Os metais leves e suas ligas são materiais de densidade relativamente baixa e altas relações resistência-peso. Esses metais e ligas são de grande importância em aplicações de engenharia para uso em transporte terrestre, marítimo, aéreo e espacial. Magnésio, alumínio e titânio são metais leves de significativa importância comercial. Esses três metais e suas ligas compreendem a maior parte dos materiais metálicos de alta relação resistência/peso usados em sistemas industriais. O alumínio é o mais versátil desses materiais e o titânio é o mais resistente à corrosão com resistência muito alta, enquanto o magnésio tem a densidade mais baixa. Suas densidades de 1,7 (magnésio), 2,7 (alumínio) e 4,5 g/cm3 (titânio) variam de 19 a 56% das densidades dos metais estruturais mais antigos, ferro (7,9 g/cm3) e cobre (8,9 g/cm3). Os metais comumente classificados como metais leves são aqueles cuja densidade é menor que a densidade do aço (7,8 g/cm3, ou 0,28 lb/in.3).
Como esses metais puros são geralmente materiais mais macios com resistência insuficiente, eles devem ser ligados para atingir as propriedades mecânicas desejadas. Por exemplo, o alumínio de alta pureza é um material macio com resistência máxima de aproximadamente 10 MPa, o que limita sua usabilidade em aplicações industriais. Por outro lado, a resistência à tração da liga de alumínio 6061 pode atingir mais de 290 MPa, dependendo do temperamento do material. Portanto, estamos discutindo principalmente as ligas em vez de metais puros.
Resistência de Metais Leves e Ligas
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 alumínio 6061 depende muito do temperamento do material, mas para o temperamento T6 é de cerca de 290 MPa.
A resistência à tração final do Elektron 21 – UNS M12310 é de cerca de 280 MPa.
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 alumínio 6061 depende muito do temperamento do material, mas para o temperamento T6 é de cerca de 240 MPa.
A resistência ao escoamento do Elektron 21 – UNS M12310 é de cerca de 145 MPa.
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 alumínio 6061 é de cerca de 69 GPa.
O módulo de elasticidade de Young do Elektron 21 – UNS M12310 é de cerca de 45 GPa.
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 de metais leves e ligas
A dureza Brinell da liga de alumínio 6061 depende muito da têmpera do material, mas para a têmpera T6 é de aproximadamente 95 MPa.
A dureza Brinell do Elektron 21 – UNS M12310 é de aproximadamente 70 HB.
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.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introdução à Termodinâmica dos Materiais (4ª ed.). Editora Taylor e Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Uma Introdução à Ciência dos Materiais. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
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