Aço inoxidável x liga de titânio – comparação – prós e contras

Aços inoxidáveis

Na metalurgia, o aço inoxidável é uma liga de aço com pelo menos 10,5% de cromo com ou sem outros elementos de liga e no máximo 1,2% de carbono em massa. Os aços inoxidáveis, também conhecidos como aços inox ou inox do francês inoxydable (inoxidáveis), são ligas de aço, que são muito conhecidas por sua resistência à corrosão, que aumenta com o aumento do teor de cromo. A resistência à corrosão também pode ser aumentada por adições de níquel e molibdênio. A resistência dessas ligas metálicas 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 a passividade pode ocorrer e abaixo do qual é impossível. O cromo pode ser usado como um elemento de endurecimento e é freqüentemente usado com um elemento de endurecimento, como o níquel, para produzir propriedades mecânicas superiores.

Usos dos Aços Inoxidáveis ​​– Aplicações

Força e resistência à corrosão do aço inoxidável muitas vezes o tornam o material de escolha em equipamentos de transporte e processamento, peças de motores e armas de fogo. A maioria das aplicações estruturais ocorre nas indústrias química e de engenharia de energia, que respondem por mais de um terço do mercado de produtos de aço inoxidável. A ampla variedade de aplicações inclui vasos de reatores nucleares, trocadores de calor. O corpo do vaso do reator é construído em aço carbono de baixa liga de alta qualidade, mas todas as superfícies que entram em contato com o refrigerante do reator (altamente corrosivo devido à presença de ácido bórico) são revestidas com um mínimo de cerca de 3 a 10 mm de aço inoxidável austenítico para minimizar a corrosão.

O aço inoxidável pode ser laminado em chapas, chapas, barras, arames e tubos. Os aços inoxidáveis ​​não precisam ser pintados ou revestidos, o que os torna adequados para uso em aplicações onde a limpeza é necessária: em panelas, talheres e instrumentos cirúrgicos.

Tipos de Aços Inoxidáveis

Aço inoxidável é um termo genérico para uma grande família de ligas resistentes à corrosão contendo pelo menos 10,5% de cromo e pode conter outros elementos de liga. Existem vários tipos de aço inoxidável com teores variados de cromo e molibdênio e com estrutura cristalográfica variável para se adequar ao ambiente que a liga deve suportar. Os aços inoxidáveis ​​podem ser divididos em cinco categorias:

• Aços inoxidáveis ​​ferríticos. Nos aços inoxidáveis ​​ferríticos, o carbono é mantido em níveis baixos (C<0,08%) e o teor de cromo pode variar de 10,50 a 30,00%. Eles são geralmente limitados em uso a seções relativamente finas devido à falta de tenacidade nas soldas. Além disso, eles têm resistência a altas temperaturas relativamente fraca. Os aços ferríticos são escolhidos por sua resistência à corrosão sob tensão, o que os torna uma alternativa atraente aos aços inoxidáveis ​​austeníticos em aplicações onde a SCC induzida por cloreto é prevalente.
• Aços inoxidáveis ​​austeníticos. Os aços inoxidáveis ​​austeníticos contêm entre 16 e 25% de Cr e também podem conter nitrogênio em solução, ambos os quais contribuem para sua resistência à corrosão relativamente alta. Os aços inoxidáveis ​​austeníticos têm a melhor resistência à corrosão de todos os aços inoxidáveis ​​e possuem excelentes propriedades criogênicas e boa resistência a altas temperaturas. O grau mais conhecido é o aço inoxidável AISI 304, que contém cromo (entre 15% e 20%) e níquel (entre 2% e 10,5%) metais como principais constituintes não ferrosos. O aço inoxidável 304 possui excelente resistência a uma ampla gama de ambientes atmosféricos e a muitos meios corrosivos. Essas ligas são geralmente caracterizadas como dúcteis, soldáveis ​​e endurecíveis por conformação a frio.
• Aços inoxidáveis ​​martensíticos. Os aços inoxidáveis ​​martensíticos são semelhantes aos aços ferríticos por serem baseados em cromo, mas têm níveis de carbono mais altos de até 1%. Às vezes, eles são classificados como aços inoxidáveis ​​martensíticos de baixo carbono e alto carbono. Eles têm resistência à corrosão moderada, mas são considerados duros, fortes e ligeiramente quebradiços. Eles são magnéticos e podem ser testados de forma não destrutiva usando o método de inspeção por partículas magnéticas, ao contrário do aço inoxidável austenítico. Um aço inoxidável martensítico comum é o AISI 440C, que contém 16 a 18% de cromo e 0,95 a 1,2% de carbono. O aço inoxidável grau 440C é usado nas seguintes aplicações: blocos padrão, talheres, rolamentos e pistas de esferas, moldes e matrizes, facas.
• Aços Inoxidáveis ​​Duplex. Os aços inoxidáveis ​​duplex, como o próprio nome indica, são uma combinação de dois dos principais tipos de ligas. Possuem uma microestrutura mista de austenita e ferrita, sendo o objetivo geralmente 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 resistência ao escoamento (aproximadamente o dobro da resistência ao escoamento dos aços inoxidáveis ​​austeníticos) são geralmente superiores aos dos aços austeníticos notas. Superduplex os aços têm força e resistência aprimoradas 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 graus mais resistentes à corrosão, levando ao desenvolvimento de aços superduplex.
• Aços Inoxidáveis ​​PH. Os aços inoxidáveis ​​PH (endurecimento por precipitação) contêm cerca de 17% de cromo e 4% de níquel. Esses aços podem desenvolver resistência muito alta por meio de adições de alumínio, titânio, nióbio, vanádio e/ou nitrogênio, que formam precipitados intermetálicos coerentes durante um processo de tratamento térmico conhecido como envelhecimento térmico. De todos os tipos de inoxidáveis ​​disponíveis, eles geralmente oferecem a maior combinação de alta resistência aliada a excelente tenacidade e resistência à corrosão. Eles são tão resistentes à corrosão quanto os graus austeníticos. Os usos comuns são na indústria aeroespacial e em algumas outras indústrias de alta tecnologia.

Ligas de Titânio

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 a resistência à corrosão e a relação resistência-densidade, o mais alto 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, normalmente 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.

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 da aeronave
• Fechos aeroespaciais
• Peças automáticas de alto desempenho
• Aplicações marítimas

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.

Propriedades do aço inoxidável versus liga 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 do Aço Inoxidável vs Liga de Titânio

A densidade do aço inoxidável típico é de 8,0 g/cm³ (aço 304).

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 do aço inoxidável versus liga 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 do Aço Inoxidável vs Liga 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 máxima resistência à tração do aço inoxidável – tipo 304L é de 485 MPa.

A máxima resistência à tração do  aço inoxidável ferrítico – Grau 430 é de 480 MPa.

A resistência máxima à tração do  aço inoxidável martensítico – Grau 440C é de 760 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

O limite de escoamento do aço inoxidável – tipo 304L é de 170 MPa.

O limite de escoamento do aço inoxidável ferrítico – Grau 430 é de 310 MPa.

O limite de escoamento do aço inoxidável martensítico – Grau 440C é de 450 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 aço inoxidável ferrítico – Grau 430 é de 220 GPa.

O módulo de elasticidade de Young do aço inoxidável martensítico – Grau 440C é de 200 GPa.

O módulo de elasticidade de Young dos aços inoxidáveis ​​duplex – SAF 2205 é de 200 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 do Aço Inoxidável vs Liga de Titânio

A dureza Brinell do aço inoxidável ferrítico – Grau 430 é de aproximadamente 180 MPa.

A dureza Brinell do aço inoxidável martensítico – Grau 440C é de aproximadamente 270 MPa.

A dureza Brinell dos aços inoxidáveis ​​duplex – SAF 2205 é de aproximadamente 217 MPa.

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 do Aço Inoxidável vs Liga 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 do Aço Inoxidável vs Liga de Titânio

O ponto de fusão do aço inoxidável – aço tipo 304 é de cerca de 1450°C.

O ponto de fusão do aço inoxidável ferrítico  – aço grau 430 é de cerca de 1450°C.

O ponto de fusão do aço inoxidável martensítico  – aço grau 440C é de cerca de 1450°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 Aço Inoxidável vs Liga de Titânio

A condutividade térmica do aço inoxidável – tipo 304 é de 20 W/(mK).

A condutividade térmica do aço inoxidável ferrítico – Grau 430 é de 26 W/(mK).

A condutividade térmica do aço inoxidável martensítico – Grau 440C é de 24 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