O titânio é um metal de transição brilhante com uma cor prateada, baixa densidade e alta resistência. O titânio é resistente à corrosão na água do mar, água régia e cloro. Em usinas de energia, o titânio pode ser usado em condensadores de superfície. O metal é extraído de seus principais minérios pelos processos Kroll e Hunter. O processo de Kroll envolvia a redução do tetracloreto de titânio (TiCl4), primeiro com sódio e cálcio e depois com magnésio, sob uma atmosfera de gás inerte. 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 sãoresistência à corrosão e relação força-densidade, a mais alta 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, tipicamente 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.
Tipos de Ligas de Titânio
O titânio existe em duas formas cristalográficas. À temperatura ambiente, o titânio não ligado (comercialmente puro) tem uma estrutura cristalina hexagonal compactada (hcp) referida como fase alfa (α). Quando a temperatura do titânio puro atinge 885°C (chamada de temperatura β transus do titânio), a estrutura do cristal muda para uma estrutura CCC conhecida como fase beta (β). Os elementos de liga aumentam ou diminuem a temperatura para a transformação α-para-β, de modo que os elementos de liga no titânio são classificados como estabilizadores α ou estabilizadores β. Por exemplo, vanádio, nióbio e molibdênio diminuem a temperatura de transformação α-para-β e promovem a formação da fase β.
- Ligas Alfa. As ligas alfa contêm elementos como alumínio e estanho e são preferidas para aplicações de alta temperatura por causa de suas características de fluência superiores. Esses elementos estabilizadores α funcionam inibindo a mudança na temperatura de transformação de fase ou fazendo com que ela aumente. A ausência de uma transição dúctil para frágil, uma característica das ligas β, torna as ligas α adequadas para aplicações criogênicas. Por outro lado, não podem ser reforçadas por tratamento térmico porque alfa é a fase estável e, portanto, não são tão resistentes quanto as ligas beta.
- Ligas Beta. As ligas beta contêm elementos de transição, como vanádio, nióbio e molibdênio, que tendem a diminuir a temperatura da transição de fase α para β. As ligas beta têm excelente temperabilidade e respondem prontamente ao tratamento térmico. Esses materiais são altamente forjáveis e exibem alta tenacidade à fratura. Por exemplo, a resistência à tração final da liga de titânio de alta resistência – TI-10V-2Fe-3Al é de cerca de 1200 MPa.
- Liga Alfa + Beta. As ligas alfa + beta possuem composições que suportam uma mistura de fases α e β e podem conter entre 10 e 50% de fase β em temperatura ambiente. A liga α + β mais comum é Ti-6Al-4V. A resistência dessas ligas pode ser melhorada e controlada por tratamento térmico. Os exemplos incluem: Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V-ELI, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-6Al-7Nb.
Liga de Titânio 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/m 3 . 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.
Resumo
| Nome | Ti-6Al-4V |
| Fase em STP | N/D |
| Densidade | 4500 kg/m3 |
| Resistência à tração | 1170 MPa |
| Força de Rendimento | 1100 MPa |
| Módulo de elasticidade de Young | 114 GPa |
| Dureza Brinell | 375 BHN |
| Ponto de fusão | 1660°C |
| Condutividade térmica | 6,7 W/mK |
| Capacidade de calor | 560 J/gK |
| Preço | 50 $/kg |
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
89%
6%
4%
Grau 23 – Ti-6Al-4V-ELI
Ti-6Al-4V-ELI ou TAV-ELI é a versão de maior pureza do Ti-6Al-4V. ELI significa Extra Low Intersticial. A diferença essencial entre Ti6Al4V ELI (grau 23) e Ti6Al4V (grau 5) é a redução do teor de oxigênio para 0,13% (máximo) no grau 23. Os elementos intersticiais reduzidos oxigênio e ferro melhoram a ductilidade e a resistência à fratura com alguma redução na resistência. É a melhor escolha para qualquer tipo de situação em que seja necessária uma combinação de alta resistência, peso leve, boa resistência à corrosão e alta tenacidade. Este grau de titânio, grau médico de titânio, é usado em aplicações biomédicas, como componentes implantáveis, devido à sua biocompatibilidade, boa resistência à fadiga e baixo módulo.
Propriedades da Liga de Titânio Grau 5 – Ti-6Al-4V
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 Titânio Grau 5 – Ti-6Al-4V
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 (NA = 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 Titânio Grau 5 – Ti-6Al-4V
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 titânio de grau 5 – Ti-6Al-4V
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 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 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 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 Titânio Grau 5 – Ti-6Al-4V
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 Titânio Grau 5 – Ti-6Al-4V
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 Titânio Grau 5 – Ti-6Al-4V
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 Titânio Grau 5 – Ti-6Al-4V
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.
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