Latão vs Liga de Alumínio – Comparação – Prós e Contras

Latão

Latão é o termo genérico para uma variedade de ligas de cobre-zinco. O latão pode ser ligado ao zinco em diferentes proporções, o que resulta em um material com propriedades mecânicas, de corrosão e térmicas variadas. Maiores quantidades de zinco fornecem ao material maior resistência e ductilidade. Os latões com teor de cobre superior a 63% são os mais dúcteis de qualquer liga de cobre e são moldados por complexas operações de conformação a frio. O latão tem maior maleabilidade do que o bronze ou o zinco. O ponto de fusão relativamente baixo do latão e sua fluidez o tornam um material relativamente fácil de fundir. O latão pode variar na cor da superfície de vermelho a amarelo, de ouro a prata, dependendo do teor de zinco. Alguns dos usos comuns para ligas de latão incluem bijuterias, fechaduras, dobradiças, engrenagens, rolamentos, acoplamentos de mangueiras, cartuchos de munição, radiadores automotivos, instrumentos musicais, embalagens eletrônicas e moedas. 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.

Por exemplo, a liga de latão de cartucho UNS C26000 (70/30) é da série de latão amarelo, que possui a maior ductilidade. Os latões de cartucho são formados principalmente a frio e também podem ser facilmente usinados, o que é necessário na fabricação de caixas de cartucho. Ele pode ser usado para núcleos e tanques de radiadores, conchas de lanternas, luminárias, fixadores, fechaduras, dobradiças, componentes de munição ou acessórios de encanamento.

Ligas de Alumínio

O alumínio de alta pureza é um material macio com resistência máxima de aproximadamente 10 MPa, o que limita sua usabilidade em aplicações industriais. O alumínio de pureza comercial (99-99,6%) torna-se mais duro e resistente devido à presença de impurezas, principalmente de Si e Fe. Mas quando ligadas, as ligas de alumínio são tratáveis ​​termicamente, o que altera significativamente suas propriedades mecânicas.

As ligas de alumínio são baseadas no alumínio, em que os principais elementos de liga são Cu, Mn, Si, Mg, Mg+Si, Zn. As composições de liga de alumínio são registradas na The Aluminium Association. As ligas de alumínio são divididas em 9 famílias (Al1xxx a Al9xxx). As diferentes famílias de ligas e os principais elementos de liga são:

• 1xxx: sem elementos de liga
• 2xxx: Cobre
• 3xxx: Manganês
• 4xxx: Silício
• 5xxx: Magnésio
• 6xxx: Magnésio e silício
• 7xxx: zinco, magnésio e cobre
• 8xxx: outros elementos que não são abrangidos por outras séries

Existem também duas classificações principais, ou seja, ligas de fundição e ligas forjadas, ambas subdivididas nas categorias tratáveis ​​termicamente e não tratáveis ​​termicamente. As ligas de alumínio contendo elementos de liga com solubilidade sólida limitada à temperatura ambiente e com uma forte dependência da temperatura da solubilidade sólida (por exemplo, Cu) podem ser reforçadas por um tratamento térmico adequado (endurecimento por precipitação). A resistência das ligas de Al comerciais tratadas termicamente excede 550 MPa.

As propriedades mecânicas das ligas de alumínio dependem muito de sua composição de fase e microestrutura. A alta resistência pode ser alcançada, entre outras coisas, pela introdução de uma fração de alto volume de partículas finas de segunda fase distribuídas homogeneamente  e por um refinamento do tamanho do grão. 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 aço), altas condutividades elétrica e térmica e resistência à corrosão em alguns ambientes comuns, incluindo a atmosfera ambiente. A principal limitação do alumínio é sua baixa temperatura de fusão (660°C), que restringe a temperatura máxima em que pode ser utilizado. Para a produção geral, as ligas das séries 5000 e 6000 fornecem resistência adequada combinada com boa resistência à corrosão, alta tenacidade e facilidade de soldagem.

O alumínio e suas ligas são amplamente utilizados em aplicações aeroespaciais, automotivas, arquitetônicas, litográficas, de embalagens, elétricas e eletrônicas. É o principal material de construção da indústria aeronáutica durante a maior parte de sua história. Cerca de 70% das fuselagens de aeronaves civis comerciais são feitas de ligas de alumínio, e sem alumínio a aviação civil não seria economicamente viável. A indústria automotiva agora inclui alumínio como peças fundidas de motores, rodas, radiadores e cada vez mais como peças de carroceria. O alumínio 6111 e a liga de alumínio 2008 são amplamente utilizados para painéis externos de carrocerias automotivas. Blocos de cilindros e cárteres geralmente são fundidos em ligas de alumínio.

Propriedades do latão versus liga de alumínio

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 latão vs liga de alumínio

A densidade do latão típico – UNS C26000 é de 8,53 g/cm³.

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

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 ×10 ²³ 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 Latão vs Liga de Alumínio

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 latão leve vs liga de alumínio

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

A resistência à tração  máxima do latão de cartucho – UNS C26000 é de cerca de 315 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 da liga de alumínio 6061 depende muito do temperamento do material, mas para o temperamento T6 é de cerca de 240 MPa.

A resistência ao  escoamento do latão de cartucho – UNS C26000 é de cerca de 95 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 da liga de alumínio 6061 é de cerca de 69 GPa.

O módulo de elasticidade de Young do latão de cartucho – UNS C26000 é de cerca de 110 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 Latão vs Liga de Alumínio

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 latão de cartucho – UNS C26000 é de aproximadamente 100 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 do Latão vs Liga de Alumínio

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 Latão x Liga de Alumínio

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

O ponto de fusão do latão de cartucho – UNS C26000 é de cerca de 950°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 Latão vs Liga de Alumínio

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

A condutividade térmica do latão de cartucho – UNS C26000 é de 120 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