Liga de Zircônio-Nióbio – Densidade – Resistência – Dureza – Ponto de Fusão

Sobre a Liga de Zircônio-Nióbio

Ligas de zircônio com nióbio são utilizadas como revestimentos de elementos combustíveis de reatores VVER e RBMK. Estas 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.

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 uma resistência à corrosão melhorada em comparação com materiais de revestimento de combustível anteriores. O nível de estanho otimizado fornece uma taxa de corrosão reduzida, mantendo os benefícios de resistência mecânica e resistência à corrosão acelerada de condições químicas anormais.

Resumo

Nome	Liga de Zircônio-Nióbio
Fase em STP	sólido
Densidade	6560 kg/m3
Resistência à tração	514 MPa
Força de rendimento	381 MPa
Módulo de elasticidade de Young	99 GPa
Dureza Brinell	89 BHN
Ponto de fusão	1850 °C
Condutividade térmica	18 W/mK
Capacidade de calor	285 J/gK
Preço	25 $/kg

Densidade da Liga de Zircônio-Nióbio

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 da Liga de Zircônio-Nióbio é de 6560 kg/m³.

Exemplo: Densidade

Calcule a altura de um cubo feito de liga de zircônio-nióbio, 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 = 0,534 m.

Propriedades mecânicas da Liga de Zircônio-Nióbio

Força da Liga de Zircônio-Nióbio

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 sua capacidade de suportar esta carga aplicada sem falha ou deformação plástica.

Resistência à tração

A resistência à tração final da Liga de Zircônio-Nióbio é de cerca de 514 MPa.

A resistência à tração final é o máximo na curva tensão-deformação de engenhari. 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 maior do que a 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.

Força de rendimento

A força de rendimento da Liga de Zircônio-Nióbio é de cerca de 381 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 Zircônio-Nióbio é de cerca de 99 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 da Liga de Zircônio-Nióbio

A dureza Rockwell da Liga de Zircônio-Nióbio é de aproximadamente 89 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 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.

Exemplo: Força

Suponha uma haste de plástico, que é feita de liga de zircônio-nióbio. 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 = 514 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 = 514 x 10⁶ x 0,0001 = 51400 N

Propriedades térmicas da Liga de Zircônio-Nióbio

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 da Liga de Zircônio-Nióbio

O ponto de fusão da Liga de Zircônio-Nióbio é de cerca de 1850 °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 da Liga de Zircônio-Nióbio

As ligas de zircônio têm menor condutividade térmica (cerca de 18 W/mK) do que o metal de zircônio puro (cerca de 22 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 liga de zircônio-nióbio com condutividade térmica de k₁ = 18 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 muito 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 + 0,15/18 + 1/30) = 7,06 W/m²K

O fluxo de calor pode então ser calculado simplesmente como: q = 7,06 [W/m²K] x 30 [K] = 211,77 W/m²

A perda total de calor através desta parede será: q_perda = q . A = 211,77 [W/m²] x 30 [m²] = 6352,94 W