Constantan é uma liga de cobre-níquel que consiste geralmente em 55% de cobre e 45% de níquel e pequenas quantidades específicas de elementos adicionais para obter valores precisos (quase constantes) para o coeficiente de temperatura de resistividade. Ou seja, sua principal característica é a baixa variação térmica de sua resistividade, que é constante em uma ampla faixa de temperaturas. Outras ligas com coeficientes de temperatura igualmente baixos são conhecidas, como a manganina.
Esta liga tem alta resistividade elétrica (4,9 x 10−7 Ω·m), alta o suficiente para atingir valores de resistência adequados mesmo em grades muito pequenas, o menor coeficiente de resistência à temperatura e o EMF térmico mais alto (também conhecido como efeito Seebeck). contra a platina de qualquer uma das ligas de cobre-níquel. Por causa das duas primeiras dessas propriedades, ele é usado para resistores elétricos e, por causa da última propriedade, para termopares. Termopares são dispositivos elétricos que consistem em dois condutores elétricos diferentes formando uma junção elétrica. Um termopar produz uma voltagem dependente da temperatura como resultado do efeito termoelétrico, e essa voltagem pode ser interpretada para medir a temperatura.
Por exemplo, constantan é o elemento negativo do termopar tipo J com o ferro sendo o positivo. Os termopares tipo J são usados em aplicações de tratamento térmico. Além disso, Constantan é o elemento negativo do termopar tipo T com cobre o positivo. Esses termopares são usados em temperaturas criogênicas.
Em reatores nucleares, os termopares são posicionados em locais pré-selecionados para medir a temperatura de saída do refrigerante do conjunto de combustível para uso no monitoramento do compartilhamento de energia radial do núcleo e do refrigerante. Mas, neste caso, os termopares devem resistir à irradiação de nêutrons, portanto, tipo E (cromel-alumel) ou outros termopares especiais são os preferidos.
Propriedades de Constantan – 45Ni-55Cu
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 de Constantan – 45Ni-55Cu
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 de Constantan – 45Ni-55Cu
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 de constantan – 45Ni-55Cu depende muito do procedimento de tratamento térmico, mas para liga recozida é de cerca de 420 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 de constantan – 45Ni-55Cu depende muito do procedimento de tratamento térmico, mas para liga recozida 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 de constantan – 45Ni-55Cu é de cerca de 162 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 Constantan – 45Ni-55Cu
A dureza Rockwell de constantan – 45Ni-55Cu é de aproximadamente 50 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 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 Constantan – 45Ni-55Cu
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 Constantan – 45Ni-55Cu
O ponto de fusão de constantan – 45Ni-55Cu é de cerca de 1210°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 Constantan – 45Ni-55Cu
A condutividade térmica de constantan – 45Ni-55Cu é 21 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.
Coeficiente de Temperatura de Resistência de Constantan
O coeficiente de resistência de temperatura (TCR), que descreve o quanto seu valor muda conforme sua temperatura muda, de constantan – 45Ni-55Cu é de ± 30 ppm/°C. Geralmente é expresso em unidades ppm/°C (partes por milhão por grau centígrado).
Coeficiente de Expansão Térmica de Constantan
O coeficiente linear de expansão térmica de constantan de 25 a 105°C é 14,9 x 10-6 K-1.
A expansão térmica é geralmente a tendência da matéria de mudar suas dimensões em resposta a uma mudança de temperatura. Geralmente é expresso como uma mudança fracionária no comprimento ou volume por unidade de mudança de temperatura. A expansão térmica é comum para sólidos, líquidos e gases. Ao contrário dos gases ou líquidos, os materiais sólidos tendem a manter sua forma quando sofrem expansão térmica. Um coeficiente de expansão linear é geralmente empregado para descrever a expansão de um sólido, enquanto um coeficiente de expansão de volume é mais útil para um líquido ou gás.
O coeficiente de expansão térmica linear é definido como:
onde L é uma medida de comprimento particular e dL/dT é a taxa de mudança dessa dimensão linear por unidade de mudança de temperatura.
Resistividade Elétrica de Constantan
A resistividade elétrica de constantan – 45Ni-55Cu é 4,9 x 10−7 Ω·m, alta o suficiente para atingir valores de resistência adequados mesmo em grades muito pequenas.
A resistividade elétrica e seu inverso, a condutividade elétrica, é uma propriedade fundamental de um material que quantifica o quão fortemente ele resiste ou conduz o fluxo de corrente elétrica. Uma baixa resistividade indica um material que permite prontamente o fluxo de corrente elétrica. O símbolo da resistividade é geralmente a letra grega ρ (rho). A unidade SI de resistividade elétrica é o ohm-metro (Ω⋅m). Observe que resistividade elétrica não é o mesmo que resistência elétrica. A resistência elétrica é expressa em Ohms. Enquanto a resistividade é uma propriedade do material, a resistência é uma propriedade de um objeto.
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Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
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