Nick Connor

Os bronzes são uma família de ligas à base de cobre tradicionalmente ligadas ao estanho, mas podem referir-se a ligas de cobre e outros elementos (por exemplo, alumínio, silício e níquel). Os bronzes são um pouco mais fortes do que os latões, mas ainda apresentam um alto grau de resistência à corrosão. Geralmente são usados ​​quando, além da resistência à corrosão, são exigidas boas propriedades de tração. Por exemplo, o cobre berílio atinge a maior resistência (até 1400 MPa) de qualquer liga à base de cobre.

Historicamente, a liga de cobre com outro metal, por exemplo estanho para fazer bronze, foi praticada pela primeira vez cerca de 4000 anos após a descoberta da fundição de cobre e cerca de 2000 anos depois que o “bronze natural” entrou em uso geral. Uma civilização antiga é definida como estando na Idade do Bronze, seja produzindo bronze por fundição de seu próprio cobre e liga com estanho, arsênico ou outros metais. Bronze, ou ligas e misturas semelhantes ao bronze, foram usadas para moedas por um período mais longo. Os bronzes ainda são amplamente usados ​​hoje em dia para molas, rolamentos, buchas, rolamentos piloto de transmissão de automóveis e acessórios semelhantes, e são particularmente comuns nos rolamentos de pequenos motores elétricos. Latão e bronze são materiais de engenharia comuns na arquitetura moderna e usados ​​principalmente para coberturas e revestimento de fachadas devido à sua aparência visual.

Bronze de Berílio

O cobre-berílio, também conhecido como bronze-berílio, é uma liga de cobre com 0,5 a 3% de berílio. O cobre berílio é o mais duro e forte de qualquer liga de cobre (UTS até 1.400 MPa), na condição totalmente tratada termicamente e trabalhada a frio. Combina alta resistência com propriedades não magnéticas e não faiscantes qualidades e é semelhante em propriedades mecânicas a muitos aços de liga de alta resistência, mas, em comparação com os aços, tem melhor resistência à corrosão (semelhante ao cobre puro). Tem boa condutividade térmica (210 W/m°C) 3-5 vezes mais que o aço ferramenta. Essas ligas de alto desempenho são usadas há muito tempo em ferramentas anti-faíscas nas indústrias de mineração (minas de carvão), gás e petroquímica (plataformas de petróleo). Chaves de fenda, alicates, chaves inglesas, cinzéis frios, facas e martelos de cobre berílio estão disponíveis para esses ambientes. Devido à excelente resistência à fadiga, o cobre berílio é amplamente utilizado para molas, fios de mola, células de carga e outras peças que devem manter sua forma sob cargas cíclicas.

Resumo

97,9%

1,9%

Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introdução à Termodinâmica dos Materiais (4ª ed.). Editora Taylor e Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Uma Introdução à Ciência dos Materiais. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Veja acima:
Bronze

O cobre-berílio, também conhecido como bronze-berílio, é uma liga de cobre com 0,5 a 3% de berílio. O cobre berílio é o mais duro e forte de qualquer liga de cobre (UTS até 1.400 MPa), na condição totalmente tratada termicamente e trabalhada a frio. Combina alta resistência com propriedades não magnéticas e não faiscantes qualidades e é semelhante em propriedades mecânicas a muitos aços de liga de alta resistência, mas, em comparação com os aços, tem melhor resistência à corrosão (semelhante ao cobre puro). Tem boa condutividade térmica (210 W/m°C) 3-5 vezes mais que o aço ferramenta. Essas ligas de alto desempenho são usadas há muito tempo em ferramentas anti-faíscas nas indústrias de mineração (minas de carvão), gás e petroquímica (plataformas de petróleo). Chaves de fenda, alicates, chaves inglesas, cinzéis frios, facas e martelos de cobre berílio estão disponíveis para esses ambientes. Devido à excelente resistência à fadiga, o cobre berílio é amplamente utilizado para molas, fios de mola, células de carga e outras peças que devem manter sua forma sob cargas cíclicas.

Propriedades do Bronze Berílio – UNS C17200

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.

Propriedades Mecânicas do Bronze Berílio

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.

Força do bronze de berílio

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 cobre berílio – UNS C17200 é de cerca de 1380 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 cobre berílio – UNS C17200 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 cobre- berílio – UNS C17200 é de cerca de 131 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 bronze de berílio

A dureza Rockwell do cobre berílio – UNS C17200 é de aproximadamente 82 HRB.

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.

Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introdução à Termodinâmica dos Materiais (4ª ed.). Editora Taylor e Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Uma Introdução à Ciência dos Materiais. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Veja acima:
Berílio Bronze

O magnésio puro é um sólido cinza brilhante que tem uma grande semelhança física com os outros cinco elementos da segunda coluna (grupo 2, ou metais alcalino-terrosos) da tabela periódica.

Ligas de magnésio são misturas de magnésio e outros metais de liga, geralmente alumínio, zinco, silício, manganês, cobre e zircônio. Como a característica mais notável do magnésio é sua densidade, 1,7 g/cm³, suas ligas são usadas onde o peso leve é ​​uma consideração importante (por exemplo, em componentes de aeronaves). O magnésio tem o ponto de fusão mais baixo (923 K (1202°F)) de todos os metais alcalino-terrosos. O magnésio puro tem uma estrutura cristalina HCP, é relativamente macio e tem um baixo módulo de elasticidade: 45 GPa. As ligas de magnésio também possuem uma estrutura treliçada hexagonal, que afeta as propriedades fundamentais dessas ligas. À temperatura ambiente, o magnésio e suas ligas são difíceis de realizar trabalho a frio devido ao fato de que a deformação plástica da rede hexagonal é mais complicada do que em metais de rede cúbica como alumínio, cobre e aço. Portanto, as ligas de magnésio são normalmente usadas como ligas fundidas. Apesar da natureza reativa do pó de magnésio puro, o magnésio metálico e suas ligas têm boa resistência à corrosão.

O alumínio é o elemento de liga mais comum. Alumínio, zinco, zircônio e tório promovem o endurecimento por precipitação: o manganês melhora a resistência à corrosão; e o estanho melhora a fundibilidade.

Devemos acrescentar que o magnésio puro é altamente inflamável, especialmente quando em pó ou raspado em tiras finas, embora seja difícil de inflamar em massa ou a granel. Produz luz branca intensa e brilhante quando queima. As temperaturas de chama do magnésio e de algumas ligas de magnésio podem atingir 3100°C. O magnésio fundido ou queimado reage violentamente com a água. Uma vez acesos, esses incêndios são difíceis de extinguir, porque a combustão continua em nitrogênio (formando nitreto de magnésio), dióxido de carbono (formando óxido de magnésio e carbono) e água. A queima de magnésio pode ser extinta usando um extintor de pó químico seco Classe D. Sua inflamabilidade é bastante reduzida por uma pequena quantidade de cálcio na liga.

Usos de Ligas de Magnésio – Aplicação

As ligas de magnésio são usadas em uma ampla variedade de aplicações estruturais e não estruturais. As aplicações estruturais incluem equipamentos automotivos, industriais, de manuseio de materiais, comerciais e aeroespaciais. As ligas de magnésio são usadas para peças que operam em altas velocidades e, portanto, devem ser leves para minimizar as forças de inércia. As aplicações comerciais incluem ferramentas portáteis, laptops, malas e escadas, automóveis (por exemplo, volantes e colunas, estruturas de assentos, caixas de transmissão). Magnox (liga), cujo nome é uma abreviação de “magnésio não oxidante”, é 99% de magnésio e 1% de alumínio e é usado no revestimento de varetas de combustível em reatores de energia nuclear magnox.

Tipos de Ligas de Magnésio

Os nomes das ligas de magnésio geralmente são dados por duas letras seguidas por dois números. As letras indicam os principais elementos de liga (A = alumínio, Z = zinco, M = manganês, S = silício). Os números indicam as respectivas composições nominais dos principais elementos de liga. Por exemplo, a liga AZ81 é uma liga de magnésio com aproximadamente 8% de alumínio e 1% de zinco.

Liga Magnox – AL80

Magnox, cujo nome é uma abreviação de “magnésio não oxidante“, é uma liga de alto teor de magnésio principalmente de magnésio com pequenas quantidades de alumínio e outros metais. Esta liga, designada como liga AL80, é usada como revestimento para combustível nuclear empregado nos reatores de usinas elétricas moderados a grafite e resfriados a gás do Reino Unido com o mesmo nome. Os revestimentos de ligas de magnésio do tipo Magnox são bem compatíveis com o urânio metálico em temperaturas de até 500°C e são altamente resistentes à oxidação.

Este material tem a vantagem de uma baixa seção transversal de captura de nêutrons, mas tem duas grandes desvantagens:

• Limita a temperatura máxima (a cerca de 415°C) e, portanto, a eficiência térmica da planta.
• A desvantagem dessas ligas é uma alta tendência ao crescimento de grãos, perda de propriedades de resistência, oxidação na presença de vapor de água.

A liga magnox Al80 tem uma composição de 0,8% de alumínio e 0,004% de berílio.

Como foi escrito, a liga magnox AL80 foi usada principalmente como revestimento de combustível em reatores do tipo Magnox. Em 30 de dezembro de 2015, a Wylfa Unit 1, o último reator Magnox em operação do mundo, foi fechada. À medida que o projeto Magnox estava sendo implementado, o trabalho já estava em andamento no reator resfriado a gás avançado (AGR) com a intenção explícita de tornar o sistema mais econômico. O projeto AGR reteve o moderador de grafite do Magnox e o refrigerante de dióxido de carbono, mas aumentou a temperatura operacional do gás de resfriamento para melhorar as condições do vapor. Esse aumento de temperatura (cerca de 650°C (1202°F)) melhoraria muito a eficiência térmica da usina. Mas isso era muito quente para a liga magnox, e o AGR originalmente pretendia usar um novo revestimento à base de berílio, mas isso se mostrou muito frágil. Este foi substituído por um revestimento de aço inoxidável. No entanto, o aço tem uma seção transversal de nêutrons mais alta e essa mudança exigiu o uso de combustível de urânio ligeiramente enriquecido para compensar seções transversais de absorção mais altas.

Elétron 21 – UNS M12310

Em geral, Elektron é a marca registrada de uma ampla gama de ligas de magnésio fabricadas pela empresa britânica Magnesium Elektron Limited. Elektron 21, designado por UNS M12310, é uma das ligas com excelente resistência à corrosão e fundibilidade. Os produtos fundidos possuem uma microestrutura de grão fino e estanqueidade à pressão. Esta liga pode ser facilmente usinada. As aplicações incluem automobilismo e aeroespacial, pois possui alta resistência, peso leve e possui excelentes características de amortecimento de vibrações.

Propriedades das Ligas de Magnésio

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.

Propriedades Mecânicas das Ligas de Magnésio

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 Magnésio

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 Elektron 21 – UNS M12310 é de cerca de 280 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 Elektron 21 – UNS M12310 é de cerca de 145 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 Elektron 21 – UNS M12310 é de cerca de 45 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 Magnésio

A dureza Brinell do Elektron 21 – UNS M12310 é de aproximadamente 70 HB.

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 Magnésio

As propriedades térmicas dos materiais referem-se à resposta dos materiais às mudanças de thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/”>temperatura e à aplicação de calor. À medida que um sólido absorve thermodynamics/what-is-energy-physics/”>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 Magnésio

O ponto de fusão do Elektron 21 – UNS M12310 é de cerca de 550 – 640°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 Magnésio

A condutividade térmica do Elektron 21 – UNS M12310 é de 116 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.

Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introdução à Termodinâmica dos Materiais (4ª ed.). Editora Taylor e Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Uma Introdução à Ciência dos Materiais. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Veja acima:
Ligas

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 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, 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.

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.

Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introdução à Termodinâmica dos Materiais (4ª ed.). Editora Taylor e Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Uma Introdução à Ciência dos Materiais. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Veja acima:
Ligas de titânio

O estanho é um metal pós-transição no grupo 14 da tabela periódica. É obtido principalmente do mineral cassiterita, que contém dióxido de estanho. A primeira liga usada em larga escala foi o bronze, feito de estanho e cobre, já em 3000 AC. O estanho é um dos primeiros metais conhecidos pelos seres humanos, é atóxico, macio e flexível e adequado para laminação a frio. O estanho resiste à corrosão, tornando-o um revestimento ideal para outros metais. O estanho tem baixo coeficiente de atrito e a adição de elementos de liga como cobre, antimônio, bismuto, cádmio e prata aumenta sua dureza. O estanho é usado há muito tempo em ligas com chumbo como solda. O próprio estanho tem um ponto de fusão muito baixo, o estanho ligado ao chumbo forma uma mistura eutéticana proporção em peso de 61,9% de estanho e 38,1% de chumbo com temperatura de fusão de 183°C (361,4°F). Essas soldas são usadas principalmente para unir tubos ou circuitos elétricos.

Folha de Flandres – Estanhagem – Imersão a Quente – Galvanoplastia

A maior aplicação individual de estanho é na fabricação de folha-de-flandres (folha de aço revestida com estanho), que responde por aproximadamente 40% do consumo mundial total de estanho. O estanho liga-se facilmente ao ferro e ao aço para prevenir a corrosão. Recipientes de aço estanhado são amplamente utilizados para conservação de alimentos, e isso representa uma grande parte do mercado de estanho metálico.

Estanhagem é o processo de revestimento fino de folhas de ferro forjado ou aço com estanho, e o produto resultante é conhecido como folha-de-flandres. O termo também é amplamente utilizado para os diferentes processos de revestimento de um metal com solda antes da soldagem. Existem dois processos para o estanhamento das chapas pretas: imersão a quente e galvanoplastia.

• Mergulho quente. A folha-de-flandres feita por meio de revestimento de estanho por imersão a quente é feita por aço ou ferro laminado a frio, que é então revestido com uma fina camada de estanho.
• Galvanoplastia. A galvanoplastia é um processo que usa uma corrente elétrica para reduzir os cátions metálicos dissolvidos, de modo que formem um revestimento fino e coerente de metal em um eletrodo. O método tradicional de imersão a quente de fazer folha-de-flandres foi amplamente substituído pela eletrodeposição de estanho em tiras contínuas de aço laminado.

Solda – Estanho – Liga Eutética de Chumbo

A soldagem é uma técnica para unir metais usando uma liga de metal de adição que tem uma temperatura de fusão inferior a cerca de 425°C (800°F). Devido a essa temperatura mais baixa e às diferentes ligas usadas como cargas, a reação metalúrgica entre a carga e a peça de trabalho é mínima, resultando em uma junta mais fraca. Na montagem eletrônica, a liga eutética com 63% de estanho e 37% de chumbo (ou 60/40, que é quase idêntico no ponto de fusão) tem sido a liga preferida. Esta liga eutética tem ponto de fusão inferior ao do estanho ou do chumbo.

O estanho é um constituinte importante em soldas porque molha e adere a muitos metais básicos comuns a temperaturas consideravelmente abaixo de seus pontos de fusão. Pequenas quantidades de vários metais, principalmente antimônio e prata, são adicionadas às soldas de estanho-chumbo para aumentar sua resistência. A solda 60-40 fornece juntas fortes e confiáveis ​​sob uma variedade de condições ambientais. Existem também soldas com alto teor de estanho, que são usadas para unir partes de aparelhos elétricos porque sua condutividade elétrica é maior que a das soldas com alto teor de chumbo. Essas soldas também são usadas onde o chumbo pode ser um perigo, por exemplo, em contato com água potável ou alimentos.

Resumo

60%

40%

Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introdução à Termodinâmica dos Materiais (4ª ed.). Editora Taylor e Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Uma Introdução à Ciência dos Materiais. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Veja acima:
Ligas

O zircônio puro é um metal de transição brilhante, branco-acinzentado e forte que se assemelha ao háfnio e, em menor grau, ao titânio. O zircônio é usado principalmente como refratário e opacificante, embora pequenas quantidades sejam usadas como agente de liga por sua forte resistência à corrosão. O zircônio e suas ligas são amplamente utilizados como revestimento para combustíveis de reatores nucleares. Zircônio ligado com nióbio ou estanho tem excelentes propriedades de corrosão. A alta resistência à corrosão das ligas de zircônio resulta da formação natural de um óxido denso e estável na superfície do metal. Este filme é auto-reparador, continua a crescer lentamente em temperaturas de até aproximadamente 550°C (1020°F) e permanece fortemente aderente. A propriedade desejada dessas ligas também é uma seção de choque de baixa captura de nêutrons. As desvantagens do zircônio são propriedades de baixa resistência e baixa resistência ao calor, que podem ser eliminadas, por exemplo, ligando-se ao nióbio.

• Zircônio – Ligas de Nióbio. Ligas de zircônio com nióbio são usadas como revestimento de elementos combustíveis de reatores VVER e RBMK. Essas ligas são o material base do canal de montagem do reator RBMK. A liga Zr + 1% Nb do tipo N-1 E-110 é usada para revestimentos de elementos combustíveis, a liga Zr + 2,5% Nb do tipo E-125 é aplicada para tubos de canais de montagem.
• Zircônio – Ligas de Estanho. As ligas de zircônio, nas quais o estanho é o elemento de liga básico, que proporcionam melhoria de suas propriedades mecânicas, têm ampla distribuição nos EUA. Um subgrupo comum tem a marca comercial Zircaloy. No caso das ligas zircônio-estanho, ocorre a diminuição da resistência à corrosão em água e vapor, resultando na necessidade de ligas adicionais.

O material de revestimento para os novos projetos de combustível 17×17 é baseado também nas ligas de zircônio-nióbio (por exemplo, material ZIRLO otimizado), que demonstrou ter resistência à corrosão aprimorada em comparação com materiais de revestimento de combustível anteriores. O nível de estanho otimizado fornece uma taxa de corrosão reduzida enquanto mantém os benefícios de força mecânica e resistência à corrosão acelerada de condições químicas anormais.

Custos de zircônio

Em termos de custo, essas ligas também são frequentemente os materiais de escolha para trocadores de calor e sistemas de tubulação para processamento químico e indústrias nucleares. O zircônio é um subproduto da mineração e processamento dos minerais de titânio, bem como da mineração de estanho. De 2003 a 2007, enquanto os preços do mineral zircônio aumentaram de US$ 360 para US$ 840 por tonelada, o preço do zircônio bruto diminuiu de US$ 39900 para US$ 22700 por tonelada. O zircônio metálico é muito mais caro que o zircônio porque os processos de redução são caros. Todos os custos variam significativamente com certa pureza.

Produção de zircônio

A produção de zircônio metálico requer técnicas especiais devido às propriedades químicas particulares do zircônio. A maior parte do metal Zr é produzida a partir do zircão (ZrSiO₄) pela redução do cloreto de zircônio com magnésio metálico no processo Kroll. A principal característica do processo Kroll é a redução do cloreto de zircônio para zircônio metálico por magnésio. O zircônio comercial de grau não nuclear normalmente contém 1–5% de háfnio, cuja seção transversal de absorção de nêutrons é 600x a do zircônio. O háfnio deve, portanto, ser quase totalmente removido (reduzido para < 0,02% da liga) para aplicações em reatores.

Ligas de Zircônio na Indústria Nuclear

Revestimento de combustível é a camada externa das varetas de combustível, ficando entre o refrigerante do reator e o combustível nuclear (isto é, pastilhas de combustível). É feito de um material resistente à corrosão com seção transversal de baixa absorção para nêutrons térmicos (~ 0,18 × 10^–24 cm²), geralmente liga de zircônio. O revestimento de combustível normalmente tem um raio interno de r_Zr,2 = 0,408 cm e um raio externo de r_Zr,1 = 0,465 cm. Em comparação com o pellet de combustível, quase não há geração de calor no revestimento do combustível (o revestimento é ligeiramente aquecido pela radiação). Todo o calor gerado no combustível deve ser transferido por condução através do revestimento e, portanto, a superfície interna é mais quente que a externa.

Uma composição típica de ligas de zircônio de grau nuclear é mais de 95% em peso de zircônio e menos de 2% de estanho, nióbio, ferro, cromo, níquel e outros metais, que são adicionados para melhorar as propriedades mecânicas e a resistência à corrosão. A liga mais utilizada, até o momento, em PWRs, tem sido o Zircaloy 4, porém atualmente esta está sendo substituída por novas ligas à base de zircônio-nióbio, apresentando melhor resistência à corrosão. A temperatura máxima na qual as ligas de zircônio podem ser usadas em reatores refrigerados a água depende de sua resistência à corrosão. As ligas de zircônio mais comuns, Zircaloy-2 e Zircaloy-4, contêm os fortes estabilizadores α estanho e oxigênio, além dos estabilizadores β ferro, cromo e níquel. Ligas do tipo Zircalloy, nas quais o estanho é o elemento de liga básico que proporciona melhoria de suas propriedades mecânicas, têm ampla distribuição no mundo. Porém, neste caso, ocorre a diminuição da resistência à corrosão em água e vapor que resultou na necessidade de ligas adicionais. A melhoria provocada pelo nióbio aditivo provavelmente envolve um mecanismo diferente. A alta resistência à corrosão de ligas metálicas de nióbio em água e vapor em temperaturas de 400–550°C é causada por sua capacidade de passivação com formação de filmes protetores.

Oxidação de ligas de zircônio

A oxidação de ligas de zircônio é um dos processos mais estudados em toda a indústria nuclear. A reação oxidativa do zircônio com a água libera gás hidrogênio, que se difunde parcialmente na liga e forma hidretos de zircônio. Os hidretos são menos densos e mecanicamente mais fracos que a liga; sua formação resulta em bolhas e rachaduras no revestimento – um fenômeno conhecido como fragilização por hidrogênio. Embora muitos desses relatórios sejam escritos para abordar a reação de combustível e vapor com ligas de zircônio no caso de um acidente nuclear, ainda há um número substancial de relatórios que tratam da oxidação de ligas de zircônio em temperaturas moderadas de cerca de 800 K e abaixo .

Zr + 2H₂O→ZrO₂ + 2H₂

Em altas temperaturas, a reação exotérmica de ligas à base de Zr com vapor é muito mais intensa e perigosa para a segurança de usinas nucleares durante acidentes como um acidente de perda de refrigerante (LOCA). O principal problema da oxidação em alta temperatura é que o revestimento de zircônio reage rapidamente com o vapor de água em alta temperatura. A cinética de oxidação de ligas de zircônio relevantes parece ser parabólica na faixa de temperatura de 1000-1500°C para muitas ligas à base de Zr.

Liga de Zircônio-Estanho

Zircaloy-4 (UNS R60804) é uma variação do Zircaloy-2, mas não contém níquel e tem um teor de ferro mais alto e mais controlado. As propriedades mecânicas são semelhantes ao zircônio puro, mais forte e menos dúctil, com excelente resistência à corrosão. Esta liga também é usada em serviço nuclear; absorve menos hidrogênio do que Zircaloy-2 quando exposto à corrosão em água e vapor.

As ligas de zircônio, nas quais o estanho é o elemento de liga básico, que proporcionam melhoria de suas propriedades mecânicas, têm ampla distribuição nos EUA. Um subgrupo comum tem a marca comercial Zircaloy. No caso das ligas zircônio-estanho, ocorre a diminuição da resistência à corrosão em água e vapor, resultando na necessidade de ligas adicionais.

Resumo

O Zircaloy-4 foi desenvolvido a partir do Zircaloy-2 com o objetivo principal de reduzir a tendência de captação de hidrogênio. Assim, aplicam-se as mesmas especificações de composição, exceto para o níquel, que está limitado ao máximo de 0,007%, e para o ferro, cuja faixa é reduzida para 0,18%.

95%

2%

0,2%

97%

1%

0,2%

Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introdução à Termodinâmica dos Materiais (4ª ed.). Editora Taylor e Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Uma Introdução à Ciência dos Materiais. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Veja acima:
Ligas

As ligas resistentes à corrosão, como o próprio nome indica, são ligas com maior resistência à corrosão. Alguns metais ferrosos e muitos não ferrosos e ligas são amplamente utilizados em ambientes corrosivos. Em todos os casos, depende fortemente de determinado ambiente e outras condições. Ligas resistentes à corrosão são usadas para tubulações de água e muitas aplicações químicas e industriais. No caso de ligas ferrosas, estamos falando de aços inoxidáveis ​​e, até certo ponto, de ferros fundidos. Mas algumas ligas não ferrosas resistentes à corrosão exibem notável resistência à corrosão e, portanto, podem ser usadas para muitos propósitos especiais. Existem duas razões principais pelas quais os materiais não ferrosos são preferidos aos aços e aços inoxidáveis ​​para muitas dessas aplicações. Por exemplo, muitos dosos metais não ferrosos e as ligas possuem uma resistência muito maior à corrosão do que os aços-liga disponíveis e os tipos de aço inoxidável. Em segundo lugar, uma alta relação resistência/peso ou alta condutividade térmica e elétrica pode fornecer uma vantagem distinta sobre uma liga ferrosa.

Tipos de ligas resistentes à corrosão

Quatro metais não ferrosos comuns usados ​​por suas propriedades de resistência à corrosão bem documentadas são:

• 

  Cobre. O cobre não reage com a água, mas reage lentamente com o oxigênio atmosférico para formar uma camada de óxido de cobre marrom-escuro que, ao contrário da ferrugem que se forma no ferro no ar úmido, protege o metal subjacente de mais corrosão (passivação). Ligas de níquel de cobre e bronze de alumínio demonstram resistência superior à corrosão por água salgada. Por exemplo, os cuproníquel são ligas de cobre-níquel que contêm tipicamente de 60 a 90 por cento de cobre e níquel como o principal elemento de liga. As duas ligas principais são 90/10 e 70/30. Outros elementos de reforço, como manganês e ferro, também podem estar contidos. Cuproníquel têm excelente resistência à corrosão causada pela água do mar. Apesar de seu alto teor de cobre, o cuproníquel é prateado. A adição de níquel ao cobre também melhora a força e a resistência à corrosão, mas a boa ductilidade é mantida. Cupronickels podem ser usados ​​em muitas aplicações marítimas, como para hélices e eixos de hélices. Como as ligas de cuproníquel têm resistência inerente à macroincrustação, boa resistência à tração, excelente ductilidade quando recozidas, alta condutividade térmica e características de expansão, elas podem ser usadas para trocadores de calor, como condensadores de turbinas a vapor, resfriadores de óleo, sistemas auxiliares de resfriamento e pré-aquecimento de alta pressão. -aquecedores em usinas nucleares e de combustível fóssil. Outro material resistente à corrosão muito comum é um bronze de alumínio, que possui excelente resistência à corrosão, especialmente em água do mar e ambientes semelhantes, onde as ligas geralmente superam muitos aços inoxidáveis. Sua excelente resistência à corrosão resulta do alumínio nas ligas, que reage com o oxigênio atmosférico para formar uma camada superficial fina e resistente de alumina (óxido de alumínio) que atua como uma barreira à corrosão da liga rica em cobre. Eles são encontrados em formas forjadas e fundidas. Bronzes de alumínio são geralmente de cor dourada. Bronzes de alumínio são usados ​​em aplicações de água do mar que incluem:

  • Serviços gerais relacionados com a água do mar
  • rolamentos
  • acessórios para tubos
  • Bombas e componentes de válvulas
  • Trocadores de calor

• Níquel. O níquel é um metal lustroso branco prateado com um leve tom dourado. O níquel é um dos elementos de liga mais comuns. Cerca de 65% da produção de níquel é usada em aços inoxidáveis. Como o níquel não forma nenhum composto de carboneto no aço, ele permanece em solução na ferrita, fortalecendo e endurecendo a fase de ferrita. Os aços com níquel são facilmente tratados termicamente porque o níquel reduz a taxa crítica de resfriamento. Ligas à base de níquel (por exemplo, ligas Fe-Cr-Ni(Mo)) exibem excelente ductilidade e tenacidade, mesmo em altos níveis de resistência e essas propriedades são mantidas até baixas temperaturas. O níquel e suas ligas são altamente resistentes à corrosão em diversos ambientes, principalmente os básicos (alcalinos). O níquel também reduz a expansão térmica para melhor estabilidade dimensional. O níquel é o elemento base das superligas. Esses metais têm excelente resistência à deformação por fluência térmica e mantêm sua rigidez, resistência, tenacidade e estabilidade dimensional em temperaturas muito mais altas do que os outros materiais estruturais aeroespaciais. Por exemplo, Inconel é uma marca registrada da Special Metals para uma família de superligas austeníticas à base de níquel-cromo. Inconel 718 é um superliga à base de níquel que possui propriedades de alta resistência e resistência a temperaturas elevadas. Também demonstra notável proteção contra corrosão e oxidação. Eles foram inicialmente desenvolvidos para uso em turbocompressores de motores a pistão de aeronaves. Hoje, a aplicação mais comum é em componentes de turbinas de aeronaves, que devem resistir à exposição a ambientes fortemente oxidantes e altas temperaturas por períodos de tempo razoáveis.
• 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, 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. 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. Por exemplo, 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

• Alumínio. Em geral, as ligas de alumínio são caracterizadas por uma densidade relativamente baixa (2,7 g/cm³ em comparação com 7,9 g/cm³ para o aço), altas condutividades elétrica e térmica e resistência à corrosão em alguns ambientes comuns, incluindo a atmosfera ambiente . Sua resistência à corrosão depende fortemente de determinada liga. Por exemplo, o duralumínio é devido à presença de cobre suscetível à corrosão, enquanto a liga 6061 permanece resistente à corrosão mesmo quando a superfície é desgastada. Em temperaturas mais altas e em ambientes agressivos, as ligas de alumínio apresentam baixa resistência à corrosão e também sofrem trincas por corrosão sob tensão.

Aços Inoxidáveis ​​- Ligas Ferrosas Resistentes à Corrosão

Embora estejamos discutindo principalmente ligas não ferrosas resistentes à corrosão, temos que mencionar os aços inoxidáveis. Os aços inoxidáveis ​​são definidos como aços de baixo teor de carbono com pelo menos 10,5% de cromo com ou sem outros elementos de liga e um máximo de 1,2% de carbono em massa. Os aços inoxidáveis, também conhecidos como aços inox ou inox do francês inoxydable (inoxidáveis), são ligas de aço, 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.

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. Eles possuem uma microestrutura cúbica de face centrada (FCC) que não é magnética e podem ser facilmente soldados. Esta estrutura cristalina da austenita é obtida por adições suficientes dos elementos estabilizadores da austenita níquel, manganês e nitrogênio. O aço inoxidável austenítico é a maior família de aços inoxidáveis, representando cerca de dois terços de toda a produção de aço inoxidável.

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. 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.

Rachaduras por corrosão sob tensão

Um dos problemas metalúrgicos mais sérios e que é uma grande preocupação na indústria nuclear é o cracking por corrosão sob tensão (SCC). A trinca por corrosão sob tensão resulta da ação combinada de uma tensão de tração aplicada e um ambiente corrosivo, ambas as influências são necessárias. SCC é um tipo de ataque corrosivo intergranular que ocorre nos contornos de grão sob tensão de tração. Os aços de baixa liga são menos suscetíveis do que os aços de alta liga, mas estão sujeitos a SCC em água contendo íons cloreto. As ligas à base de níquel, no entanto, não são afetadas por íons de cloreto ou hidróxido. Um exemplo de uma liga à base de níquel que é resistente à corrosão sob tensão é o Inconel.

Propriedades de Ligas Resistentes à Corrosão

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 Resistentes à Corrosão

A densidade do bronze de alumínio típico é de 7,45 g/cm³ (UNS C95400).

A densidade da superliga típica é de 8,22 g/cm³ (Inconel 718).

A densidade da liga de titânio típica é de 4,51 g/cm³ (Grau 2).

A densidade da liga de alumínio típica é de 2,7 g/cm³ (liga 6061).

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

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 de Ligas Resistentes à Corrosão

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 de Ligas Resistentes à Corrosão

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 bronze de alumínio – UNS C95400 é de cerca de 550 MPa.

A resistência à tração final da superliga – Inconel 718 depende do processo de tratamento térmico, mas é de cerca de 1200 MPa.

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 alumínio 6061 depende muito do temperamento do material, mas para o temperamento T6 é de cerca de 290 MPa.

A máxima resistência à tração do aço inoxidável – tipo 304 é de 515 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 bronze de alumínio – UNS C95400 é de cerca de 250 MPa.

O limite de escoamento da superliga – Inconel 718 depende do processo de tratamento térmico, mas é de cerca de 1030 MPa.

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

A resistência ao escoamento da liga de alumínio 6061 depende muito do temperamento do material, mas para o temperamento T6 é de cerca de 240 MPa.

O limite de escoamento do aço inoxidável – tipo 304 é de 205 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 bronze de alumínio – UNS C95400 é de cerca de 110 GPa.

O módulo de elasticidade de Young da superliga – Inconel 718 é de 200 GPa.

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 alumínio 6061 é de cerca de 69 GPa.

O módulo de elasticidade do aço inoxidável de Young – tipo 304 e 304L é de 193 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 de Ligas Resistentes à Corrosão

A dureza Brinell do bronze de alumínio – UNS C95400 é de aproximadamente 170 MPa.

A dureza Brinell da superliga – Inconel 718 depende do processo de tratamento térmico, mas é de aproximadamente 330 MPa.

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

A dureza Brinell da liga de alumínio 6061 depende muito da têmpera do material, mas para a têmpera T6 é de aproximadamente 95 MPa.

A dureza Brinell do aço inoxidável – tipo 304 é de aproximadamente 201 MPa.

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 de Ligas Resistentes à Corrosão

As propriedades térmicas dos materiais referem-se à resposta dos materiais às mudanças de thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/”>temperatura e à aplicação de calor. À medida que um sólido absorve thermodynamics/what-is-energy-physics/”>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 de Ligas Resistentes à Corrosão

O ponto de fusão do bronze de alumínio – UNS C95400 é de cerca de 1030°C.

O ponto de fusão da superliga – aço Inconel 718 é em torno de 1400°C.

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

O ponto de fusão da liga de alumínio 6061 é de cerca de 600°C.

O ponto de fusão do aço inoxidável – aço tipo 304 é de cerca de 1450°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 Resistentes à Corrosão

A condutividade térmica do bronze de alumínio – UNS C95400 é de 59 W/(mK).

A condutividade térmica da superliga – Inconel 718 é de 6,5 W/(mK).

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

A condutividade térmica da liga de alumínio 6061 é de 150 W/(mK).

A condutividade térmica do aço inoxidável – tipo 304 é de 20 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.

Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introdução à Termodinâmica dos Materiais (4ª ed.). Editora Taylor e Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Uma Introdução à Ciência dos Materiais. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

Veja acima:
Ligas