez de uma verificação qualitativa, instrumentos magnéticos calibrados (semelhantes em princípio aos instrumentos de medição de ferrita usados ​​para conteúdo de ferrita delta em soldas, discutidos em outros contextos) podem quantificar a porcentagem aproximada da fase magnética presente em um determinado local, fornecendo dados objetivos para registros de controle de qualidade, avaliação de engenharia ou comparação com um critério de aceitação específico do projeto, quando aplicável.

Considerações práticas de detecção

• Teste a região-trabalhada a frio e uma área não trabalhada adjacente da mesma peça para comparação, já que alguma resposta magnética pode ocasionalmente se originar da contaminação da superfície e não do próprio metal base.
• Espere que a resposta magnética se concentre nos locais específicos de maior tensão - raios de curvatura, cantos desenhados e superfícies altamente usinadas - em vez de aparecer uniformemente.
• Reconheça que uma leitura quantitativa, e não apenas uma resposta qualitativa do ímã, é necessária se a aplicação tiver um critério de aceitação específico para o conteúdo da fase magnética.

O aço inoxidável magnético-trabalhado a frio pode ser restaurado para uma condição não{1}}magnética?

Sim, - recozimento em solução, que envolve o aquecimento do material a uma temperatura suficientemente alta (normalmente na faixa de aproximadamente 1.010 a 1.120 graus, ou 1.850 a 2.050 graus F, para graus austeníticos padrão) seguido de resfriamento rápido, reverte a transformação de martensita induzida por deformação-e restaura a estrutura totalmente austenítica, não{6}}magnética.

Como a martensita induzida por deformação se forma por meio de uma transformação mecânica sem difusão, em vez de uma mudança na composição química, ela pode ser revertida por meio de tratamento térmico apropriado: o recozimento em solução dissolve a martensita de volta em austenita, aquecendo o material na faixa de temperatura em que a austenita é a estrutura termodinamicamente estável, seguida de resfriamento rápido o suficiente para evitar que a martensita se reforme durante o resfriamento.

Esta é uma etapa de processo padrão e bem{0}}estabelecida na fabricação e fabricação de aço inoxidável, comumente aplicada após operações pesadas de trabalho a frio, especificamente para restaurar a propriedade não{1}}magnética e a ductilidade e a resistência à corrosão mais favoráveis ​​associadas à condição austenítica totalmente recozida, quando qualquer uma das propriedades é necessária para a aplicação final.

Qual série você deve escolher quando o comportamento-não magnético for um requisito?

316 aço inoxidável(ou outro grau austenítico de-níquel e molibdênio-mais alto) geralmente é a escolha mais confiável do que 304 sempre que um comportamento não{3}magnético consistente é necessário em um componente formado, usinado ou-trabalhado a frio, já que sua maior estabilidade de austenita reduz o risco de magnetismo indesejado, mesmo sob tensão significativa de fabricação.

Uma comparação da resposta magnética típica em processos de fabricação comuns:

Tabela 2. Comparação representativa da resposta magnética típica em 304 versus 316 em processos de fabricação comuns.

Para aplicações onde o comportamento não{0}}magnético é um requisito difícil - certos dispositivos médicos usados perto de equipamentos de ressonância magnética, alguns invólucros eletrônicos e de sensores, aplicações de instrumentação específicas - especificar 316 sobre 304 é um primeiro passo razoável, mas não é uma garantia absoluta: trabalho a frio suficientemente severo ainda pode induzir alguma transformação de martensita mesmo em 316, portanto, o processo de fabricação real, o grau de deformação e, quando o requisito for rigoroso, uma medição magnética documentada em a peça acabada deve ser levada em consideração na decisão final do material e do processo, em vez de depender apenas da seleção da classe.

Perguntas frequentes

A soldagem faz com que o metal base 304 ou 316 se torne magnético?

A soldagem em si normalmente não induz martensita-induzida por deformação no metal base circundante, uma vez que o mecanismo requer deformação plástica mecânica em vez de apenas calor; entretanto, se o metal base já foi trabalhado-a frio antes da soldagem, esse magnetismo pré-existente permanecerá presente perto da solda, e alguns metais de adição de solda também são formulados para conter uma quantidade pequena e controlada de ferrita, que é um fenômeno separado da martensita{3}}induzida por deformação.

O 304L ou o 316L são mais ou menos propensos ao magnetismo-induzido por deformação do que o padrão 304 ou 316?

A designação de baixo-carbono "L" afeta o comportamento de precipitação do carboneto durante a soldagem, e não a estabilidade da austenita diretamente, portanto, 304L e 316L mostram tendências de martensita induzidas por deformação-amplamente semelhantes às suas contrapartes de carbono-padrão, com o teor de níquel e molibdênio permanecendo como fatores dominantes em ambos os casos.

A martensita-induzida por deformação em 304 pode ser detectada sem um ímã, usando outro método?

Sim, o exame metalográfico - e a difração de raios-X podem identificar e quantificar o conteúdo de martensita em uma amostra, e esses métodos são mais precisos do que um teste magnético, embora uma simples verificação magnética continue sendo um primeiro indicador rápido e acessível para uso em campo ou no chão de fábrica.

O 304 magnético-trabalhado a frio perde suas propriedades de aço inoxidável (resistente-à corrosão)?

Não - a camada passiva de óxido de cromo responsável pela resistência geral à corrosão do aço inoxidável não é eliminada pela formação de martensita induzida por deformação-; a fase martensita pode, no entanto, comportar-se de maneira um pouco diferente da austenita em certos ambientes corrosivos agressivos específicos, o que é uma consideração mais direcionada do que uma perda geral de resistência à corrosão.

É normal que uma geladeira ou pia de aço inoxidável 304 apresente algum magnetismo nas curvas ou costuras?

Sim, esta é uma observação comum e esperada em produtos de consumo feitos de aço inoxidável 304 moldado e não indica que o produto não seja aço inoxidável genuíno ou que tenha sido fabricado incorretamente; ele simplesmente reflete a martensita-induzida por deformação nos locais específicos que sofreram maior formação.