Sobre o Duralumínio
As ligas de alumínio da série 2000 são ligadas com cobre, podem ser endurecidas por precipitação a resistências comparáveis ao aço. Anteriormente referido como duralumínio, eles já foram as ligas aeroespaciais mais comuns, mas eram suscetíveis a rachaduras por corrosão sob tensão e são cada vez mais substituídas pela série 7000 em novos projetos. Além do alumínio, os principais materiais do duralumínio são cobre, manganês e magnésio.
Duralumin (também chamado de duralumínio, duralumínio, duralum, dural(l)ium ou dural) é uma liga leve e forte de alumínio descoberta em 1910 por Alfred Wilm, um metalúrgico alemão. Ele descobriu que, após a têmpera, uma liga de alumínio contendo 4% de cobre endurecia lentamente quando deixada à temperatura ambiente por vários dias. Este processo é agora conhecido como envelhecimento natural. Ele também projetou uma liga (Duralumin) adequada para o fortalecimento por esse processo no que hoje é conhecido como endurecimento por precipitação. Embora uma explicação para o fenômeno não tenha sido fornecida até 1919, o duralumínio foi uma das primeiras ligas de “envelhecimento” usadas.
Resumo
| Nome | Duralumínio |
| Fase em STP | sólido |
| Densidade | 2780 kg/m3 |
| Resistência à tração | 450 MPa |
| Força de rendimento | 300 MPa |
| Módulo de elasticidade de Young | 76 GPa |
| Dureza Brinell | 120 BHN |
| Ponto de fusão | 570 °C |
| Condutividade térmica | 140 W/mK |
| Capacidade de calor | 900 J/gK |
| Preço | 6 $/kg |
Em termos de endurecimento por idade, as ligas de alumínio-cobre recozidas em solução podem ser envelhecidas naturalmente à temperatura ambiente por quatro dias ou mais para obter propriedades máximas, como dureza e resistência. Este processo é conhecido como envelhecimento natural. À temperatura ambiente, a solubilidade do cobre no alumínio cai para uma pequena fração de 1%. Neste ponto, o soluto de cobre está bloqueado dentro da rede de alumínio (matriz), mas deve “precipitar” para fora da rede de alumínio supersaturada. O processo de envelhecimento também pode ser acelerado em questão de horas após o tratamento de solução e têmpera aquecendo a liga supersaturada a uma temperatura específica e mantendo essa temperatura por um tempo especificado. Esse processo é chamado de envelhecimento artificial.
O duralumínio é relativamente macio, dúctil e facilmente trabalhável sob temperatura normal. A liga pode ser laminada, forjada e extrudada em várias formas e produtos. A leveza e a alta resistência do duralumínio em relação ao aço possibilitaram sua aplicação na construção de aeronaves. Embora a adição de cobre melhore a resistência, também torna essas ligas suscetíveis à corrosão. A condutividade elétrica e térmica do duralumínio é menor que a do alumínio puro e maior que a do aço.
Densidade do Duralumínio
As densidades típicas de várias substâncias estão à pressão atmosférica. A densidade é definida como a massa por unidade de volume. É uma propriedade intensiva, que é matematicamente definida como massa dividida pelo 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 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 Duralumínio é de 2780 kg/m3.
Exemplo: Densidade
Calcule a altura de um cubo feito de Duralumínio, 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 = 0,711 m.
Densidade de Materiais
Propriedades Mecânicas do Duralumínio
Força do Duralumínio
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 a sua capacidade de suportar esta carga aplicada sem falha ou deformação plástica.
Resistência à tração final – Duralumin
A resistência à tração final da liga de alumínio 2024 depende muito do temperamento do material, mas é de cerca de 450 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.
Exemplo: Força
Suponha uma haste de plástico, que é feita de duralumínio. 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 = 450 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 = 450 x 106 x 0,0001 = 45000 N
Força de rendimento
O limite de escoamento da liga de alumínio 2024 depende muito do temperamento do material, mas é de cerca de 300 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 da liga de alumínio 2024 é de cerca de 76 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 será capaz de 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 das Ligas de Alumínio – Duralumínio
A dureza Brinell da liga de alumínio 2024 depende muito do temperamento do material, mas é de aproximadamente 110 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 menor. 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 diamantado 120°) e uma carga principal de 150kg.
Propriedades Térmicas das Ligas de Alumínio – Duralumínio
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 de Ligas de Alumínio
O ponto de fusão da liga de alumínio 2024 é de cerca de 570 °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 de Ligas de Alumínio
A condutividade térmica da liga de alumínio 2024 é 140 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 Duralumínio com condutividade térmica de k 1 = 140 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 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 + 0,15/140 + 1/30) = 7,44 W/m2K
O fluxo de calor pode então ser calculado simplesmente como: q = 7,44 [W/m2K] x 30 [K] = 223,21 W/m2
A perda total de calor através desta parede será: qperda = q . A = 223,21 [W/m2] x 30 [m2] = 6696,19 W
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