Sobre o Aço Inoxidável Duplex
Os aços inoxidáveis duplex, como o próprio nome indica, são uma combinação de dois dos principais tipos de ligas. Eles têm uma microestrutura mista de austenita e ferrita, o objetivo geralmente é produzir uma mistura 50/50, embora em ligas comerciais a proporção possa ser 40/60. Sua resistência à corrosão é semelhante às suas contrapartes austeníticas, mas sua resistência à corrosão sob tensão (especialmente à corrosão sob tensão por cloreto), resistência à tração e limites de escoamento (aproximadamente duas vezes o limite de escoamento dos aços inoxidáveis austeníticos) são geralmente superiores aos dos graus austeníticos. Nos aços inoxidáveis duplex, o carbono é mantido em níveis muito baixos (C<0,03%). O teor de cromo varia de 21,00 a 26,00%, o teor de níquel varia de 3,50 a 8,00% e essas ligas podem conter molibdênio (até 4,50%). A tenacidade e a ductilidade geralmente caem entre os graus austenítico e ferrítico. As classes duplex geralmente são divididas em três subgrupos com base em sua resistência à corrosão: lean duplex, duplex padrão e superduplex. Superduplex os aços têm maior resistência e resistência a todas as formas de corrosão em comparação com os aços austeníticos padrão. Os usos comuns são em aplicações marítimas, plantas petroquímicas, plantas de dessalinização, trocadores de calor e indústria de fabricação de papel. Hoje, a indústria de petróleo e gás é a maior usuária e tem pressionado por classes mais resistentes à corrosão, levando ao desenvolvimento de aços superduplex.
A resistência dos aços inoxidáveis aos efeitos químicos dos agentes corrosivos é baseada na passivação. Para que a passivação ocorra e permaneça estável, a liga Fe-Cr deve ter um teor mínimo de cromo de cerca de 10,5% em peso, acima do qual pode ocorrer passividade e abaixo do qual é impossível. O cromo pode ser usado como elemento de endurecimento e é frequentemente usado com um elemento de endurecimento, como o níquel, para produzir propriedades mecânicas superiores.
Aços Inoxidáveis Duplex – SAF 2205 – 1,4462
Um aço inoxidável duplex comum é o SAF 2205 (uma marca registrada da Sandvik para um aço inoxidável duplex 22Cr (ferrítico-austenítico), que normalmente contém 22% de cromo e 5% de níquel. Possui excelente resistência à corrosão e alta resistência, o 2205 é o aço inoxidável duplex mais utilizado. As aplicações do SAF 2205 estão nas seguintes indústrias:
- Transporte, armazenamento e processamento químico
- Equipamento de processamento
- Alto teor de cloreto e ambientes marinhos
- Exploração de petróleo e gás
- Máquinas de papel
Resumo
Nome | Aço Inoxidável Duplex |
Fase em STP | sólido |
Densidade | 7800 kg/m3 |
Resistência à tração | 620 MPa |
Força de rendimento | 440 MPa |
Módulo de elasticidade de Young | 200 GPa |
Dureza Brinell | 217 BHN |
Ponto de fusão | 1450 °C |
Condutividade térmica | 19 W/mK |
Capacidade de calor | 460 J/gK |
Preço | 7 $/kg |
Densidade do Aço Inoxidável Duplex
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 padrão do SI é quilogramas por metro cúbico (kg/m3). A unidade padrão inglesa é libras de massa por pé cúbico (lbm/ft3).
A densidade do aço inoxidável duplex é de 7800 kg/m3.
Exemplo: Densidade
Calcule a altura de um cubo feito de Aço Inoxidável Duplex, que pesa uma tonelada métrica.
Solução:
A densidade é definida como a massa por unidade de volume. É matematicamente definido como massa dividida pelo volume: ρ = m/V.
Como o volume de um cubo é a terceira potência de seus lados (V = a3), a altura desse cubo pode ser calculada:
A altura desse cubo é então a = 0,504 m.
Densidade de Materiais
Propriedades do Aço Inoxidável Duplex
As propriedades dos materiais são propriedades intensivas, o que significa que são independentes da quantidade de massa e podem variar de lugar para lugar 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 pode 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 pela qual foi processado em sua forma final.
Propriedades Mecânicas do Aço Inoxidável Duplex
Os materiais são frequentemente 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 do Aço Inoxidável Duplex
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 alteração nas dimensões do material. A resistência de um material é sua capacidade de suportar esta carga aplicada sem falha ou deformação plástica.
Resistência à tração
A resistência à tração máxima dos Aço Inoxidável Duplex – SAF 2205 é de 620 MPa.
A resistência à tração final é o máximo na curva 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 encurtada para “resistência à tração” ou mesmo para “o máximo”. Se esse estresse for aplicado e mantido, resultará em fratura. Muitas vezes, esse valor é significativamente maior do que a tensão de escoamento (até 50 a 60 por cento a mais do que o escoamento para alguns tipos de metais). Quando um material dúctil atinge sua resistência máxima, ele sofre um estreitamento onde a área da seção transversal se reduz localmente. A curva tensão-deformação não contém tensão superior à resistência última. Mesmo que as deformações possam continuar a aumentar, a tensão geralmente diminui depois que a resistência máxima é alcançada. É uma propriedade intensiva; portanto, seu valor não depende do tamanho do corpo de prova. No entanto, depende de outros fatores, como a preparação do corpo de prova, temperatura do ambiente de teste e do material. A resistência à tração final varia de 50 MPa para um alumínio até 3000 MPa para aços de alta resistência.
Força de rendimento
O limite de escoamento dos Aços Inoxidável Duplex – SAF 2205 é de 440 MPa.
O limite de escoamento é o ponto em uma curva tensão-deformação que indica o limite do comportamento elástico e o comportamento plástico inicial. 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 limite de escoamento é o ponto onde a deformação não linear (elástica + plástica) começa. Antes do limite de escoamento, o material se deformará elasticamente e retornará à sua forma original quando a tensão aplicada for removida. Uma vez ultrapassado o limite de escoamento, alguma fração da deformação será permanente e irreversível. Alguns aços e outros materiais apresentam um comportamento denominado fenômeno de limite de escoamento. Os limites de escoamento variam de 35 MPa para um alumínio de baixa resistência a mais de 1400 MPa para aços de alta resistência.
Módulo de elasticidade de Young
O módulo de elasticidade de Young dos Aços Inoxidável Duplex – SAF 2205 é de 200 GPa.
O módulo de elasticidade de Young é o módulo de elasticidade para tensões de tração e compressão no regime de elasticidade linear de uma deformação uniaxial e geralmente é avaliado por ensaios de tração. Até uma tensão limitante, um corpo poderá recuperar suas dimensões na remoção 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 do Aço Inoxidável Duplex
A dureza Brinell dos Aços Inoxidável Duplex – SAF 2205 é de aproximadamente 217 MPa.
Na ciência dos materiais, a dureza é a capacidade de suportar o recuo da superfície (deformação plástica localizada) e arranhões. A dureza é provavelmente a propriedade do material mais mal definida, pois pode indicar resistência a arranhões, resistência à abrasão, resistência à indentação ou mesmo resistência à conformação ou deformação plástica localizada. A dureza é importante do ponto de vista da engenharia porque a resistência ao desgaste por fricção ou erosão por vapor, óleo e água geralmente aumenta com a dureza.
O teste de dureza Brinell é um dos testes de dureza de indentação, que foi desenvolvido para testes de dureza. Nos testes Brinell, um penetrador esférico duro é forçado sob uma carga específica na superfície do metal a ser testado. O teste típico usa uma esfera de aço endurecido de 10 mm (0,39 pol) de diâmetro como um penetrador com uma força de 3000 kgf (29,42 kN; 6614 lbf). A carga é mantida constante por um tempo especificado (entre 10 e 30 s). Para materiais mais macios, uma força menor é usada; para materiais mais duros, uma esfera de carboneto de tungstênio é substituída pela esfera de aço.
O teste fornece resultados numéricos para quantificar a dureza de um material, que é expressa pelo número de dureza Brinell – HB. O número de dureza Brinell é designado pelos padrões de teste mais comumente usados (ASTM E10-14[2] e ISO 6506–1:2005) como HBW (H de dureza, B de brinell e W do material do penetrador, tungstênio ( volfrâmio) carboneto). Nos padrões anteriores, HB ou HBS eram usados para se referir a medições feitas com penetradores de aço.
O número de dureza Brinell (HB) é a carga dividida pela área da superfície da indentação. O diâmetro da impressão é medido com um microscópio com uma escala sobreposta. O número de dureza Brinell é calculado a partir da equação:
Há uma variedade de métodos de teste de uso comum (por exemplo, Brinell, Knoop, Vickers e Rockwell). Existem tabelas disponíveis correlacionando os números de dureza dos diferentes métodos de teste onde a correlação é aplicável. Em todas as escalas, um número de dureza alto representa um metal duro.
Exemplo: Força
Suponha uma haste de plástico, que é feita de aço inoxidável duplex. Esta haste de plástico tem uma área de seção transversal de 1 cm2. Calcule a força de tração necessária para atingir a resistência à tração final para este material, que é: UTS = 620 MPa.
Solução:
A tensão (σ) pode ser igualada à carga por unidade de área ou à força (F) aplicada por área de seção transversal (A) perpendicular à força como:
portanto, a força de tração necessária para atingir a resistência à tração final é:
F = UTS x A = 620 x 106 x 0,0001 = 62000 N
Propriedades Térmicas do Aço Inoxidável Duplex
As propriedades térmicas dos materiais referem-se à resposta dos materiais às mudanças em sua 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 materiais diferentes reagem à aplicação de calor de forma diferente.
Capacidade de calor, expansão térmica e condutividade térmica são propriedades que são frequentemente críticas no uso prático de sólidos.
Ponto de fusão do Aço Inoxidável Duplex
Ponto de fusão dos Aços Inoxidável Duplex – o aço SAF 2205 é em torno de 1450 °C.
Em geral, a fusão é uma mudança de fase de uma substância da fase sólida para a líquida. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual essa mudança de fase ocorre. O ponto de fusão também define uma condição na qual o sólido e o líquido podem existir em equilíbrio.
Condutividade Térmica do Aço Inoxidável Duplex
A condutividade térmica dos AçoS Inoxidável Duplex – SAF 2205 é de 19 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. No geral:
A maioria dos materiais são quase homogêneos, portanto, geralmente podemos escrever k = k(T). Definições semelhantes estão associadas a 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.
Exemplo: cálculo de transferência de calor
A condutividade térmica é definida como a quantidade de calor (em watts) transferida através de uma área quadrada de material de determinada espessura (em metros) devido a uma diferença de temperatura. Quanto menor a condutividade térmica do material, maior a capacidade do material de resistir à transferência de calor.
Calcule a taxa de fluxo de calor através de uma parede de 3 m x 10 m de área (A = 30 m2). A parede tem 15 cm de espessura (L1) e é feita de Aço Inoxidável Duplex com condutividade térmica de k1 = 19 W/mK (isolante térmico ruim). Suponha que as temperaturas interna e externa sejam 22 °C e -8 °C, e os coeficientes de transferência de calor por convecção nos lados interno e externo sejam h1 = 10 W/m2K e h2 = 30 W/m2K, respectivamente. Note-se que estes coeficientes de convecção dependem muito especialmente das condições ambientais e interiores (vento, humidade, etc.).
Calcule o fluxo de calor (perda de calor) através desta parede.
Solução:
Como foi escrito, muitos dos processos de transferência de calor envolvem sistemas compostos e até envolvem uma combinação de condução e convecção. Com esses sistemas compostos, muitas vezes é conveniente trabalhar com um coeficiente global de transferência de calor, conhecido como fator U. O fator U é definido por uma expressão análoga à lei de resfriamento de Newton:
O coeficiente global de transferência de calor está relacionado com a resistência térmica total e depende da geometria do problema.
Assumindo a transferência de calor unidimensional através da parede plana e desconsiderando a radiação, o coeficiente global de transferência de calor pode ser calculado como:
O coeficiente global de transferência de calor é então: U = 1 / (1/10 + 0,15/19 + 1/30) = 7,08 W/m2K
O fluxo de calor pode então ser calculado simplesmente como: q = 7,08 [W/m2K] x 30 [K] = 212,42 W/m2
A perda total de calor através desta parede será: qperda = q . A = 212,42 [L/m2] x 30 [m2] = 6372,67 W