Las aleaciones de cobre son aleaciones a base de cobre, en las que los principales elementos de aleación son Zn, Sn, Si, Al, Ni. Las aleaciones a base de Cu constituyen principalmente soluciones sólidas de sustitución, para las cuales los átomos de soluto o impureza reemplazan o sustituyen a los átomos del huésped. Varias características de los átomos del soluto y del solvente determinan el grado en que el primero se disuelve en el segundo. Estos se expresan como las reglas de Hume-Rothery. Hay hasta 400 composiciones diferentes de cobre y aleaciones de cobre agrupados libremente en las categorías: cobre, aleación con alto contenido de cobre, latón, bronces, níquel de cobre, cobre-níquel-zinc (níquel-plata), cobre con plomo y aleaciones especiales. Además, se puede reforzar un número limitado de aleaciones de cobre mediante tratamiento térmico. en consecuencia, se debe utilizar el trabajo en frío y / o la aleación en solución sólida para mejorar estas propiedades mecánicas.
Tipos de aleaciones de cobre
Como se escribió, hay hasta 400 diferentes composiciones de cobre y aleaciones de cobre agrupadas libremente en las categorías: cobre, aleación con alto contenido de cobre, latón, bronces, níquel-cobre, cobre-níquel-zinc (níquel plata), cobre con plomo y especial aleaciones. En los siguientes puntos, resumimos las propiedades clave de materiales seleccionados a base de cobre.
Cobre de brea tenaz electrolítica (ETP). El cobre electrolítico de brea tenaz, UNS C11000, es cobre puro (con un máximo de 0,0355% de impurezas) refinado mediante un proceso de refinado electrolítico y es el grado de cobre más utilizado en todo el mundo. ETP tiene una clasificación de conductividad mínima de 100% IACS y se requiere que sea 99,9% puro. Tiene de 0,02% a 0,04% de oxígeno contenido (típico). El cableado eléctrico es el mercado más importante para la industria del cobre. Esto incluye cableado de energía estructural, cable de distribución de energía, alambre para electrodomésticos, cable de comunicaciones, alambre y cable automotriz y alambre magnético. Aproximadamente la mitad de todo el cobre extraído se utiliza para conductores de cables y alambres eléctricos. El cobre puro tiene la mejor conductividad eléctrica y térmica de cualquier metal comercial. La conductividad del cobre es el 97% de la de la plata. Debido a su costo mucho menor y mayor abundancia, el cobre ha sido tradicionalmente el material estándar utilizado para aplicaciones de transmisión de electricidad.- Latón. Latón es el término genérico para una gama de aleaciones de cobre y zinc. El latón se puede alear con zinc en diferentes proporciones, lo que da como resultado un material de diferentes propiedades mecánicas, térmicas y de corrosión. Cantidades mayores de zinc proporcionan al material una resistencia y ductilidad mejoradas. Los latón con un contenido de cobre superior al 63% son los más dúctiles de cualquier aleación de cobre y se moldean mediante complejas operaciones de conformado en frío. El latón tiene una mayor maleabilidad que el bronce o el zinc. El punto de fusión relativamente bajo del latón y su fluidez lo convierten en un material relativamente fácil de fundir. El color de la superficie del latón puede variar de rojo a amarillo según el contenido de zinc. Algunos de los usos comunes de las aleaciones de latón incluyen bisutería, cerraduras, bisagras, engranajes, cojinetes, acoplamientos de mangueras, carcasas de municiones, radiadores de automóviles, instrumentos musicales, envases electrónicos y monedas.
- Bronce. Los bronces son una familia de aleaciones a base de cobre tradicionalmente aleadas con estaño, pero pueden referirse a aleaciones de cobre y otros elementos (por ejemplo, aluminio, silicio y níquel). Los bronces son algo más fuertes que los latones, pero aún tienen un alto grado de resistencia a la corrosión. Generalmente se utilizan cuando, además de la resistencia a la corrosión, se requieren buenas propiedades de tracción. Por ejemplo, el cobre berilio alcanza la mayor resistencia (hasta 1400 MPa) de cualquier aleación a base de cobre.
- Aleación de cobre-níquel. Los cuproníquel son aleaciones de cobre-níquel que contienen típicamente de 60 a 90 por ciento de cobre y níquel como principal elemento de aleación. Las dos aleaciones principales son 90/10 y 70/30. También pueden contener otros elementos de refuerzo, como manganeso y hierro. Los cuproníquel tienen una excelente resistencia a la corrosión provocada por el agua de mar. A pesar de su alto contenido de cobre, el cuproníquel es de color plateado. La adición de níquel al cobre también mejora la fuerza y la resistencia a la corrosión, pero se conserva una buena ductilidad.
- Alpaca. La plata de níquel, también conocida como plata alemana, latón de níquel o alpaca, es una aleación de cobre con níquel y, a menudo, zinc. Por ejemplo, la aleación de cobre de níquel plata 65-12 UNS C75700 tiene buena resistencia a la corrosión y al deslustre, y alta conformabilidad. La alpaca recibe su nombre por su apariencia plateada, pero no contiene plata elemental a menos que esté chapada.
Resistencia de las aleaciones de cobre
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 máxima resistencia a la tracción del cobre de brea tenaz electrolítica (ETP) es de aproximadamente 250 MPa.
La máxima resistencia a la tracción del latón de cartucho – UNS C26000 es de aproximadamente 315 MPa.
La máxima resistencia a la tracción del bronce de aluminio: UNS C95400 es de aproximadamente 550 MPa.
La máxima resistencia a la tracción del bronce de estaño (UNS C90500) es de aproximadamente 310 MPa.
La resistencia máxima a la tracción del berilio de cobre – UNS C17200 es de aproximadamente 1380 MPa.
La máxima resistencia a la tracción del cuproníquel – UNS C70600 es de aproximadamente 275 MPa.
Resistencia última a la tracción de plata de níquel – UNS C75700 es de aproximadamente 400 MPa.
La máxima resistencia a la tracción es la máxima en la curva de ingeniería de tensión-deformación. Esto corresponde a la tensión máxima que 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 elasticidad
La resistencia a la prueba del cobre de brea tenaz electrolítica (ETP) se encuentra entre 60 y 300 MPa.
El límite elástico del bronce de aluminio – UNS C95400 es de aproximadamente 250 MPa.
El límite elástico del bronce de estaño (UNS C90500) es de aproximadamente 150 MPa.
El límite elástico del berilio de cobre – UNS C17200 es de aproximadamente 1100 MPa.
El límite elástico del cuproníquel – UNS C70600 es de aproximadamente 105 MPa.
Límite elástico de plata de níquel – UNS C75700 es de aproximadamente 170 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. Límite de elasticidad 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 del cobre de brea tenaz a los electrolitos (ETP) es de aproximadamente 120 GPa.
El módulo de Young del latón de cartucho – UNS C26000 es de aproximadamente 95 GPa.
El módulo de Young del bronce de aluminio – UNS C95400 es de aproximadamente 110 GPa.
El módulo de Young del bronce de estaño (UNS C90500) es de aproximadamente 103 GPa.
El módulo de Young del berilio de cobre – UNS C17200 es de aproximadamente 131 GPa.
El módulo de Young del cuproníquel – UNS C70600 es de aproximadamente 135 GPa.
El módulo de Young de plata de níquel – UNS C75700 es de aproximadamente 117 GPa.
El módulo de Young es el módulo de elasticidad 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.
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