Ligas de Magnésio x Aços Inoxidáveis – 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.

Aços inoxidáveis

Na metalurgia, o aço inoxidável é uma liga de aço com pelo menos 10,5% de cromo com ou sem outros elementos de liga e no máximo 1,2% de carbono em massa. Os aços inoxidáveis, também conhecidos como aços inox ou inox do francês inoxydable (inoxidáveis), são ligas de aço, que são 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. 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. O cromo pode ser usado como um elemento de endurecimento e é freqüentemente usado com um elemento de endurecimento, como o níquel, para produzir propriedades mecânicas superiores.

Usos dos Aços Inoxidáveis ​​– Aplicações

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. O corpo do vaso do reator é construído em aço carbono de baixa liga de alta qualidade, mas todas as superfícies que entram em contato com o refrigerante do reator (altamente corrosivo devido à presença de ácido bórico) são revestidas com um mínimo de cerca de 3 a 10 mm de aço inoxidável austenítico para minimizar a corrosão.

O aço inoxidável pode ser laminado em chapas, chapas, barras, arames e tubos. Os aços inoxidáveis ​​não precisam ser pintados ou revestidos, o que os torna adequados para uso em aplicações onde a limpeza é necessária: em panelas, talheres e instrumentos cirúrgicos.

Tipos de Aços Inoxidáveis

Aço inoxidável é um termo genérico para uma grande família de ligas resistentes à corrosão contendo pelo menos 10,5% de cromo e pode conter outros elementos de liga. Existem vários graus de aço inoxidável com teores variados de cromo e molibdênio e com estrutura cristalográfica variável para se adequar ao ambiente que a liga deve suportar. Os aços inoxidáveis ​​podem ser divididos em cinco categorias:

• Aços inoxidáveis ​​ferríticos. Nos aços inoxidáveis ​​ferríticos, o carbono é mantido em níveis baixos (C<0,08%) e o teor de cromo pode variar de 10,50 a 30,00%. Eles são geralmente limitados em uso a seções relativamente finas devido à falta de tenacidade nas soldas. Além disso, eles têm resistência a altas temperaturas relativamente fraca. Os aços ferríticos são escolhidos por sua resistência à corrosão sob tensão, o que os torna uma alternativa atraente aos aços inoxidáveis ​​austeníticos em aplicações onde a SCC induzida por cloreto é prevalente.
• Aços inoxidáveis ​​austeníticos. Os aços inoxidáveis ​​austeníticos contêm entre 16 e 25% de Cr e também podem conter nitrogênio em solução, ambos os quais contribuem para sua resistência à corrosão relativamente alta. 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. O grau mais conhecido é o aço inoxidável AISI 304, que contém cromo (entre 15% e 20%) e níquel (entre 2% e 10,5%) metais como principais constituintes não ferrosos. O aço inoxidável 304 possui excelente resistência a uma ampla gama de ambientes atmosféricos e a muitos meios corrosivos. Essas ligas são geralmente caracterizadas como dúcteis, soldáveis ​​e endurecíveis por conformação a frio.
• Aços inoxidáveis ​​martensíticos. Os aços inoxidáveis ​​martensíticos são semelhantes aos aços ferríticos por serem baseados em cromo, mas têm níveis de carbono mais altos de até 1%. Às vezes, eles são classificados como aços inoxidáveis ​​martensíticos de baixo carbono e alto carbono. Eles têm resistência à corrosão moderada, mas são considerados duros, fortes e ligeiramente quebradiços. Eles são magnéticos e podem ser testados de forma não destrutiva usando o método de inspeção por partículas magnéticas, ao contrário do aço inoxidável austenítico. Um aço inoxidável martensítico comum é o AISI 440C, que contém 16 a 18% de cromo e 0,95 a 1,2% de carbono. O aço inoxidável grau 440C é usado nas seguintes aplicações: blocos padrão, talheres, rolamentos e pistas de esferas, moldes e matrizes, facas.
• Aços Inoxidáveis ​​Duplex. Os aços inoxidáveis ​​duplex, como o próprio nome indica, são uma combinação de dois dos principais tipos de ligas. Possuem uma microestrutura mista de austenita e ferrita, sendo o objetivo geralmente produzir uma mistura 50/50, embora em ligas comerciais a proporção possa ser 40/60. Sua resistência à corrosão é semelhante às suas contrapartes austeníticas, mas sua resistência à corrosão sob tensão (especialmente à corrosão sob tensão por cloreto), resistência à tração e resistência ao escoamento (aproximadamente o dobro da resistência ao escoamento dos aços inoxidáveis ​​austeníticos) são geralmente superiores aos dos aços inoxidáveis ​​austeníticos notas. Superduplex os aços têm força e resistência aprimoradas a todas as formas de corrosão em comparação com os aços austeníticos padrão. Os usos comuns são em aplicações marítimas, plantas petroquímicas, plantas de dessalinização, trocadores de calor e indústria de fabricação de papel. Hoje, a indústria de petróleo e gás é a maior usuária e tem pressionado por graus mais resistentes à corrosão, levando ao desenvolvimento de aços superduplex.
• Aços Inoxidáveis ​​PH. Os aços inoxidáveis ​​PH (endurecimento por precipitação) contêm cerca de 17% de cromo e 4% de níquel. Esses aços podem desenvolver resistência muito alta por meio de adições de alumínio, titânio, nióbio, vanádio e/ou nitrogênio, que formam precipitados intermetálicos coerentes durante um processo de tratamento térmico conhecido como envelhecimento térmico. De todos os tipos de inoxidáveis ​​disponíveis, eles geralmente oferecem a maior combinação de alta resistência aliada a excelente tenacidade e resistência à corrosão. Eles são tão resistentes à corrosão quanto os graus austeníticos. Os usos comuns são na indústria aeroespacial e em algumas outras indústrias de alta tecnologia.

Propriedades de ligas de magnésio versus aços inoxidáveis

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 de Magnésio vs Aços Inoxidáveis

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

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 de magnésio versus aços inoxidáveis

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 vs Aços Inoxidáveis

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 máxima resistência à tração do aço inoxidável – tipo 304L é de 485 MPa.

A máxima resistência à tração do  aço inoxidável ferrítico – Grau 430 é de 480 MPa.

A resistência máxima à tração do  aço inoxidável martensítico – Grau 440C é de 760 MPa.

A resistência à tração final é o máximo na curva de tensão-deformação de engenharia. Isso corresponde à tensão máximaque 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 limite de escoamento do aço inoxidável – tipo 304L é de 170 MPa.

O limite de escoamento do  aço inoxidável ferrítico – Grau 430 é de 310 MPa.

O limite de escoamento do aço inoxidável martensítico – Grau 440C é de 450 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 do  aço inoxidável ferrítico  – Grau 430 é de 220 GPa.

O módulo de elasticidade de Young do aço inoxidável martensítico – Grau 440C é de 200 GPa.

O módulo de elasticidade de Young dos aços inoxidáveis ​​duplex – SAF 2205 é de 200 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 de Magnésio vs Aços Inoxidáveis

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

A dureza Brinell do  aço inoxidável ferrítico  – Grau 430 é de aproximadamente 180 MPa.

A dureza Brinell do  aço inoxidável martensítico  – Grau 440C é de aproximadamente 270 MPa.

A dureza Brinell dos aços inoxidáveis ​​duplex – SAF 2205 é de aproximadamente 217 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 de Magnésio vs Aços Inoxidáveis

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 de Ligas de Magnésio vs Aços Inoxidáveis

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

O ponto de fusão do aço inoxidável – aço tipo 304 é de cerca de 1450°C.

O ponto de fusão do  aço inoxidável ferrítico  – aço grau 430 é de cerca de 1450°C.

O ponto de fusão do  aço inoxidável martensítico  – aço grau 440C 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 de Magnésio vs Aços Inoxidáveis

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

A condutividade térmica do aço inoxidável – tipo 304 é de 20 W/(mK).

A condutividade térmica do aço inoxidável ferrítico – Grau 430 é de 26 W/(mK).

A condutividade térmica do  aço inoxidável martensítico – Grau 440C é de 24 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.

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Veja acima:
Ligas