Propriedades de titânio e ligas de titânio

O titânio é o material de engenharia que oferece de forma mais consistente a combinação que os engenheiros geralmente têm de compensar: baixa densidade, alta resistência, excelente resistência à corrosão e boa tenacidade. O titânio puro tem uma densidade de cerca de 4,5 g/cm³, aproximadamente 60% do aço, enquanto suas ligas atingem resistência à tração comparável aos aços de resistência média-. O metal forma uma película de óxido densa e autocurativa que resiste à água do mar, aos cloretos e aos ácidos oxidantes, além de manter a ductilidade em temperaturas criogênicas. Essas propriedades colocam o titânio no centro das aplicações aeroespaciais, químicas, marítimas, médicas e energéticas.

Propriedades Fundamentais do Titânio

Baixa densidade e alta resistência específica

O titânio puro tem uma densidade de aproximadamente 4,5 g/cm³ e um ponto de fusão de cerca de 1668 graus. A sua resistência específica, a relação entre resistência e densidade, excede a da maioria dos aços estruturais e ligas de alumínio, razão pela qual o titânio substitui o aço sempre que o peso deve ser reduzido sem perder a capacidade de carga.

Excelente resistência à corrosão

A afinidade do titânio pelo oxigênio produz um filme de óxido denso e fortemente aderente que se forma instantaneamente no ar e na maioria dos meios aquosos. O filme é auto-reparável: se for arranhado, ele se-reforma em milissegundos. Como resultado, o titânio é estável em ambientes oxidantes, neutros e levemente redutores, incluindo água do mar, salmouras de cloreto, ácido nítrico e a maioria dos meios orgânicos. O filme é atacado apenas por meios que o dissolvem continuamente, nomeadamente ácido fluorídrico, ácido clorídrico concentrado a quente e ácido fosfórico concentrado a quente. A adição de oxidantes ou certos íons metálicos a essas soluções restaura a película protetora, que é a base para a liga com paládio, molibdênio ou níquel.

Desempenho de fadiga e fratura

As ligas de titânio apresentam boa resistência à fadiga e resistência ao crescimento de trincas, com nível dependendo da microestrutura. Estruturas alfa-beta equiaxiais finas, produzidas trabalhando abaixo do beta transus, proporcionam o melhor comportamento de fadiga. A resistência-a baixas temperaturas também é excelente: o titânio não apresenta uma transição dúctil-para-frágil, e a resistência realmente aumenta à medida que a temperatura cai, permitindo serviço em temperaturas criogênicas de até -253 graus.

Capacidade-de alta temperatura

Os graus comercialmente puros são limitados a cerca de 300{1}}400 graus, mas as ligas de titânio ampliam a faixa útil: ligas alfa-beta, como Ti-6Al-4V, servem a 300-400 graus, e ligas quase alfa, como Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, operam a cerca de 500 graus, com ligas de desenvolvimento visando 600-700 graus. Isso posiciona o titânio entre as ligas de alumínio e níquel no espectro de temperatura.

Como a liga altera as propriedades

As ligas de titânio são classificadas pela microestrutura-à temperatura ambiente. Ligas alfa, como Ti-5Al-2,5Sn, priorizam resistência à fluência e soldabilidade. As ligas alfa-beta, lideradas por Ti-6Al-4V, equilibram resistência, tenacidade e capacidade de fabricação e dominam o mercado. Ligas beta e quase beta, como Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn, oferecem a mais alta resistência e conformabilidade na condição tratada com solução. Alumínio, vanádio, molibdênio e estanho são os principais elementos de liga, cada um alterando o equilíbrio de fases e o perfil de propriedades.

Notas Práticas de Seleção

Para serviço contra corrosão e conformabilidade: Grau 1 e Grau 2 comercialmente puros de acordo com ASTM B265

Para resistência estrutural: Ti-6Al-4V conforme ASTM B265, B348 ou AMS 4911

Para serviço em fendas de cloreto quente: Grau 7 ou Grau 12 de acordo com ASTM B265

Para implantes médicos: Grau 23 ELI conforme ASTM F136 ou Grau 2 conforme ASTM F67

Para serviço criogênico: Ligas de Grau 2 ou ELI com baixo conteúdo intersticial confirmado

Perguntas frequentes

O titânio é mais leve que o aço?

Sim. A densidade do titânio é de cerca de 4,5 g/cm³ contra cerca de 7,8 g/cm³ do aço, portanto as peças de titânio pesam cerca de 40% menos para o mesmo volume.

O titânio é mais forte que o aço?

Em força específica, sim, para muitos graus. Ti-6Al-4V atinge resistência à tração mínima de 895 MPa em 60% do peso do aço, proporcionando uma vantagem de resistência em relação ao peso sobre a maioria dos aços estruturais.

O titânio enferruja?

Não. O titânio forma uma película estável de dióxido de titânio em vez de óxido de ferro, por isso não enferruja e é efetivamente imune à corrosão geral na água do mar e na maioria dos meios químicos.

O que ataca o titânio?

O ácido fluorídrico, o ácido clorídrico concentrado a quente, o ácido fosfórico a quente e algumas soluções cáusticas fortes e quentes dissolvem a película protetora e corroem o titânio. Adições oxidantes suprimem este ataque.

O titânio pode ser usado em altas temperaturas?

Sim, dentro dos limites. Ligas alfa-beta servem a 300{3}}400 graus e ligas quase alfa a cerca de 500 graus; a resistência à fluência e a taxa de oxidação definem o teto para cada classe.

Qual grau de titânio é melhor para resistência à corrosão?

Grau 1 e Grau 2 comercialmente puros proporcionam excelente resistência geral à corrosão. Para reduzir ácidos e fissuras de cloreto quente, paládio-contendo grau 7 ou molibdênio-níquel grau 12 tem melhor desempenho.