Resistência ao escoamento versus resistência à tração em aço inoxidável: por que ambos são importantes para o projeto

Qual é a diferença entre resistência ao escoamento e resistência à tração em aço inoxidável?

Durante um teste de tração padrão, uma amostra de aço inoxidável é puxada em linha reta enquanto a carga e o alongamento são registrados e convertidos em uma curva de tensão-deformação de engenharia. Na primeira parte-em linha reta dessa curva, a tensão e a deformação são diretamente proporcionais (lei de Hooke) e a amostra retorna à sua forma original se a carga for removida - esta é a região elástica. Uma vez que a curva se afasta dessa linha reta, parte da deformação se torna permanente e o material entra na região plástica. A tensão nessa transição é a resistência ao escoamento.

À medida que o carregamento continua além do rendimento, a tensão de engenharia continua aumentando porque o trabalho do material-endurece (o mesmo mecanismo abordado no artigo técnico da EETA sobre taxa de endurecimento por trabalho) até atingir um pico - da resistência à tração, também chamada de resistência à tração máxima (UTS). Além desse pico, a amostra começa a estrangular localmente, a carga que ela pode suportar na verdade cai, mesmo que a tensão real na região estrangulada continue subindo e a peça frature. Resumindo: o limite de escoamento é o limite do uso seguro e recuperável; a resistência à tração é o limite da sobrevivência estrutural.

Por que o aço inoxidável usa o método de deslocamento de 0,2% em vez de um ponto de rendimento visível?

O aço carbono normalmente mostra um ponto de escoamento superior e inferior - uma queda visível na carga logo na transição elástica-plástica - devido aos átomos intersticiais fixando brevemente os deslocamentos. O aço inoxidável austenítico não apresenta esse comportamento da mesma maneira, e sua curva além do limite elástico dobra suavemente em vez de dobrar acentuadamente. Para obter um número consistente e reproduzível para fins de projeto e especificação, a ASTM A370 (referenciada pela ASTM A240) exige o método de deslocamento de 0,2% para aço inoxidável: uma deformação plástica permanente de 0,2% é definida como o início prático do escoamento, embora uma quantidade menor de deformação plástica ocorra tecnicamente antes desse ponto.

Esta convenção é importante para a forma como você lê um relatório de teste de moinho. O "limite de rendimento" impresso em um MTR 304 ou 316 é sempre o valor de deslocamento de 0,2%, a menos que outro deslocamento seja explicitamente declarado, e é diretamente comparável entre classes, séries e laminadores apenas porque cada um deles está usando a mesma definição de 0,2%.

Como o rendimento e a resistência à tração se comparam nas famílias de aço inoxidável?

Valores mínimos de acordo com ASTM A240 para chapa/folha na condição recozida e dados técnicos de moinho publicados para tratamento-térmico 410. As propriedades reais variam de acordo com o calor, a forma do produto e a espessura; verifique em relação ao relatório de teste específico do moinho (MTR) antes de usar no projeto ou na aquisição.

Por que a relação entre rendimento-e{1}}tração é um indicador de projeto melhor do que qualquer um dos números sozinhos?

Dois materiais podem ter a mesma resistência à tração e comportar-se de maneira completamente diferente em serviço se seus limites de escoamento forem diferentes. Uma relação Y/T baixa significa uma grande região plástica: o material se estica visivelmente, redistribui a tensão local e emite um aviso antes de falhar, o que é um dos motivos pelos quais o aço inoxidável austenítico recozido tem um bom desempenho em aplicações onde eventos de sobrecarga, atividade sísmica ou carga de impacto são uma preocupação de projeto. Uma relação Y/T alta significa que o material carrega mais de sua resistência perto da superfície - útil para maximizar a capacidade de suporte de carga-por unidade de peso ou seção-transversal, mas com menos reserva dúctil-incorporada se a peça for empurrada além de seu ponto de escoamento.

É exatamente por isso que o duplex 2205 é especificado para aplicações sensíveis ao peso-ou de alta{2}}pressão (plataformas offshore, tubulações de dessalinização), onde seu maior limite de escoamento permite seções de parede mais finas para a mesma pressão de projeto, enquanto os graus austeníticos padrão continuam sendo a escolha padrão para fabricação geral, onde ductilidade, soldabilidade e uma ampla margem de segurança são mais importantes do que minimizar a espessura da seção.

Como os códigos de projeto como ASME e ASTM realmente usam o rendimento versus a resistência à tração?

Tanto a Seção VIII da ASME (vasos de pressão) quanto a ASME B31.3 (tubulação de processo) constroem suas tabelas de tensões admissíveis a partir da mesma lógica subjacente: a resistência à tração rege um fator de segurança contra ruptura, e a resistência ao escoamento rege um fator de segurança contra deformação permanente inaceitável. Para a maioria dos aços carbono e de baixa{2}}liga, a tensão admissível é limitada perto de dois{3}}terços do limite de escoamento. O aço inoxidável austenítico e ligas de níquel semelhantes são tratados de maneira diferente porque seu comportamento de tensão-deformação é tão dúctil: o apêndice obrigatório da ASME sobre o estabelecimento de valores de tensão na Seção II permite especificamente uma tensão admissível alternativa mais alta - até 90% da resistência ao escoamento na temperatura - para esses materiais, desde que a deformação ligeiramente maior resultante sob carga de projeto não seja em si um problema para a aplicação.

Na prática, isso significa que um componente de pressão 304 ou 316 pode muitas vezes ser projetado para uma fração mais alta de seu limite de escoamento do que um componente de aço carbono equivalente seria, compensando parcialmente o limite de escoamento absoluto mais baixo do aço inoxidável em comparação com tipos martensíticos duplex ou tratados termicamente. Isso também significa que o valor de tensão admissível impresso em uma tabela de código ASME nunca é simplesmente "resistência ao escoamento" ou "resistência à tração" por si só -; é uma combinação-definida por código de ambos, filtrada por um fator de segurança que difere por família de material.

O trabalho a frio altera a relação entre rendimento e resistência à tração?

Como artigo detalhado sobre a taxa de endurecimento do aço inoxidável austenítico, classes como 301 e 304 têm um expoente de endurecimento-de alta deformação (valor n-), o que significa que a tensão de fluxo aumenta acentuadamente com a deformação plástica. Como o limite de escoamento é medido muito cedo nessa curva e a resistência à tração é medida no pico, a parte inicial e íngreme da curva aumenta o limite de escoamento proporcionalmente mais do que aumenta a já-alta resistência à tração. Um 301-completamente-duro laminado a frio, por exemplo, pode atingir uma resistência ao escoamento próxima à sua resistência à tração, o que significa que muito pouca carga adicional está disponível entre "começa a deformar" e "falha" - uma consequência direta e prática do mesmo TRIP e mecanismos de endurecimento de deslocamento-que tornam o aço inoxidável tão-endurecido em primeiro lugar.

Esse é um dos principais motivos pelos quais a tira de aço inoxidável temperada (1/4 de dureza, 1/2 de dureza, total dureza de acordo com ASTM A666) é especificada por têmpera e não apenas por classe: as propriedades mecânicas e, especificamente, a relação entre rendimento-e-tração, mudam substancialmente dentro de uma única classe, dependendo da quantidade de trabalho a frio já aplicado antes da peça ser colocada em serviço.

Qual propriedade deve orientar a seleção de materiais para uma determinada aplicação?

Vasos de pressão, tubulações e componentes estruturais

Para componentes sob cargas de serviço sustentadas ou cíclicas - tubos, flanges, cascos de vasos, suportes estruturais - a resistência ao escoamento é o principal fator de projeto porque a deformação permanente, por menor que seja, representa uma falha funcional mesmo que a peça não tenha rompido. O código de projeto aplicável (ASME Seção VIII, ASME B31.3 ou equivalente) aplica então sua própria lógica de fator de segurança, referenciando a resistência à tração como uma verificação secundária contra ruptura.

Aplicativos de impacto, sobrecarga e{0}}absorção de energia

Para componentes que podem sofrer sobrecargas ocasionais, impactos ou eventos sísmicos - mecanismos de captura, guarda-corpos, determinados componentes automotivos e de transporte - a área sob toda a curva de tensão-deformação até a fratura (uma combinação de resistência e alongamento) é mais importante do que apenas a resistência ao escoamento, porque um material com uma ampla margem Y/T absorve mais energia antes de quebrar. É aqui que um grau austenítico recozido com baixa relação-Y/T-geralmente supera uma alternativa de-rendimento mais alto, mas de ductilidade-mais baixa, mesmo que seu número de limite de escoamento pareça menor em uma folha de dados.

Fixadores e conexões aparafusadas

O aparafusamento aplica ambas as propriedades de uma maneira diferente: a carga de prova (intimamente relacionada ao limite de escoamento) governa quanta pré-carga um fixador pode suportar com segurança sem estiramento permanente, enquanto a resistência à tração, testada sob um fator de segurança mais alto de acordo com os requisitos do código ASME para material de aparafusamento, governa a capacidade final contra falhas do fixador. Selecionar o tipo e o material do fixador apenas com base na resistência à tração, sem verificar a capacidade de pré-carga baseada no rendimento-, é um erro de especificação comum.

Perguntas frequentes

P: Um limite de escoamento mais alto é sempre melhor em aço inoxidável?

R: Não automaticamente. Uma resistência ao escoamento mais alta permite uma seção mais fina ou um componente mais leve para a mesma carga, mas geralmente vem com uma relação Y/T mais alta e menos margem dúctil antes da fratura. A escolha certa depende se a aplicação valoriza a resistência máxima por unidade de peso (favorecendo classes duplex ou trabalhadas-a frio) ou reserva dúctil máxima e tolerância sob sobrecarga (favorecendo classes austeníticas recozidas).

P: Por que 304 e 316 têm rendimento e resistência à tração quase idênticos?

R: Ambos são tipos austeníticos com microestrutura cúbica-centrada na face semelhante e faixas semelhantes de conteúdo de carbono e nitrogênio, portanto, a ASTM A240 define essencialmente as mesmas propriedades mecânicas mínimas para ambos na condição recozida - 205 MPa (30 ksi) de rendimento mínimo e 515 MPa (75 ksi) de tração mínima. Sua verdadeira diferença é a resistência à corrosão, impulsionada pelo molibdênio em 316, e não a resistência básica.

P: Por que a resistência ao escoamento do duplex 2205 é muito maior do que a do 304, com menos diferença na resistência à tração?

R: A microestrutura de ferrita-de austenita aproximadamente 50/50 do Duplex 2205 e a liga de nitrogênio aumentam substancialmente a tensão necessária para iniciar a deformação plástica, o que aparece quase inteiramente como um limite de escoamento mais alto. A resistência à tração, alcançada somente após encruamento e estrangulamento significativos, aumenta em uma quantidade relativa menor, razão pela qual a relação Y/T do 2205 (cerca de 0,73) é muito maior do que a do 304 (cerca de 0,40).

P: A resistência ao escoamento ou a resistência à tração determinam a espessura da parede de um tubo de pressão?

R: Nem sozinho - o código de projeto vigente (como ASME B31.3) calcula uma tensão admissível que seja o menor entre uma fração da resistência à tração (dividida por um fator de segurança de 3,5) e uma fração da resistência ao escoamento (normalmente dois{3}}terços, ou até 90% para inoxidáveis ​​austeníticos e ligas de níquel sob uma nota de rodapé de código específica). A espessura da parede é então dimensionada de acordo com a tensão permitida, e não diretamente com qualquer propriedade da matéria-prima.

P: O tratamento térmico pode aumentar o limite de escoamento do aço inoxidável 304 ou 316 da mesma forma que acontece com o 410?

R: Não. 304 e 316 são classes austeníticas reforçadas apenas por trabalho a frio, não por tratamento térmico - o recozimento os amolece em vez de endurecê-los. Classes martensíticas como 410, por outro lado, podem ser temperadas e revenidas para atingir rendimento e resistência à tração muito acima de seus valores recozidos, razão pela qual a relação Y/T e a resistência absoluta do 410 podem variar tão amplamente dependendo do revenido.