Os bronzes são uma família de ligas à base de cobre tradicionalmente ligadas ao estanho, mas podem referir-se a ligas de cobre e outros elementos (por exemplo, alumínio, silício e níquel). Os bronzes são um pouco mais fortes do que os latões, mas ainda apresentam um alto grau de resistência à corrosão. Geralmente são usados quando, além da resistência à corrosão, são exigidas boas propriedades de tração. Por exemplo, o cobre berílio atinge a maior resistência (até 1400 MPa) de qualquer liga à base de cobre.
Historicamente, a liga de cobre com outro metal, por exemplo estanho para fazer bronze, foi praticada pela primeira vez cerca de 4000 anos após a descoberta da fundição de cobre e cerca de 2000 anos depois que o “bronze natural” entrou em uso geral. Uma civilização antiga é definida como estando na Idade do Bronze, seja produzindo bronze por fundição de seu próprio cobre e liga com estanho, arsênico ou outros metais. Bronze, ou ligas e misturas semelhantes ao bronze, foram usadas para moedas por um período mais longo. Os bronzes ainda são amplamente usados hoje em dia para molas, rolamentos, buchas, rolamentos piloto de transmissão de automóveis e acessórios semelhantes, e são particularmente comuns nos rolamentos de pequenos motores elétricos. 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.
Bronzes de Estanho
Em geral, os bronzes são uma família de ligas à base de cobre tradicionalmente ligadas ao estanho, geralmente com cerca de 12 a 12,5% de estanho. A adição de pequenas quantidades (0,01–0,45) de fósforo aumenta ainda mais a dureza, resistência à fadiga e resistência ao desgaste. A adição dessas ligas leva a aplicações como molas, fixadores, fixações de alvenaria, eixos, fusos de válvulas, engrenagens e rolamentos. O bronze também é o metal preferido para sinos na forma de uma liga de bronze com alto teor de estanho conhecida coloquialmente como metal de sino, que tem cerca de 23% de estanho. As ligas de bronze com alto teor de estanho também são normalmente encontradas em engrenagens, bem como em aplicações de buchas e rolamentos de alta resistência, onde cargas pesadas e de alta resistência estão presentes. Outras aplicações para essas ligas são impulsores de bombas, anéis de pistão e conexões de vapor. Por exemplo, liga de fundição de cobre UNS C90500 é uma liga fundida de cobre-estanho, também conhecida como metal de canhão. Originalmente usado principalmente para fabricar armas, foi amplamente substituído pelo aço.
Usos e Aplicação de Bronzes
Historicamente, a liga de cobre com outro metal, por exemplo estanho para fazer bronze, foi praticada pela primeira vez cerca de 4000 anos após a descoberta da fundição de cobre e cerca de 2000 anos depois que o “bronze natural” entrou em uso geral. Uma civilização antiga é definida como estando na Idade do Bronze, seja produzindo bronze por fundição de seu próprio cobre e liga com estanho, arsênico ou outros metais. As principais aplicações do cobre são fios elétricos (60%), telhados e encanamentos (20%) e maquinário industrial (15%).
O cobre é usado principalmente como metal puro, mas quando maior dureza é necessária, ele é colocado em ligas como latão e bronze (5% do uso total). Cobre e ligas à base de cobre, incluindo latão (Cu-Zn) e bronze (Cu-Sn) são amplamente utilizados em diferentes aplicações industriais e sociais. Alguns dos usos comuns para ligas de latão incluem bijuterias, fechaduras, dobradiças, engrenagens, rolamentos, caixas de munição, radiadores automotivos, instrumentos musicais, embalagens eletrônicas e moedas. Bronze, ou ligas e misturas semelhantes ao bronze, foram usadas para moedas por um período mais longo. ainda hoje é amplamente utilizado para molas, rolamentos, buchas, rolamentos piloto de transmissão de automóveis e acessórios semelhantes, e é particularmente comum nos rolamentos de pequenos motores elétricos.
Propriedades do Bronze Estanho
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.
Propriedades Mecânicas do Bronze Estanho
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.
Força do Bronze de Estanho
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 bronze de estanho – UNS C90500 – metal de canhão é de cerca de 310 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 bronze de estanho – UNS C90500 – metal de canhão é de cerca de 150 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 bronze de estanho – UNS C90500 – gun metal é de cerca de 103 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 bronze estanho
A dureza Brinell do bronze de estanho – UNS C90500 – metal de canhão é de aproximadamente 75 BHN.
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 Bronze Estanho
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 Bronze Estanho
O ponto de fusão do estanho-bronze – UNS C90500 – gun metal é de cerca de 1000°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 do Bronze Estanho
A condutividade térmica do bronze de estanho – UNS C90500 – metal de canhão é de 75 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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