Aleación de circonio-estaño – Densidad – Resistencia – Dureza – Punto de fusión

Acerca de la aleación de circonio y estaño

Las aleaciones de circonio, en las que el estaño es el elemento de aleación básico, mejora sus propiedades mecánicas, tienen una amplia distribución en los EE. UU. Un subgrupo común tiene la marca comercial Zircaloy. En el caso de las aleaciones de circonio-estaño, se produce la disminución de la resistencia a la corrosión en el agua y el vapor, lo que resulta en la necesidad de una aleación adicional.

Las aleaciones de circonio con niobio se utilizan como revestimientos de elementos combustibles de reactores VVER y RBMK. Estas aleaciones son el material base del canal de montaje del reactor RBMK. La aleación Zr + 1% Nb de tipo N-1 E-110 se utiliza para revestimientos de elementos combustibles, la aleación Zr + 2,5% Nb de tipo E-125 se aplica para tubos de canales de montaje.

Resumen

Nombre	Aleación de circonio y estaño
Fase en STP	sólido
Densidad	6560 kg / m3
Resistencia a la tracción	514 MPa
Límite de elastacidad	381 MPa
Módulo de Young	99 GPa
Dureza Brinell	89 BHN
Punto de fusion	1850 ° C
Conductividad térmica	18 W / mK
Capacidad calorífica	285 J / g K
Precio	25 $ / kg

Densidad de la aleación de circonio y estaño

Las densidades típicas de varias sustancias se encuentran a presión atmosférica. La densidad  se define como la  masa por unidad de volumen . Es una  propiedad intensiva , que se define matemáticamente como masa dividida por volumen:  ρ = m / V

En palabras, la densidad (ρ) de una sustancia es la masa total (m) de esa sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esa sustancia. La unidad estándar del SI es  kilogramos por metro cúbico  ( kg / m ³ ). La unidad de inglés estándar es  libras de masa por pie cúbico  ( lbm / ft ³ ).

La densidad de la aleación de circonio y estaño es de 6560 kg / m ³ .

Ejemplo: densidad

Calcula la altura de un cubo hecho de aleación de circonio y estaño, que pesa una tonelada métrica.

Solución:

La densidad  se define como la  masa por unidad de volumen . Se define matemáticamente como masa dividida por volumen:

ρ = m / V

Como el volumen de un cubo es la tercera potencia de sus lados (V = a ³ ), la altura de este cubo se puede calcular:

La altura de este cubo es entonces a = 0,534 m .

Propiedades mecánicas de la aleación de circonio y estaño

Resistencia de la aleación de circonio y estaño

En mecánica de materiales, la resistencia de un material es su capacidad para soportar una carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. La resistencia de los materiales básicamente considera la relación entre las cargas externas aplicadas a un material y la deformación resultante o cambio en las dimensiones del material. La resistencia de un material es su capacidad para soportar esta carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas.

Resistencia a la tracción

La resistencia máxima a la tracción de la aleación de circonio y estaño  es de aproximadamente 514 MPa.

La máxima resistencia a la tracción es la máxima en la curva de ingeniería de tensión-deformación . Esto corresponde a la tensión máximaque puede ser sostenido por una estructura en tensión. La resistencia máxima a la tracción a menudo se reduce a «resistencia a la tracción» o incluso a «máxima». Si se aplica y se mantiene esta tensión, se producirá una fractura. A menudo, este valor es significativamente mayor que el límite elástico (entre un 50 y un 60 por ciento más que el rendimiento para algunos tipos de metales). Cuando un material dúctil alcanza su máxima resistencia, experimenta un estrechamiento donde el área de la sección transversal se reduce localmente. La curva de tensión-deformación no contiene una tensión mayor que la resistencia máxima. Aunque las deformaciones pueden seguir aumentando, la tensión suele disminuir después de que se ha alcanzado la resistencia máxima. Es una propiedad intensiva; por lo tanto, su valor no depende del tamaño de la muestra de prueba. Sin embargo, depende de otros factores, como la preparación de la muestra,temperatura del entorno de prueba y del material. Las resistencias a la tracción máxima varían desde 50 MPa para un aluminio hasta 3000 MPa para aceros de muy alta resistencia.

Límite de elastacidad

El límite elástico de la aleación de circonio y estaño  es de aproximadamente 381 MPa.

El  punto de fluencia  es el punto en una  curva de tensión-deformación  que indica el límite del comportamiento elástico y el comportamiento plástico inicial. Fuerza de producción o el límite elástico es la propiedad del material definida como el esfuerzo en el que un material comienza a deformarse plásticamente, mientras que el límite elástico es el punto donde comienza la deformación no lineal (elástica + plástica). Antes del límite elástico, el material se deformará elásticamente y volverá a su forma original cuando se elimine la tensión aplicada. Una vez que se supera el límite de fluencia, una fracción de la deformación será permanente e irreversible. Algunos aceros y otros materiales exhiben un comportamiento denominado fenómeno de límite elástico. Los límites de elasticidad varían de 35 MPa para un aluminio de baja resistencia a más de 1400 MPa para aceros de muy alta resistencia.

Módulo de Young

El módulo de Young de la aleación de circonio y estaño  es de aproximadamente 99 GPa.

El módulo de elasticidad de Young es el módulo elástico para esfuerzos de tracción y compresión en el régimen de elasticidad lineal de una deformación uniaxial y generalmente se evalúa mediante ensayos de tracción. Hasta una tensión límite, un cuerpo podrá recuperar sus dimensiones al retirar la carga. Las tensiones aplicadas hacen que los átomos de un cristal se muevan desde su posición de equilibrio. Todos los átomos se desplazan en la misma cantidad y aún mantienen su geometría relativa. Cuando se eliminan las tensiones, todos los átomos vuelven a sus posiciones originales y no se produce ninguna deformación permanente. Según la ley de Hooke , la tensión es proporcional a la deformación (en la región elástica) y la pendiente es el módulo de Young.. El módulo de Young es igual a la tensión longitudinal dividida por la deformación.

Dureza de la aleación de circonio y estaño

La dureza Rockwell de la aleación de circonio y estaño es de aproximadamente 89 HRB.

La prueba de dureza Rockwell  es una de las pruebas de dureza por indentación más comunes, que se ha desarrollado para las pruebas de dureza. A diferencia de la prueba de Brinell, el probador Rockwell mide la profundidad de penetración de un penetrador bajo una carga grande (carga mayor) en comparación con la penetración realizada por una precarga (carga menor). La carga menor establece la posición cero. Se aplica la carga principal y luego se retira mientras se mantiene la carga menor. La diferencia entre la profundidad de penetración antes y después de la aplicación de la carga principal se utiliza para calcular el  número de dureza Rockwell . Es decir, la profundidad de penetración y la dureza son inversamente proporcionales. La principal ventaja de la dureza Rockwell es su capacidad para  mostrar los valores de dureza directamente. El resultado es un número adimensional anotado como  HRA, HRB, HRC , etc., donde la última letra es la escala de Rockwell respectiva.

La prueba Rockwell C se realiza con un penetrador Brale ( cono de diamante de 120 ° ) y una carga mayor de 150 kg.

Ejemplo: resistencia

Suponga una varilla de plástico, que está hecha de aleación de circonio y estaño. Esta varilla de plástico tiene un área de sección transversal de 1 cm ² . Calcule la fuerza de tracción necesaria para lograr la resistencia máxima a la tracción de este material, que es: UTS = 514 MPa.

Solución:

La tensión (σ)  se puede equiparar a la carga por unidad de área o la fuerza (F) aplicada por área de sección transversal (A) perpendicular a la fuerza como:

por lo tanto, la fuerza de tracción necesaria para lograr la máxima resistencia a la tracción es:

F = UTS x A = 514 x 10 ⁶ x 0,0001 = 51400 N

Propiedades térmicas de la aleación de circonio y estaño

Las propiedades térmicas  de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de  temperatura y a la aplicación de calor . A medida que un sólido absorbe energía en forma de calor, su temperatura aumenta y sus dimensiones aumentan. Pero los diferentes materiales reaccionan a la aplicación de calor de manera diferente .

La capacidad calorífica , la expansión térmica y la conductividad térmica son propiedades que a menudo son críticas en el uso práctico de sólidos.

Punto de fusión de la aleación de circonio y estaño

El punto de fusión de la aleación de circonio y estaño  es de alrededor de 1850 ° C.

En general, la  fusión  es un  cambio  de fase de una sustancia de la fase sólida a la líquida. El  punto  de fusión de una sustancia es la temperatura a la que se produce este cambio de fase. El  punto de fusión  también define una condición en la que el sólido y el líquido pueden existir en equilibrio.

Conductividad térmica de la aleación de circonio y estaño

Las aleaciones de circonio tienen una conductividad térmica más baja (aproximadamente 18 W / mK) que el metal de circonio puro (aproximadamente 22 W / mK).

Las características de transferencia de calor de un material sólido se miden mediante una propiedad llamada  conductividad térmica , k (o λ), medida en  W / mK . Es una medida de la capacidad de una sustancia para transferir calor a través de un material por  conducción . Tenga en cuenta que  la ley de Fourier se  aplica a toda la materia, independientemente de su estado (sólido, líquido o gas), por lo tanto, también se define para líquidos y gases.

La  conductividad térmica  de la mayoría de los líquidos y sólidos varía con la temperatura. Para los vapores, también depende de la presión. En general:

La mayoría de los materiales son casi homogéneos, por lo que normalmente podemos escribir  k = k (T) . Se asocian definiciones similares con las conductividades térmicas en las direcciones y y z (ky, kz), pero para un material isótropo, la conductividad térmica es independiente de la dirección de transferencia, kx = ky = kz = k.

Ejemplo: cálculo de transferencia de calor

La conductividad térmica se define como la cantidad de calor (en vatios) transferida a través de un área cuadrada de material de un espesor determinado (en metros) debido a una diferencia de temperatura. Cuanto menor sea la conductividad térmica del material, mayor será la capacidad del material para resistir la transferencia de calor.

Calcule la tasa de flujo de  calor a  través de una pared de 3 mx 10 m de área (A = 30 m ² ). La pared tiene 15 cm de espesor (L ₁ ) y está hecha de Aleación de Zirconio-Estaño con una conductividad térmica  de k ₁ = 18 W / mK (mal aislante térmico). Suponga que las temperaturas interior y exterior  son 22 ° C y -8 ° C, y los  coeficientes de transferencia de calor por convección  en los lados interior y exterior son h ₁  = 10 W / m ² K y h ₂  = 30 W / m ² K, respectivamente. Tenga en cuenta que estos coeficientes de convección dependen en gran medida, especialmente, de las condiciones ambientales e interiores (viento, humedad, etc.).

Calcule el flujo de calor ( pérdida de calor ) a través de esta pared.

Solución:

Como se escribió, muchos de los procesos de transferencia de calor involucran sistemas compuestos e incluso involucran una combinación de  conducción  y  convección . Con estos sistemas compuestos, a menudo es conveniente trabajar con un  coeficiente de transferencia de calor en general ,  conocido como un  factor U . El factor U se define mediante una expresión análoga a  la ley de enfriamiento de Newton :

El  coeficiente de transferencia de calor general  está relacionado con la  resistencia térmica total  y depende de la geometría del problema.

Suponiendo una transferencia de calor unidimensional a través de la pared plana y sin tener en cuenta la radiación, el  coeficiente de transferencia de calor general  se puede calcular como:

El coeficiente de transferencia de calor total  es entonces: U = 1 / (1/10 + 0,15 / 18 + 1/30) = 7,06 W / m ² K

El flujo de calor se puede calcular entonces simplemente como: q = 7,06 [W / m ² K] x 30 [K] = 211,77 W / m ²

La pérdida total de calor a través de esta pared será: q _pérdida  = q. A = 211,77 [W / m ² ] x 30 [m ² ] = 6352,94 W