Você provavelmente entrou em contato comtitâniotodos os dias-na armação do seu telefone, nas armações dos seus óculos, nos implantes dentários e até na bicicleta que você anda. Mas você pode não perceber que esse metal aparentemente “indiferente” possui dez propriedades físicas e mecânicas surpreendentes. Das profundezas do oceano à superfície da Lua, dos motores de aeronaves ao esqueleto humano-o que torna o titânio tão onipresente? Hoje vamos explicar tudo detalhadamente.
I. Baixa densidade, alta resistência específica: leve, porém robusto.
O titânio tem densidade de 4,51 g/cm³, que é apenas 57% da do aço-um pouco mais da metade-e menos do que o dobro da do alumínio. No entanto, a sua resistência é três vezes superior à do alumínio. O que isto significa? A resistência específica (resistência dividida pela densidade) das ligas de titânio é a mais alta entre as ligas industriais comumente usadas: 3,5 vezes a do aço inoxidável, 1,3 vezes a das ligas de alumínio e 1,7 vezes a das ligas de magnésio. Em outras palavras, para o mesmo peso, as ligas de titânio podem suportar cargas que excedem em muito as de outros metais. Esta característica é uma “necessidade absoluta” no setor aeroespacial. As ligas de titânio representam agora 9,3% do peso estrutural da grande aeronave de passageiros C919, com cada aeronave utilizando aproximadamente 7 toneladas métricas de titânio. O titânio é encontrado em todos os lugares, desde o revestimento da fuselagem até os fixadores do pilar do motor. De acordo com dados do setor, o mercado chinês de materiais-de titânio de alta qualidade no setor aeroespacial deverá atingir 24 bilhões de yuans até 2025, representando um aumento anual-de 9,1%{21}}ano após ano, com o aumento-da produção em massa do C919 servindo como um dos principais impulsionadores. No setor de motores, o uso de ligas de titânio no motor "Taihang" produzido internamente atingiu 25%, comparável ao do motor F100 dos EUA.
II. Excelente resistência à corrosão:
O titânio, o metal “imortal” da água do mar, deve sua resistência à corrosão a uma “armadura” invisível-uma densa película de óxido (TiO₂) em sua superfície. Este filme é particularmente estável em meios oxidantes; ambientes como água do mar, cloro gasoso úmido, clorito, ácido nítrico, ácido crômico e ácidos orgânicos-que fazem com que o aço comum enferruje rapidamente-deixam o titânio praticamente ileso.
III. Excelente resistência ao calor:
Ainda funcional a 500 graus As ligas de alumínio começam a "lutar" a 150 graus, e o aço inoxidável essencialmente "cede" a 310 graus, enquanto as ligas de titânio ainda podem manter boas propriedades mecânicas em torno de 500 graus. Quando uma aeronave atinge 2,7 vezes a velocidade do som, a temperatura da superfície da fuselagem pode atingir 230 graus. As ligas de alumínio-magnésio não são mais viáveis nesta temperatura, mas as ligas de titânio podem lidar com isso com facilidade. Isso os torna materiais ideais para discos de compressores de motores de aeronaves, lâminas e revestimento traseiro da fuselagem. A liga de titânio de alta-temperatura Ti65 desenvolvida internamente tem uma temperatura de serviço-de longo prazo de até 650 graus, tornando-a a classe resistente-à temperatura-mais alta entre as atuais ligas de titânio forjado. GR5 (Ti-6Al-4V), a liga de titânio mais utilizada, retém mais de 80% de sua resistência abaixo de 400 graus e é responsável por mais de 90% dos componentes críticos na indústria aeroespacial.
4. Excelente desempenho-em baixas temperaturas:
Ele não "deixa você na mão" em temperaturas de hidrogênio líquido. Embora a maioria dos metais se torne tão frágil quanto o vidro em ambientes criogênicos, certas ligas de titânio desafiam essa tendência-sua resistência aumenta à medida que a temperatura cai, enquanto sua ductilidade diminui apenas ligeiramente, permitindo que mantenham boa ductilidade e tenacidade mesmo em baixas temperaturas.
V. Não-magnético: A "capa de invisibilidade" do submarino O titânio é um material paramagnético com permeabilidade magnética de apenas 1,00005, tornando-o virtualmente "invisível" em um campo magnético. Essa propriedade torna as ligas de titânio um material ideal para cascos de submarinos-elas não acionam minas magnéticas nem interferem no equipamento de navegação de precisão da embarcação.
VI. Baixa condutividade térmica: transformando uma desvantagem em vantagem. A condutividade térmica do titânio é de apenas cerca de 17 W/(m·K)-um-quinto da do aço, um-décimo terceiro da do alumínio e um-vinte-da da do cobre. A baixa condutividade térmica é um problema na usinagem-o calor se acumula facilmente na ferramenta de corte, acelerando o desgaste da ferramenta. No entanto, em certos cenários, isto é na verdade uma vantagem. A baixa condutividade térmica do titânio permite que ele se destaque em aplicações que exigem isolamento térmico ou perda reduzida de calor, como componentes de isolamento térmico em determinados equipamentos de processamento químico. Ao mesmo tempo, embora os trocadores de calor de liga de titânio tenham uma condutividade térmica mais baixa que o cobre, seus coeficientes de transferência de calor podem atingir 800–1.200 W/(m²· grau) por meio de estruturas-enroladas em espiral e micro- e nano-tratamentos de superfície. Combinados com sua excelente resistência à corrosão, eles oferecem uma relação custo{20}}desempenho geral muito melhor do que equipamentos tradicionais em ambientes altamente corrosivos, como produção de cloro-álcalis e dessalinização de água do mar.
VII. Baixo módulo de elasticidade: metade da rigidez, valor único-O titânio tem um módulo de elasticidade de aproximadamente 108 GPa, que é apenas 55% do ferro e cerca de metade do aço. Como material estrutural, um baixo módulo de elasticidade significa menor rigidez e maior suscetibilidade à deformação, exigindo atenção especial na fabricação de hastes delgadas e componentes de paredes-finas.
VIII. A resistência à tração e a resistência ao escoamento estão próximas: praticamente "sem compromisso". Tomando GR5 (Ti-6Al-4V) como exemplo, sua resistência à tração na condição recozida é de aproximadamente 960 MPa e sua resistência ao escoamento é de aproximadamente 892 MPa - uma diferença de apenas 68 MPa. Em contraste, o aço inoxidável 18-8 tem uma resistência à tração de 608 MPa e um limite de escoamento de apenas 294 MPa, uma diferença de mais de 300 MPa.
Quanto mais próximo o limite de escoamento estiver da resistência à tração, menor será a "zona tampão" entre o início da deformação plástica e a fratura-no projeto de engenharia. Isso permite que a capacidade de carga-dos componentes da liga de titânio seja utilizada de forma mais completa, evitando a situação embaraçosa em que a deformação começa antes que o material atinja seu limite. A tecnologia de fabricação aditiva aumenta ainda mais essa vantagem: as amostras de teste GR5 produzidas por fusão por feixe de elétrons (EBM) podem atingir um limite de escoamento de até 1.120 MPa e uma resistência à tração de 1.209 MPa, mantendo ao mesmo tempo um alongamento de 11,1%.
IX. Propenso à oxidação em altas temperaturas: requer "manuseio cuidadoso"-O titânio tem uma afinidade extremamente forte por oxigênio, nitrogênio e hidrogênio. Em altas temperaturas, o titânio absorve rapidamente esses elementos gasosos, levando à formação de uma camada de endurecimento superficial ("camada") e à diminuição da plasticidade. Portanto, a soldagem de titânio deve ser realizada sob proteção de argônio; tubos e chapas finas de titânio devem ser submetidos a tratamento térmico a vácuo; e o tratamento térmico de peças forjadas de titânio requer controle rigoroso de uma atmosfera levemente oxidante. O hidrogênio é o "inimigo número um" do titânio-quando o titânio absorve hidrogênio, ele desenvolve fragilização por hidrogênio, levando à fratura retardada. Industrialmente, isso é resolvido removendo o conteúdo de hidrogênio por meio de recozimento a vácuo (a aproximadamente 700 graus). Em ambientes de-alta{10}}pressão em águas profundas, a resistência à fragilização por hidrogênio é um critério crítico para a seleção de materiais; ligas de titânio projetadas especificamente para aplicações navais, como Ti80 e Ti180, precisam estar livres de rachaduras-induzidas por hidrogênio sob pressões-de águas profundas de 30 MPa.
10. Amortecimento baixo: o segredo por trás da ressonância prolongada-Quando sinos de cobre, aço e titânio exatamente do mesmo formato e tamanho são tocados com força igual, o sino de titânio produz o som-mais duradouro. Isso ocorre porque o titânio tem baixa perda interna e baixo amortecimento-a energia transmitida pelo impacto não é facilmente dissipada através de mecanismos microscópicos dentro do material.
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