O que são ligas de níquel – Definição

O níquel é um metal lustroso branco prateado com um leve tom dourado. O níquel é um dos elementos de liga mais comuns. Cerca de 65% da produção de níquel é utilizada em aços inoxidáveis. Como o níquel não forma nenhum composto de carboneto no aço, ele permanece em solução na ferrita, fortalecendo e endurecendo a fase de ferrita. Os aços com níquel são facilmente tratados termicamente porque o níquel reduz a taxa crítica de resfriamento.

Ligas à base de níquel (por exemplo, ligas Fe-Cr-Ni(Mo)) exibem excelente ductilidade e tenacidade, mesmo em altos níveis de resistência e essas propriedades são mantidas até baixas temperaturas. O níquel e suas ligas são altamente resistentes à corrosão em diversos ambientes, principalmente os básicos (alcalinos). O níquel também reduz a expansão térmica para melhor estabilidade dimensional. O níquel é o elemento base das superligas. Esses metais têm excelente resistência à deformação por fluência térmica e mantêm sua rigidez, resistência, tenacidade e estabilidade dimensional em temperaturas muito mais altas do que os outros materiais estruturais aeroespaciais.

Tipos de ligas de níquel

Superligas à base de níquel

As superligas à base de níquel constituem atualmente mais de 50% do peso dos motores de aeronaves avançados. As superligas à base de níquel incluem ligas reforçadas com solução sólida e ligas endurecíveis por envelhecimento. As ligas endurecíveis por envelhecimento consistem em uma matriz austenítica (fcc) dispersa com precipitação coerente de um Ni₃ (Al,Ti) intermetálico com estrutura FCC. As superligas à base de Ni são ligas com níquel como elemento primário de liga e são preferidas como material de lâmina nas aplicações discutidas anteriormente, em vez de superligas à base de Co ou Fe. O que é significativo para as superligas à base de Ni é sua alta resistência, fluência e resistência à corrosão em altas temperaturas. É comum fundir pás de turbina em forma solidificada direcional ou em forma de cristal único. As pás de cristal único são usadas principalmente na primeira linha no estágio da turbina.

Por exemplo, Inconel é uma marca registrada da Special Metals para uma família de superligas austeníticas à base de níquel-cromo. O Inconel 718 é uma superliga à base de níquel que possui propriedades de alta resistência e resistência a temperaturas elevadas. Também demonstra notável proteção contra corrosão e oxidação. A resistência de alta temperatura do Inconel é desenvolvida pelo reforço de solução sólida ou endurecimento por precipitação, dependendo da liga. O Inconel 718 é composto por 55% de níquel, 21% de cromo, 6% de ferro e pequenas quantidades de manganês, carbono e cobre.

Níquel prata

A prata de níquel, também conhecida como prata alemã, latão de níquel ou alpacca, é uma liga de cobre com níquel e frequentemente zinco. Por exemplo, a liga de cobre UNS C75700 níquel prata 65-12 tem boa resistência à corrosão e manchas e alta capacidade de conformação. A prata níquel é nomeada devido à sua aparência prateada, mas não contém prata elementar, a menos que seja banhada.

Constantan

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.

Invar

Invar é um grupo de ligas de níquel-ferro de baixa expansão térmica, consistindo principalmente de níquel e ferro (por exemplo, FeNi36). O nome Invar vem da palavra invariável, referindo-se à sua relativa falta de expansão ou contração com mudanças de temperatura. A liga Invar é dúctil e facilmente soldável, e a usinabilidade é semelhante ao aço inoxidável austenítico.

Invar é usado onde é necessária alta estabilidade dimensional, como instrumentos de precisão, relógios. Ligas com baixos coeficientes de expansão formam a parte essencial de bimetais e termostatos. O próprio Invar ainda é usado hoje em um grande número de eletrodomésticos, de ferros elétricos e torradeiras a fogões a gás e cortes de segurança contra incêndio. Os Invars também podem ser usados ​​em vedações vidro-metal e componentes eletrônicos e de rádio. Quase todos os condensadores variáveis ​​são feitos de Invar. Os suportes dos motores a jato são feitos de Invar para garantir rigidez com as mudanças de temperatura.

Propriedades das Ligas de Níquel

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 das Ligas de Níquel

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 níquel

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 das Ligas de Níquel

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 das Ligas de Níquel

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 das Ligas de Níquel

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 Ligas de Níquel

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.

O coeficiente linear de expansão térmica do invar – FeNi36 de 25 a 105°C é de cerca de 1,2 x 10^-6 K^-1 (1,2 ppm/°C).

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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Veja acima:
Ligas