O que são metais leves e ligas – Definição

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.

Aplicação de Ligas Leves

As ligas leves são amplamente utilizadas em aplicações aeroespaciais, automotivas, arquitetônicas, litográficas, de embalagens, elétricas e eletrônicas. Eles são o principal material de construção para a indústria aeronáutica durante a maior parte de sua história. Cerca de 70% das fuselagens de aeronaves civis comerciais são feitas de ligas de alumínio, e sem alumínio a aviação civil não seria economicamente viável. Um quilograma de metal economizado no projeto e na construção de uma aeronave pode resultar em importantes economias de peso nos custos de construção e no consumo total de combustível.

Outros metais, como aço e titânio, às vezes são usados ​​para construir aeronaves. O aço é pesado, portanto, não é usado muito. O titânio é quase tão forte quanto o aço, tem peso médio, é resistente ao calor e resistente à corrosão. Por exemplo, o Lockheed SR-71 Blackbird, o avião a jato mais rápido do mundo, é feito de titânio. Em alguns casos, essas ligas leves podem ser substituídas por materiais compostos, especialmente aqueles feitos de fibras de vidro, fibras de carbono e Kevlar. Esses materiais compostos são fortes, mas podem pesar metade do alumínio. Esses materiais leves e personalizáveis ​​estão se tornando mais populares. Mais da metade dos materiais usados ​​para fabricar o Boeing 787 Dreamliner são compósitos.

As ligas leves à base de metal também podem ser usadas para peças que operam em altas velocidades e, portanto, devem ser leves para minimizar as forças inerciais. Outras aplicações comerciais incluem ferramentas portáteis, laptops, malas e escadas, automóveis (por exemplo, volantes e colunas, estruturas de assentos, caixas de transmissão).

Tipos de Ligas Leves

Como foi escrito, 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. Além desses metais, o berílio também é um metal leve e de alta resistência com módulo de elasticidade muito alto (303 GPa) que está encontrando uso crescente como material estrutural em veículos aeroespaciais. O módulo de elasticidade do berílio é quase três vezes maior que o do titânio.

• Ligas de Alumínio. As propriedades mecânicas das ligas de alumínio dependem muito de sua composição de fase e microestrutura. A alta resistência pode ser alcançada, entre outras coisas, pela introdução de uma fração de alto volume de partículas finas de segunda fase distribuídas homogeneamente e por um refinamento do tamanho do grão. Em geral, as ligas de alumínio são caracterizadas por uma densidade relativamente baixa (2,7 g/cm ³ em comparação com 7,9 g/cm ³para aço), altas condutividades elétrica e térmica e resistência à corrosão em alguns ambientes comuns, incluindo a atmosfera ambiente. A principal limitação do alumínio é sua baixa temperatura de fusão (660°C), que restringe a temperatura máxima em que pode ser utilizado. Para a produção geral, as ligas das séries 5000 e 6000 fornecem resistência adequada combinada com boa resistência à corrosão, alta tenacidade e facilidade de soldagem. O alumínio e suas ligas são amplamente utilizados em aplicações aeroespaciais, automotivas, arquitetônicas, litográficas, de embalagens, elétricas e eletrônicas.
• Ligas de Magnésio. Ligas de magnésio são misturas de magnésio e outros metais de liga, geralmente alumínio, zinco, silício, manganês, cobre e zircônio. Como a característica mais marcante do magnésio é sua densidade, 1,7 g/cm³, suas ligas são usadas onde o peso leve é ​​uma consideração importante (por exemplo, em componentes de aeronaves). O magnésio tem o ponto de fusão mais baixo (923 K (1202°F)) de todos os metais alcalino-terrosos. Ligas de magnésio são normalmente usadas como ligas fundidas. Apesar da natureza reativa do pó de magnésio puro, o magnésio metálico e suas ligas têm boa resistência à corrosão. Devemos acrescentar que o magnésio puro é altamente inflamável, especialmente quando em pó ou raspado em tiras finas, embora seja difícil de inflamar em massa ou a granel. Produz luz branca intensa e brilhante quando queima. As temperaturas de chama do magnésio e de algumas ligas de magnésio podem atingir 3100°C.
• Ligas de Titânio. 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. 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.

Propriedades de metais leves e ligas

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 de metais leves e ligas

A densidade da liga de alumínio típica é de 2,7 g/cm³ (liga 6061).

A densidade da liga de magnésio típica é de 1,8 g/cm³ (Elektron 21).

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 (N_A = 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 de Metais Leves e Ligas

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 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.

Propriedades Térmicas de Metais Leves e Ligas

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 Metais Leves e Ligas

O ponto de fusão da liga de alumínio 6061 é de cerca de 600°C.

O ponto de fusão do Elektron 21 – UNS M12310 é de cerca de 550 – 640°C.

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 de Metais Leves e Ligas

A condutividade térmica da liga de alumínio 6061 é de 150 W/(mK).

A condutividade térmica do Elektron 21 – UNS M12310 é de 116 W/(mK).

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.

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Veja acima:
Ligas