Liga de Magnésio x Liga de Titânio – Comparação – Prós e Contras

Ligas de Magnésio

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.

Ligas de Titânio

O titânio puro é mais forte que os aços comuns de baixo teor de carbono, mas 45% mais leve. Também é duas vezes mais forte que as ligas de alumínio fracas, mas apenas 60% mais pesadas. As duas propriedades mais úteis do metal são a resistência à corrosão e a relação resistência-densidade, o mais alto de qualquer elemento metálico. A resistência à corrosão das ligas de titânio em temperaturas normais é excepcionalmente alta. A resistência à corrosão do titânio é baseada na formação de uma camada de óxido protetora estável. Embora o titânio “comercialmente puro” tenha propriedades mecânicas aceitáveis ​​e tenha sido usado para implantes ortopédicos e dentários, para a maioria das aplicações o titânio é ligado com pequenas quantidades de alumínio e vanádio, normalmente 6% e 4%, respectivamente, em peso. Esta mistura tem uma solubilidade sólida que varia drasticamente com a temperatura, permitindo que ela sofra um reforço de precipitação.

As ligas de titânio são metais que contêm uma mistura de titânio e outros elementos químicos. Essas ligas têm resistência à tração e tenacidade muito altas (mesmo em temperaturas extremas). Eles são leves, têm extraordinária resistência à corrosão e a capacidade de suportar temperaturas extremas.

Grau 2

O titânio comercialmente puro grau 2 é muito semelhante ao grau 1, mas tem maior resistência do que o grau 1 e excelentes propriedades de conformação a frio. Ele fornece excelentes propriedades de soldagem e tem excelente resistência à oxidação e corrosão. Este grau de titânio é o grau mais comum da indústria de titânio comercialmente puro. É a escolha principal para muitos campos de aplicações:

• aeroespacial
• Automotivo
• Processamento químico e fabricação de clorato
• Dessalinização
• Geração de energia

Grau 5 – Ti-6Al-4V

Grau 5 é a liga mais comumente usada e é uma liga alfa + beta. A liga de grau 5 é responsável por 50% do uso total de titânio em todo o mundo. Tem uma composição química de 6% de alumínio, 4% de vanádio, 0,25% (máximo) de ferro, 0,2% (máximo) de oxigênio e o restante de titânio. Geralmente, o Ti-6Al-4V é usado em aplicações de até 400 graus Celsius. Tem uma densidade de aproximadamente 4420 kg/m³. É significativamente mais forte que o titânio comercialmente puro (graus 1-4) devido à possibilidade de ser tratado termicamente. Esta classe é uma excelente combinação de força, resistência à corrosão, solda e capacidade de fabricação. É a escolha principal para muitos campos de aplicações:

• turbinas de aeronaves
• Componentes do motor
• Componentes estruturais de aeronaves
• Fechos aeroespaciais
• Peças automáticas de alto desempenho
• Aplicações marítimas

Aplicação de Ligas de Titânio – Usos

As duas propriedades mais úteis do metal são a resistência à corrosão e a relação resistência-densidade, a mais alta de qualquer elemento metálico. A resistência à corrosão das ligas de titânio em temperaturas normais é excepcionalmente alta. Essas propriedades determinam a aplicação do titânio e suas ligas. A primeira aplicação de produção de titânio foi em 1952, para as naceles e firewalls do Douglas DC-7. Alta resistência específica, boa resistência à fadiga e vida útil à fluência e boa tenacidade à fratura são características que tornam o titânio um metal preferido para aplicações aeroespaciais. Aplicações aeroespaciais, incluindo o uso em componentes estruturais (célula) e motores a jato, ainda representam a maior parte do uso da liga de titânio. No aeronave supersônica SR-71, o titânio foi usado em 85% da estrutura. Devido à inércia muito alta, o titânio tem muitas aplicações biomédicas, que se baseiam em sua inércia no corpo humano, ou seja, resistência à corrosão por fluidos corporais.

Propriedades da Liga de Magnésio vs Liga de Titânio

As propriedades dos materiais são propriedades intensivas, ou seja, independem da quantidade de massa e podem variar de um lugar para outro dentro do sistema a qualquer momento. A base da ciência dos materiais envolve estudar a estrutura dos materiais e relacioná-los com suas propriedades (mecânicas, elétricas, etc.). Uma vez que um cientista de materiais conheça essa correlação estrutura-propriedade, ele poderá estudar o desempenho relativo de um material em uma determinada aplicação. Os principais determinantes da estrutura de um material e, portanto, de suas propriedades são seus elementos químicos constituintes e a maneira como ele foi processado em sua forma final.

Densidade da Liga de Magnésio vs Liga de Titânio

A densidade da liga de magnésio típica é de 1,8 g/cm³ (Elektron 21).

A densidade da liga de titânio típica é de 4,43 g/cm³ (Ti-6Al-4V).

A densidade é definida como a massa por unidade de volume. É uma propriedade intensiva, que é matematicamente definida como massa dividida por volume:

ρ = m/V

Em palavras, a densidade (ρ) de uma substância é a massa total (m) dessa substância dividida pelo volume total (V) ocupado por essa substância. A unidade SI padrão é quilogramas por metro cúbico (kg/m³). A unidade padrão inglesa é libras-massa por pé cúbico (lbm/ft³).

Como a densidade (ρ) de uma substância é a massa total (m) dessa substância dividida pelo volume total (V) ocupado por essa substância, é óbvio que a densidade de uma substância depende fortemente de sua massa atômica e também de a densidade do número atômico (N; átomos/cm³),

• Peso Atômico. A massa atômica é transportada pelo núcleo atômico, que ocupa apenas cerca de 10^-12 do volume total do átomo ou menos, mas contém toda a carga positiva e pelo menos 99,95% da massa total do átomo. Portanto, é determinado pelo número de massa (número de prótons e nêutrons).
• Densidade de Número Atômico. A densidade de número atômico (N; átomos/cm³), que está associada aos raios atômicos, é o número de átomos de um determinado tipo por unidade de volume (V; cm³) do material. A densidade do número atômico (N; átomos/cm³) de um material puro com peso atômico ou molecular (M; gramas/mol) e a densidade do material (⍴; grama/cm³) é facilmente calculada a partir da seguinte equação usando o número de Avogadro (N_A = 6,022 ×10²³ átomos ou moléculas por mol):
• Estrutura de cristal. A densidade da substância cristalina é significativamente afetada por sua estrutura cristalina. A estrutura FCC, junto com seu parente hexagonal (hcp), tem o fator de empacotamento mais eficiente (74%). Metais contendo estruturas FCC incluem austenita, alumínio, cobre, chumbo, prata, ouro, níquel, platina e tório.

Propriedades Mecânicas da Liga de Magnésio vs Liga de Titânio

Os materiais são freqüentemente escolhidos para várias aplicações porque possuem combinações desejáveis ​​de características mecânicas. Para aplicações estruturais, as propriedades do material são cruciais e os engenheiros devem levá-las em consideração.

Resistência da Liga de Magnésio vs Liga de Titânio

Na mecânica dos materiais, a resistência de um material é sua capacidade de suportar uma carga aplicada sem falha ou deformação plástica. A resistência dos materiais considera basicamente a relação entre as cargas externas aplicadas a um material e a deformação resultante ou mudança nas dimensões do material. A resistência de um material é sua capacidade de suportar essa carga aplicada sem falha ou deformação plástica.

Resistência à tração

A resistência à tração final do Elektron 21 – UNS M12310 é de cerca de 280 MPa.

A resistência à tração final da liga de titânio Ti-6Al-4V – Grau 5 é de cerca de 1170 MPa.

A resistência à tração final é o máximo na curva de tensão-deformação de engenharia. Isso corresponde à tensão máxima que pode ser sustentado por uma estrutura em tensão. A resistência à tração final é muitas vezes abreviada para “resistência à tração” ou mesmo para “o máximo”. Se essa tensão for aplicada e mantida, ocorrerá fratura. Freqüentemente, esse valor é significativamente maior do que o limite de escoamento (até 50 a 60 por cento a mais do que o rendimento de alguns tipos de metais). Quando um material dúctil atinge sua resistência máxima, ele sofre estricção onde a área da seção transversal é reduzida localmente. A curva tensão-deformação não contém tensão maior do que a resistência máxima. Mesmo que as deformações possam continuar a aumentar, a tensão geralmente diminui após o limite de resistência ter sido alcançado. É uma propriedade intensiva; portanto, seu valor não depende do tamanho do corpo de prova. Porém, depende de outros fatores, como o preparo do corpo de prova, temperatura do ambiente de teste e do material. A resistência máxima à tração varia de 50 MPa para um alumínio até 3000 MPa para aços de alta resistência.

Força de Rendimento

A resistência ao escoamento do Elektron 21 – UNS M12310 é de cerca de 145 MPa.

A resistência ao escoamento da liga de titânio Ti-6Al-4V – Grau 5 é de cerca de 1100 MPa.

O ponto de escoamento é o ponto em uma curva tensão-deformação que indica o limite do comportamento elástico e o início do comportamento plástico. Força de rendimento ou tensão de escoamento é a propriedade do material definida como a tensão na qual um material começa a se deformar plasticamente, enquanto o ponto de escoamento é o ponto onde começa a deformação não linear (elástica + plástica). Antes do ponto de escoamento, o material se deformará elasticamente e retornará à sua forma original quando a tensão aplicada for removida. Uma vez ultrapassado o ponto de escoamento, alguma fração da deformação será permanente e irreversível. Alguns aços e outros materiais exibem um comportamento denominado fenômeno do ponto de escoamento. As resistências ao escoamento variam de 35 MPa para um alumínio de baixa resistência a mais de 1400 MPa para aços de resistência muito alta.

Módulo de elasticidade de Young

O módulo de elasticidade de Young do Elektron 21 – UNS M12310 é de cerca de 45 GPa.

O módulo de elasticidade de Young da liga de titânio Ti-6Al-4V – Grau 5 é de cerca de 114 GPa.

O módulo de elasticidade de Young é o módulo de elasticidade para tensão de tração e compressão no regime de elasticidade linear de uma deformação uniaxial e geralmente é avaliado por ensaios de tração. Até uma tensão limite, um corpo poderá recuperar suas dimensões com a retirada da carga. As tensões aplicadas fazem com que os átomos em um cristal se movam de sua posição de equilíbrio. Todos os átomos são deslocados na mesma quantidade e ainda mantêm sua geometria relativa. Quando as tensões são removidas, todos os átomos retornam às suas posições originais e nenhuma deformação permanente ocorre. De acordo com a lei de Hooke, a tensão é proporcional à deformação (na região elástica), e a inclinação é o módulo de Young. O módulo de Young é igual à tensão longitudinal dividida pela deformação.

Dureza da Liga de Magnésio vs Liga de Titânio

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

A dureza Rockwell da liga de titânio Ti-6Al-4V – Grau 5 é de aproximadamente 41 HRC.

O teste de dureza Rockwell é um dos testes de dureza de indentação mais comuns, que foi desenvolvido para testes de dureza. Em contraste com o teste Brinell, o testador Rockwell mede a profundidade de penetração de um penetrador sob uma grande carga (carga principal) em comparação com a penetração feita por uma pré-carga (carga menor). A carga menor estabelece a posição zero. A carga principal é aplicada e, em seguida, removida, mantendo a carga secundária. A diferença entre a profundidade de penetração antes e depois da aplicação da carga principal é usada para calcular o número de dureza Rockwell. Ou seja, a profundidade de penetração e a dureza são inversamente proporcionais. A principal vantagem da dureza Rockwell é sua capacidade de exibir valores de dureza diretamente. O resultado é um número adimensional anotado como HRA, HRB, HRC, etc., onde a última letra é a respectiva escala Rockwell.

O teste Rockwell C é realizado com um penetrador Brale (cone de diamante de 120°) e uma carga maior de 150kg.

Propriedades Térmicas da Liga de Magnésio vs Liga de Titânio

As propriedades térmicas dos materiais referem-se à resposta dos materiais às mudanças de temperatura e à aplicação de calor. À medida que um sólido absorve energia na forma de calor, sua temperatura aumenta e suas dimensões aumentam. Mas diferentes materiais reagem à aplicação de calor de forma diferente.

A capacidade térmica, a expansão térmica e a condutividade térmica são propriedades frequentemente críticas no uso prático de sólidos.

Ponto de Fusão da Liga de Magnésio vs Liga de Titânio

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

O ponto de fusão da liga de titânio Ti-6Al-4V – Grau 5 é de cerca de 1660°C.

Em geral, a fusão é uma mudança de fase de uma substância da fase sólida para a fase líquida. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ocorre essa mudança de fase. O ponto de fusão também define uma condição na qual o sólido e o líquido podem existir em equilíbrio.

Condutividade Térmica da Liga de Magnésio vs Liga de Titânio

A condutividade térmica do Elektron 21 – UNS M12310 é de 116 W/(mK).

A condutividade térmica da liga de titânio Ti-6Al-4V – Grau 5 é de 6,7 W/(mK).

As características de transferência de calor de um material sólido são medidas por uma propriedade chamada condutividade térmica, k (ou λ), medida em W/mK. É uma medida da capacidade de uma substância de transferir calor através de um material por condução. Observe que a lei de Fourier se aplica a toda matéria, independentemente de seu estado (sólido, líquido ou gasoso), portanto, também é definida para líquidos e gases.

A condutividade térmica da maioria dos líquidos e sólidos varia com a temperatura. Para vapores, também depende da pressão. Em geral:

A maioria dos materiais são quase homogêneos, portanto podemos geralmente escrever k = k (T). Definições semelhantes estão associadas às condutividades térmicas nas direções y e z (ky, kz), mas para um material isotrópico a condutividade térmica é independente da direção de transferência, kx = ky = kz = k.

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