18-8 Resistência ao escoamento do aço inoxidável: valores, trabalho a frio e dados de projeto

Quando os engenheiros perguntam sobre o limite de escoamento do aço inoxidável 18-8, a resposta mais útil é também a menos organizada: depende. O tubo recozido 18-8 sai da fábrica com um limite de escoamento de aproximadamente 205 MPa (30 ksi), enquanto a mesma trefilação química a frio até a têmpera totalmente dura pode exceder 1.000 MPa. Tudo depende de quanto o tubo foi reduzido, a que temperatura foi recozido e qual método de teste o certificado da fábrica cita. Se esse número estiver errado, os cálculos de espessura da parede, as classificações dos flanges e o espaçamento dos suportes se desviarão com ele.

Produzimos tubos de aço inoxidável há mais de 16 anos na Xinhang Special Material Co., Ltd. Filial de Hangzhou, e os graus 18-8 continuam sendo a espinha dorsal da maioria dos pedidos que passam por nossa mesa. O que se segue é a imagem prática que compartilhamos com os clientes: os próprios números, as razões por trás deles e as perguntas que vale a pena fazer antes de fazer um pedido de compra.

O que realmente é o aço inoxidável 18-8

18-8 é uma descrição de família e não uma especificação única. Refere-se a aços inoxidáveis ​​austeníticos contendo aproximadamente 18% de cromo e 8% de níquel, uma combinação que se tornou comercialmente viável na década de 1920 e tem dominado as tubulações resistentes à corrosão desde então. Dentro dessa família você encontrará Tipo 302, Tipo 303, Tipo 304, Tipo 304L, Tipo 305 e Tipo 384, cada um ajustado para usinabilidade, conformabilidade, teor de carbono ou desempenho de estampagem profunda.

O tipo 304 é o carro-chefe. A designação do sistema de numeração unificada é S30400, e seu irmão de baixo carbono, 304L, é S30403. O cromo fornece o filme de óxido passivo que resiste à corrosão, enquanto o níquel estabiliza a estrutura de austenita cúbica de face centrada que confere à liga sua tenacidade, sua conformabilidade limpa e seu comportamento não magnético na condição recozida. Essa mesma estrutura de austenita explica por que o 18-8 não se comporta como o aço carbono em um teste de tração e por que seu limite de escoamento deve ser definido com muito cuidado, em vez de simplesmente ser lido em uma curva.

Valores típicos de resistência ao escoamento 18-8

A tabela abaixo resume os valores de temperatura ambiente que você verá nos certificados do moinho e nos códigos de projeto da família 304. Os valores mínimos seguem as especificações comuns de produtos ASTM para canos e tubos. Os valores trabalhados a frio são faixas típicas e não mínimos garantidos, porque dependem da taxa de redução exata e de como o recozimento final foi realizado.

Duas observações são importantes aqui. Primeiro, o mínimo recozido para 304L é menor do que para 304 porque o carbono é limitado a 0,030% para proteger as zonas de solda da sensibilização, e menos carbono significa um reforço ligeiramente menos sólido da solução. Em segundo lugar, o trabalho a frio aumenta a resistência ao escoamento muito mais do que aumenta a resistência à tração. Isso reduz a diferença entre os dois valores e diminui a reserva de ductilidade disponível para flexão, alargamento e expansão.

Por que 18-8 não tem ponto de rendimento acentuado

O aço carbono cede abruptamente. Uma amostra tensionada sobe uma linha elástica reta e depois cai em um platô à medida que as discordâncias se libertam dos átomos intersticiais, razão pela qual um único ponto de escoamento pode ser citado. O aço inoxidável austenítico, como o 18-8, não contém esse efeito de travamento intersticial. A curva simplesmente se curva e o ponto em que o comportamento elástico termina torna-se uma questão de definição.

A convenção adotada pela ASTM A370 e pela maioria das normas internacionais é a tensão de prova compensada de 0,2%. Uma linha paralela à inclinação elástica é traçada a partir de uma deformação de 0,002, e a tensão onde ela cruza a curva é registrada como o limite de escoamento. Algumas especificações usam um deslocamento de 0,1% para componentes mais rígidos e alguns documentos legados citam um deslocamento de 1,0%. A consequência prática é simples: se uma folha de dados cita um valor de rendimento sem indicar a compensação, o número não pode ser comparado com mais nada. Isso também explica o retorno elástico pronunciado que torna a tubulação 18-8 mais difícil de dobrar do que o aço carbono de igual espessura de parede.

O trabalho a frio é a principal alavanca na resistência ao rendimento

Como o 18-8 não pode ser reforçado por tratamento térmico, a deformação mecânica faz o trabalho. Durante a trefilação a frio, peregrinação ou laminação a frio, os deslocamentos se multiplicam e emaranham, e o material resiste mais fortemente à deformação a cada passagem. Uma redução de 15% na parede pode elevar o limite de escoamento para 350 MPa; uma redução de 50% pode ultrapassar 800 MPa. Reduções mais pesadas produzem têmperas duras usadas para instrumentação de alta pressão, linhas hidráulicas e certas aplicações estruturais.

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Há compensações a serem ponderadas antes de especificar um tubo fortemente trabalhado a frio. A ductilidade e o alongamento diminuem à medida que o limite de escoamento aumenta, as tensões residuais aumentam, a menos que a tensão do tubo seja aliviada, e a suscetibilidade à corrosão sob tensão por cloreto pode aumentar porque a superfície trabalhada a frio armazena mais energia de deformação. O trabalho a frio também torna o 18-8 ligeiramente magnético, o que é importante para instrumentos não magnéticos e aplicações em sistemas de energia. Onde a resistência extra não é necessária, um produto recozido geralmente é a melhor escolha de engenharia.

Resistência ao escoamento em altas e baixas temperaturas

O austenítico 18-8 mantém sua resistência melhor do que o aço carbono à medida que a temperatura aumenta, o que é em grande parte o motivo pelo qual ele domina caldeiras, trocadores de calor e serviços de processo. A 400 graus C, o 304 recozido ainda oferece capacidade de carga útil, embora os códigos de projeto exijam uma redução bem abaixo do valor da temperatura ambiente. Acima de aproximadamente 540 graus C, a fluência e a ruptura por tensão, em vez da resistência ao escoamento, governam a tensão admissível, e os projetistas devem trabalhar a partir dos valores dependentes do tempo em um código como o Código ASME para caldeiras e vasos de pressão, Seção II, Parte D.

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Na extremidade fria da escala, 18-8 se comporta graciosamente. A resistência ao escoamento aumenta à medida que a temperatura cai, a resistência à tração aumenta e, diferentemente dos aços ferríticos, a estrutura austenítica mantém sua tenacidade em temperaturas criogênicas. Essa combinação de resistência crescente e ductilidade retida é a razão pela qual a tubulação 18-8 é comum em gás liquefeito e em processos de baixa temperatura.

Como a resistência ao escoamento se ajusta ao projeto de pressão

Para tubos de parede fina sob pressão interna, a tensão admissível é derivada diretamente do limite de escoamento, com um fator de segurança aplicado pelo código vigente. Uma relação simples de Barlow, a pressão é igual a duas vezes a tensão permitida vezes a espessura da parede dividida pelo diâmetro externo, mostra a alavancagem envolvida: duplicar a resistência ao escoamento do material pode reduzir pela metade a espessura da parede necessária para a mesma pressão, desde que a tolerância à corrosão, a rigidez e os requisitos de conexão ainda funcionem.

É por isso que a diferença entre o tubo cronograma 10 e o tubo cronograma 160 não é apenas uma questão dimensional. Os números de tabela descrevem a espessura da parede, mas a pressão que uma linha pode suportar com segurança depende do grau, da temperatura e da tensão admissível que o código atribui. Trabalhar cuidadosamente com esse cálculo, incluindo os fatores de redução que se aplicam à temperatura do seu projeto, sempre vale a pena o esforço antes de uma linha ser entregue à fabricação.

Padrões e documentação a serem solicitados

O tubo 18-8 sem costura para serviço industrial é normalmente fornecido de acordo com ASTM A312, A213, A269 ou A511, tubo soldado de acordo com ASTM A249 ou A269, e especificações europeias ou japonesas equivalentes, como EN 10216-5 e JIS G3459 aparecem regularmente em projetos internacionais. Cada especificação fixa valores mínimos de tração e rendimento, faixas químicas permitidas e os métodos de teste usados ​​para verificá-los.

Ao solicitar um orçamento, solicite o certificado de teste do moinho com rastreabilidade do número de calor, a especificação com que o material foi produzido e a condição de fornecimento, recozido, recozido brilhante ou trabalhado a frio. Confirme se o limite de escoamento cotado é um valor mínimo de especificação ou um valor típico e confirme o deslocamento usado. Esses três detalhes evitam a maioria das disputas que surgem quando um tubo entregue não corresponde à suposição por trás de um cálculo de projeto.

Escolhendo o tubo 18-8 certo para o seu projeto

• Use 304 ou 304L recozido para serviços gerais resistentes à corrosão, onde a conformabilidade e a soldabilidade são mais importantes.
• Especifique o tubo trabalhado a frio somente quando o maior limite de escoamento realmente reduzir a espessura, o peso ou o custo da parede.
• Verifique se o código requer valores mínimos especificados em vez de propriedades típicas antes de aceitar uma cotação.
• Confirme a definição de compensação e o padrão de teste por trás de qualquer valor de rendimento que você pretende usar nos cálculos.
• Combine o acabamento superficial e o tratamento térmico com o ambiente, especialmente onde houver presença de cloretos ou temperaturas elevadas.

Nossa própria linha de produtos abrange tubos sem costura, soldados e brilhantes nas categorias de caldeiras, vasos de pressão, trocadores de calor, petroquímicos, marítimos, de instrumentos e sanitários, portanto, a resposta a uma questão de limite de escoamento geralmente vem com uma recomendação de tubo específica anexada. Se você estiver pesando um produto recozido versus um trabalhado a frio para uma determinada pressão e temperatura, envie-nos as condições do projeto e lhe diremos claramente qual caminho tomaríamos.

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Perguntas frequentes

O aço inoxidável 18-8 é igual ao 304?

Praticamente, sim, para a maioria dos tubos comerciais. O tipo 304 se enquadra diretamente na família 18-8 e, nas compras do dia-a-dia, os dois nomes são usados ​​de forma intercambiável. Estritamente falando, 18-8 também cobre 302, 303, 304L, 305 e 384, portanto, quando uma especificação exige 18-8, você deve confirmar qual grau e nível de carbono o comprador realmente pretende.

Qual é o limite de escoamento do aço inoxidável 18-8 em psi?

O tubo recozido Tipo 304 é normalmente especificado a um mínimo de 30.000 psi, que é 205 MPa. O 304L recozido é especificado a 25.000 psi ou 170 MPa. O material trabalhado a frio pode variar de aproximadamente 45.000 psi em têmperas leves a mais de 140.000 psi em condições totalmente duras.

O 18-8 fica mais forte quando é dobrado ou formado?

Sim. Qualquer deformação a frio aumenta a densidade de discordâncias e aumenta o limite de escoamento localmente. Isso é útil quando uma dobra precisa de rigidez extra, mas também significa que a área de dobra é menos dúctil e mais suscetível a trincas por corrosão sob tensão, portanto, um recozimento para alívio de tensão é frequentemente especificado após a conformação agressiva.

A temperatura muda para 18-8 limite de escoamento?

Isso acontece. O limite de escoamento cai gradualmente à medida que a temperatura de serviço aumenta, e os códigos de projeto exigem que valores reduzidos sejam usados. Em temperaturas criogênicas, a resistência ao escoamento aumenta enquanto a ductilidade é amplamente retida, o que é uma das principais vantagens dos graus austeníticos em relação ao aço carbono.