O que são ligas de titânio – Definição

O titânio é um metal de transição brilhante com uma cor prateada, baixa densidade e alta resistência. O titânio é resistente à corrosão na água do mar, água régia e cloro. Em usinas de energia, o titânio pode ser usado em condensadores de superfície. O metal é extraído de seus principais minérios pelos processos Kroll e Hunter. O processo de Kroll envolvia a redução do tetracloreto de titânio (TiCl4), primeiro com sódio e cálcio e depois com magnésio, sob uma atmosfera de gás inerte. O titânio puro é mais forte que os aços comuns de baixo teor de carbono, mas 45% mais leve. Também é duas vezes mais forte que as ligas de alumínio fracas, mas apenas 60% mais pesadas. As duas propriedades mais úteis do metal são resistência à corrosão e relação força-densidade, a mais alta de qualquer elemento metálico. A resistência à corrosão das ligas de titânio em temperaturas normais é excepcionalmente alta. A resistência à corrosão do titânio é baseada na formação de uma camada de óxido protetora estável. Embora o titânio “comercialmente puro” tenha propriedades mecânicas aceitáveis ​​e tenha sido usado para implantes ortopédicos e dentários, para a maioria das aplicações o titânio é ligado com pequenas quantidades de alumínio e vanádio, tipicamente 6% e 4%, respectivamente, em peso. Esta mistura tem uma solubilidade sólida que varia drasticamente com a temperatura, permitindo que ela sofra um reforço de precipitação.

As ligas de titânio são metais que contêm uma mistura de titânio e outros elementos químicos. Essas ligas têm resistência à tração e tenacidade muito altas (mesmo em temperaturas extremas). Eles são leves, têm extraordinária resistência à corrosão e a capacidade de suportar temperaturas extremas.

Tipos de Ligas de Titânio

O titânio existe em duas formas cristalográficas. À temperatura ambiente, o titânio não ligado (comercialmente puro) tem uma estrutura cristalina hexagonal compactada (hcp) referida como fase alfa (α). Quando a temperatura do titânio puro atinge 885°C (chamada de temperatura β transus do titânio), a estrutura do cristal muda para uma estrutura CCC conhecida como fase beta (β). Os elementos de liga aumentam ou diminuem a temperatura para a transformação α-para-β, de modo que os elementos de liga no titânio são classificados como estabilizadores α ou estabilizadores β. Por exemplo, vanádio, nióbio e molibdênio diminuem a temperatura de transformação α-para-β e promovem a formação da fase β.

• Ligas Alfa. As ligas alfa contêm elementos como alumínio e estanho e são preferidas para aplicações de alta temperatura por causa de suas características de fluência superiores. Esses elementos estabilizadores α funcionam inibindo a mudança na temperatura de transformação de fase ou fazendo com que ela aumente. A ausência de uma transição dúctil para frágil, uma característica das ligas β, torna as ligas α adequadas para aplicações criogênicas. Por outro lado, não podem ser reforçadas por tratamento térmico porque alfa é a fase estável e, portanto, não são tão resistentes quanto as ligas beta.
• Ligas Beta. As ligas beta contêm elementos de transição, como vanádio, nióbio e molibdênio, que tendem a diminuir a temperatura da transição de fase α para β. As ligas beta têm excelente temperabilidade e respondem prontamente ao tratamento térmico. Esses materiais são altamente forjáveis ​​e exibem alta tenacidade à fratura. Por exemplo, a resistência à tração final da liga de titânio de alta resistência – TI-10V-2Fe-3Al é de cerca de 1200 MPa.
• Liga Alfa + Beta. As ligas alfa + beta possuem composições que suportam uma mistura de fases α e β e podem conter entre 10 e 50% de fase β em temperatura ambiente. A liga α + β mais comum é Ti-6Al-4V. A resistência dessas ligas pode ser melhorada e controlada por tratamento térmico. Os exemplos incluem: Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V-ELI, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-6Al-7Nb.

Graus de Titânio

O titânio puro e suas ligas são comumente definidos por seus graus definidos pelo padrão ASTM International. Em geral, existem quase 40 graus de titânio e suas ligas. A seguir está uma visão geral das ligas de titânio e graus puros mais freqüentemente encontrados, suas propriedades, benefícios e aplicações industriais.

• Grau 1. O titânio comercialmente puro grau 1 é a liga de titânio mais dúctil e mais macia. É uma boa solução para conformação a frio e ambientes corrosivos. Possui a maior conformabilidade, excelente resistência à corrosão e alta tenacidade ao impacto. Devido à sua capacidade de conformação, é comumente disponível como placa e tubo de titânio. Esses incluem:
  • processamento químico
  • fabricação de clorato
  • arquitetura
  • indústria médica
  • indústria naval
  • partes automotivas
  • estrutura da fuselagem
• Grau 2. O titânio comercialmente puro grau 2 é muito semelhante ao grau 1, mas tem maior resistência do que o grau 1 e excelentes propriedades de conformação a frio. Ele fornece excelentes propriedades de soldagem e tem excelente resistência à oxidação e corrosão. Este grau de titânio é o grau mais comum da indústria de titânio comercialmente puro. É a escolha principal para muitos campos de aplicações:
  • Aeroespacial
  • Automotivo
  • Processamento químico e fabricação de clorato
  • Dessalinização
  • Geração de energia
• Grau 5 – Ti-6Al-4V. Grau 5 é a liga mais comumente usada e é uma liga alfa + beta. A liga de grau 5 é responsável por 50% do uso total de titânio em todo o mundo. Tem uma composição química de 6% de alumínio, 4% de vanádio, 0,25% (máximo) de ferro, 0,2% (máximo) de oxigênio e o restante de titânio. Geralmente, o Ti-6Al-4V é usado em aplicações de até 400 graus Celsius. Tem uma densidade de aproximadamente 4420 kg/m³. É significativamente mais forte que o titânio comercialmente puro (graus 1-4) devido à possibilidade de ser tratado termicamente. Esta classe é uma excelente combinação de força, resistência à corrosão, solda e capacidade de fabricação. É a escolha principal para muitos campos de aplicações:
  • Turbinas de aeronaves
  • Componentes do motor
  • Componentes estruturais de aeronaves
  • Fechos aeroespaciais
  • Peças automáticas de alto desempenho
  • Aplicações marítimas
• Grau 23 – Ti-6Al-4V-ELI. Ti-6Al-4V-ELI ou TAV-ELI é a versão de maior pureza do Ti-6Al-4V. ELI significa Extra Low Intersticial. A diferença essencial entre Ti6Al4V ELI (grau 23) e Ti6Al4V (grau 5) é a redução do teor de oxigênio para 0,13% (máximo) no grau 23. Os elementos intersticiais reduzidos oxigênio e ferro melhoram a ductilidade e a resistência à fratura com alguma redução na resistência. É a melhor escolha para qualquer tipo de situação em que seja necessária uma combinação de alta resistência, peso leve, boa resistência à corrosão e alta tenacidade. Este grau de titânio, grau médico de titânio, é usado em aplicações biomédicas, como componentes implantáveis, devido à sua biocompatibilidade, boa resistência à fadiga e baixo módulo.

Aplicação de Ligas de Titânio – Usos

As duas propriedades mais úteis do metal são a resistência à corrosão e a relação resistência-densidade, a mais alta de qualquer elemento metálico. A resistência à corrosão das ligas de titânio em temperaturas normais é excepcionalmente alta. Essas propriedades determinam a aplicação do titânio e suas ligas. A primeira aplicação de produção de titânio foi em 1952, para as naceles e firewalls do Douglas DC-7. Alta resistência específica, boa resistência à fadiga e vida útil à fluência e boa tenacidade à fratura são características que tornam o titânio um metal preferido para aplicações aeroespaciais. Aplicações aeroespaciais, incluindo o uso em componentes estruturais (célula) e motores a jato, ainda representam a maior parte do uso da liga de titânio. No aeronave supersônica SR-71, o titânio foi usado em 85% da estrutura. Devido à inércia muito alta, o titânio tem muitas aplicações biomédicas, que se baseiam em sua inércia no corpo humano, ou seja, resistência à corrosão por fluidos corporais.

Titânio comercialmente puro – Grau 1 em condensadores de vapor

Nas usinas nucleares, o sistema principal do condensador de vapor (MC) é projetado para condensar e desaerar o vapor de exaustão da turbina principal e fornecer um dissipador de calor para o sistema de derivação da turbina. O vapor exaurido das turbinas LP é condensado passando por tubos contendo água do sistema de resfriamento. Esses tubos geralmente são feitos de aço inoxidável, ligas de cobre ou titânio, dependendo de vários critérios de seleção (como condutividade térmica ou resistência à corrosão).  Tubos condensadores de titânio são geralmente a melhor escolha técnica, porém o titânio é um material muito caro e o uso de tubos condensadores de titânio está associado a custos iniciais muito altos. O titânio, em particular, pode trazer grandes melhorias, como velocidades de água mais altas, promovendo melhores coeficientes de calor, excelente resistência à abrasão, erosão e corrosão, melhorando assim a resistência à incrustação. Os tubos são em sua maioria tubos soldados de ASTM SB 338 grau 1 feitos em uma linha de fabricação contínua. Este titânio comercialmente puro é o titânio mais macio e tem a maior ductilidade. Possui boas características de conformação a frio e excelente resistência à corrosão. Também possui excelentes propriedades de soldagem e alta tenacidade ao impacto. Todas as operações de fabricação (soldagem, recozimento, testes não destrutivos) são totalmente automatizadas para produzir tubos de alta qualidade em grandes quantidades.

Propriedades das Ligas de Titânio

As propriedades dos materiais são propriedades intensivas, ou seja, independem da quantidade de massa e podem variar de um lugar para outro dentro do sistema a qualquer momento. A base da ciência dos materiais envolve estudar a estrutura dos materiais e relacioná-los com suas propriedades (mecânicas, elétricas, etc.). Uma vez que um cientista de materiais conheça essa correlação estrutura-propriedade, ele poderá estudar o desempenho relativo de um material em uma determinada aplicação. Os principais determinantes da estrutura de um material e, portanto, de suas propriedades são seus elementos químicos constituintes e a maneira como ele foi processado em sua forma final.

Densidade de Ligas de Titânio

A densidade da liga de titânio típica é de 4,43 g/cm³ (Ti-6Al-4V).

A densidade é definida como a massa por unidade de volume. É uma propriedade intensiva, que é matematicamente definida como massa dividida por volume:

ρ = m/V

Em palavras, a densidade (ρ) de uma substância é a massa total (m) dessa substância dividida pelo volume total (V) ocupado por essa substância. A unidade SI padrão é quilogramas por metro cúbico (kg/m³). A unidade padrão inglesa é libras-massa por pé cúbico (lbm/ft³).

Como a densidade (ρ) de uma substância é a massa total (m) dessa substância dividida pelo volume total (V) ocupado por essa substância, é óbvio que a densidade de uma substância depende fortemente de sua massa atômica e também de a densidade do número atômico (N; átomos/cm³),

• Peso Atômico. A massa atômica é transportada pelo núcleo atômico, que ocupa apenas cerca de 10^-12 do volume total do átomo ou menos, mas contém toda a carga positiva e pelo menos 99,95% da massa total do átomo. Portanto, é determinado pelo número de massa (número de prótons e nêutrons).
• Densidade de Número Atômico. A densidade de número atômico (N; átomos/cm³), que está associada aos raios atômicos, é o número de átomos de um determinado tipo por unidade de volume (V; cm³) do material. A densidade do número atômico (N; átomos/cm³) de um material puro com peso atômico ou molecular (M; gramas/mol) e a densidade do material (⍴; grama/cm³) é facilmente calculada a partir da seguinte equação usando o número de Avogadro (N_A = 6,022 × 10²³ átomos ou moléculas por mol):
• Estrutura de cristal. A densidade da substância cristalina é significativamente afetada por sua estrutura cristalina. A estrutura FCC, junto com seu parente hexagonal (hcp), tem o fator de empacotamento mais eficiente (74%). Metais contendo estruturas FCC incluem austenita, alumínio, cobre, chumbo, prata, ouro, níquel, platina e tório.

Propriedades Mecânicas das Ligas de Titânio

Os materiais são freqüentemente escolhidos para várias aplicações porque possuem combinações desejáveis ​​de características mecânicas. Para aplicações estruturais, as propriedades do material são cruciais e os engenheiros devem levá-las em consideração.

Resistência das Ligas de Titânio

Na mecânica dos materiais, a resistência de um material é sua capacidade de suportar uma carga aplicada sem falha ou deformação plástica. A resistência dos materiais considera basicamente a relação entre as cargas externas aplicadas a um material e a deformação resultante ou mudança nas dimensões do material. A resistência de um material é sua capacidade de suportar essa carga aplicada sem falha ou deformação plástica.

Resistência à tração

A resistência à tração final do titânio comercialmente puro – Grau 2 é de cerca de 340 MPa.

A resistência à tração final da liga de titânio Ti-6Al-4V – Grau 5 é de cerca de 1170 MPa.

A resistência à tração final é o máximo na curva de tensão-deformação de engenharia. Isso corresponde à tensão máxima que pode ser sustentado por uma estrutura em tensão. A resistência à tração final é muitas vezes abreviada para “resistência à tração” ou mesmo para “o máximo”. Se essa tensão for aplicada e mantida, ocorrerá fratura. Freqüentemente, esse valor é significativamente maior do que o limite de escoamento (até 50 a 60 por cento a mais do que o rendimento de alguns tipos de metais). Quando um material dúctil atinge sua resistência máxima, ele sofre estricção onde a área da seção transversal é reduzida localmente. A curva tensão-deformação não contém tensão maior do que a resistência máxima. Mesmo que as deformações possam continuar a aumentar, a tensão geralmente diminui após o limite de resistência ter sido alcançado. É uma propriedade intensiva; portanto, seu valor não depende do tamanho do corpo de prova. Porém, depende de outros fatores, como o preparo do corpo de prova, temperatura do ambiente de teste e do material. A resistência máxima à tração varia de 50 MPa para um alumínio até 3000 MPa para aços de alta resistência.

Força de Rendimento

A resistência ao escoamento do titânio comercialmente puro – Grau 2 é de cerca de 300 MPa.

A resistência ao escoamento da liga de titânio Ti-6Al-4V – Grau 5 é de cerca de 1100 MPa.

O ponto de escoamento é o ponto em uma curva tensão-deformação que indica o limite do comportamento elástico e o início do comportamento plástico. Força de rendimento ou tensão de escoamento é a propriedade do material definida como a tensão na qual um material começa a se deformar plasticamente, enquanto o ponto de escoamento é o ponto onde começa a deformação não linear (elástica + plástica). Antes do ponto de escoamento, o material se deformará elasticamente e retornará à sua forma original quando a tensão aplicada for removida. Uma vez ultrapassado o ponto de escoamento, alguma fração da deformação será permanente e irreversível. Alguns aços e outros materiais exibem um comportamento denominado fenômeno do ponto de escoamento. As resistências ao escoamento variam de 35 MPa para um alumínio de baixa resistência a mais de 1400 MPa para aços de resistência muito alta.

Módulo de elasticidade de Young

O módulo de elasticidade de Young do titânio comercialmente puro – Grau 2 é de cerca de 105 GPa.

O módulo de elasticidade de Young da liga de titânio Ti-6Al-4V – Grau 5 é de cerca de 114 GPa.

O módulo de elasticidade de Young é o módulo de elasticidade para tensão de tração e compressão no regime de elasticidade linear de uma deformação uniaxial e geralmente é avaliado por ensaios de tração. Até uma tensão limite, um corpo poderá recuperar suas dimensões com a retirada da carga. As tensões aplicadas fazem com que os átomos em um cristal se movam de sua posição de equilíbrio. Todos os átomos são deslocados na mesma quantidade e ainda mantêm sua geometria relativa. Quando as tensões são removidas, todos os átomos retornam às suas posições originais e nenhuma deformação permanente ocorre. De acordo com a lei de Hooke, a tensão é proporcional à deformação (na região elástica), e a inclinação é o módulo de Young. O módulo de Young é igual à tensão longitudinal dividida pela deformação.

Dureza das Ligas de Titânio

A dureza Rockwell do titânio comercialmente puro – Grau 2 é de aproximadamente 80 HRB.

A dureza Rockwell da liga de titânio Ti-6Al-4V – Grau 5 é de aproximadamente 41 HRC.

O teste de dureza Rockwell é um dos testes de dureza de indentação mais comuns, que foi desenvolvido para testes de dureza. Em contraste com o teste Brinell, o testador Rockwell mede a profundidade de penetração de um penetrador sob uma grande carga (carga principal) em comparação com a penetração feita por uma pré-carga (carga menor). A carga menor estabelece a posição zero. A carga principal é aplicada e, em seguida, removida, mantendo a carga secundária. A diferença entre a profundidade de penetração antes e depois da aplicação da carga principal é usada para calcular o número de dureza Rockwell. Ou seja, a profundidade de penetração e a dureza são inversamente proporcionais. A principal vantagem da dureza Rockwell é sua capacidade de exibir valores de dureza diretamente. O resultado é um número adimensional anotado como HRA, HRB, HRC, etc., onde a última letra é a respectiva escala Rockwell.

O teste Rockwell C é realizado com um penetrador Brale (cone de diamante de 120°) e uma carga maior de 150kg.

Propriedades Térmicas das Ligas de Titânio

As propriedades térmicas dos materiais referem-se à resposta dos materiais às mudanças de temperatura e à aplicação de calor. À medida que um sólido absorve energia na forma de calor, sua temperatura aumenta e suas dimensões aumentam. Mas diferentes materiais reagem à aplicação de calor de forma diferente.

A capacidade térmica, a expansão térmica e a condutividade térmica são propriedades frequentemente críticas no uso prático de sólidos.

Ponto de Fusão das Ligas de Titânio

O ponto de fusão do titânio comercialmente puro – Grau 2 é de cerca de 1660°C.

O ponto de fusão da liga de titânio Ti-6Al-4V – Grau 5 é de cerca de 1660°C.

Em geral, a fusão é uma mudança de fase de uma substância da fase sólida para a fase líquida. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ocorre essa mudança de fase. O ponto de fusão também define uma condição na qual o sólido e o líquido podem existir em equilíbrio.

Condutividade Térmica de Ligas de Titânio

A condutividade térmica do titânio comercialmente puro – Grau 2 é de 16 W/(mK).

A condutividade térmica da liga de titânio Ti-6Al-4V – Grau 5 é de 6,7 W/(mK).

As características de transferência de calor de um material sólido são medidas por uma propriedade chamada condutividade térmica, k (ou λ), medida em W/mK. É uma medida da capacidade de uma substância de transferir calor através de um material por condução. Observe que a lei de Fourier se aplica a toda matéria, independentemente de seu estado (sólido, líquido ou gasoso), portanto, também é definida para líquidos e gases.

A condutividade térmica da maioria dos líquidos e sólidos varia com a temperatura. Para vapores, também depende da pressão. Em geral:

A maioria dos materiais são quase homogêneos, portanto podemos geralmente escrever k = k (T). Definições semelhantes estão associadas às condutividades térmicas nas direções y e z (ky, kz), mas para um material isotrópico a condutividade térmica é independente da direção de transferência, kx = ky = kz = k.

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Veja acima:
Ligas