Composição e Propriedades do Monel 400 em Variação de Temperatura

Monel 400 é UNS N04400, também publicado como W.Nr. 2.4360 e 2.4361, e é uma solução sólida binária de níquel e cobre que só pode ser endurecida por trabalho a frio. Essa única frase estabelece ambas as metades do que uma página de propriedades tem a dizer: a composição decide o caráter da liga e a quantidade de trabalho aplicada a ela decide todos os índices de resistência que você pode comprar.

A composição é níquel com um mínimo de 63,0% e cobre entre 28,0% e 34,0%, e o restante é um pequeno conjunto de resíduos que são mantidos baixos e não adicionados. O que torna a liga útil é a solubilidade dos dois elementos principais um no outro: eles são mutuamente solúveis em todas as proporções, de modo que a estrutura é monofásica, com uma rede cúbica de face centrada e um parâmetro de rede de 3,534 Å. Não há segunda fase para precipitar, que é a razão pela qual não há tratamento de envelhecimento nesta liga e a razão pela qual o único mecanismo de endurecimento disponível é a deformação.

Lida dessa forma, as propriedades do Monel 400 se dividem em dois grupos que se comportam de maneira completamente diferente. Aqueles fixados pela composição não se movem de forma alguma: a densidade, o módulo, a faixa de fusão e as propriedades térmicas são definidos pela química e pela temperatura, e nenhuma decisão de processamento os altera. Aqueles que o cliente realmente especifica se movem em uma ampla faixa, pois seguem de quanto trabalho a frio a peça viu e qual tratamento térmico veio depois. As seções abaixo mantêm os dois grupos separados e, em seguida, seguem a liga para ambas as extremidades de sua faixa de temperatura, que é onde seu comportamento é mais distinto.

A Composição, e o Que Cada Elemento Está Fazendo

A linha de enxofre é aquela que entra na oficina em vez de permanecer na folha de dados. Como o enxofre danifica essa família de ligas em temperatura, a prática de recozimento publicada exige uma atmosfera redutora livre de enxofre, e lápis de marcação, graxa e alguns materiais refratários devem ser mantidos longe de uma peça que irá para um forno. Esse é um requisito de fabricação que decorre diretamente de um limite de composição.

O Que o Trabalho Afeta nas Propriedades

Esta é a tabela da qual um comprador realmente faz o pedido, e a dispersão que ela contém é maior do que a maioria das pessoas espera de uma única liga. Cada linha tem a mesma composição; o que muda é a condição em que foi fornecida.

Duas coisas nessa tabela decidem a maioria dos pedidos. A primeira é que o trabalho a frio é todo o mecanismo, então a resistência que você obtém é a resistência que você pediu especificando um temperamento. Passar de chapa recozida para tira de temperamento de mola aproximadamente dobra a resistência ao escoamento e reduz o alongamento de 35% para um valor que pode ser tão baixo quanto 2%. A segunda é que a nota publicada anexada a essas faixas é explícita: são compostos para vários tamanhos de produto e não são adequados para fins de especificação. Um pedido de compra, portanto, nomeia a forma, a condição e o padrão, e retira seus mínimos do padrão em vez de uma tabela como esta.

Uma consequência adicional da estrutura monofásica vale a pena ser declarada. Como não há reação de precipitação, não há nada para envelhecer e nenhum tratamento de envelhecimento para agendar. Os tratamentos térmicos que existem para esta liga fazem um trabalho diferente: o recozimento amolece completamente o material trabalhado a frio e o alívio de tensões reduz a tensão residual sem recristalizar a estrutura do grão.

Resistência e Ductilidade à Medida que a Temperatura Cai

Esta é a propriedade que mais claramente separa o Monel 400 dos aços, e corre na direção oposta ao que a maioria dos engenheiros espera. À medida que a temperatura de teste cai, a liga fica mais forte e mantém sua ductilidade ao mesmo tempo. Não há transição para comportamento frágil.

A linha forjada é a que deve ser observada, pois abrange toda a extensão. Entre a temperatura ambiente e −423 °F, a resistência à tração aumenta de 92 ksi para 142 ksi, o que é aproximadamente metade mais forte, e o alongamento aumenta com ela em vez de cair. A avaliação publicada da liga observa que esse comportamento é mantido em uma considerável faixa de temperaturas, e a consequência prática é que um serviço criogênico não requer uma mudança de material devido à tenacidade.

Duas ressalvas publicadas pertencem à tabela. Os valores mostrados para as condições trefilado a frio e recozido aplicam-se a tamanhos de 0,032 a 0,250 polegadas de diâmetro, e a fonte afirma que as propriedades para outros tamanhos podem variar. E a linha trefilada a frio testada à temperatura ambiente após ter sido mantida a −110 °F por várias horas apresentou uma resistência ao escoamento menor do que a linha testada à temperatura, que é o tipo de detalhe que importa apenas se uma especificação exigir uma imersão em vez de um teste.

Tenacidade à Temperatura, Que É a Mesma História

O teste de impacto conta a mesma história de forma mais acentuada, pois um teste de tenacidade é onde um aço com temperatura de transição falharia. Esta liga não tem uma que possa ser alcançada.

A avaliação publicada registra que nenhuma evidência de fraturas frágeis foi mostrada, e que o metal de solda testado no mesmo programa fraturou na solda e não na chapa. Há também uma nota sobre os espécimes de impacto por torção: tentativas de produzir fraturas neles reduzindo a área mínima em 75% foram malsucedidas, devido à tenacidade do material.

As Janelas de Fabricação

Como a liga endurece apenas por trabalho a frio, os tratamentos térmicos não constroem resistência. Eles restauram a ductilidade e removem a tensão. Eles também definem o tamanho do grão, e cada um tem uma janela publicada.

A distinção entre alívio de tensões e equalização de tensões é a que mais frequentemente se perde. Eles são publicados como tratamentos separados em temperaturas separadas para propósitos separados, e uma oficina que substitui um pelo outro não obterá o resultado que o desenho solicitou.

O Depósito de Solda em Temperatura

A liga é unida com um material de enchimento correspondente, e os dados publicados de todo o metal de solda mostram como o depósito se comporta à medida que esquenta. Vale a pena ter separado dos valores do metal base, pois uma junta em temperatura é limitada por seu constituinte mais fraco.

A última linha é a que importa, pois 1000 °F, ou 538 °C, é a temperatura na qual a liga atinge o fim de sua faixa útil ao ar. O depósito ainda carrega 386 MPa em tensão nesse ponto, o que é um valor útil de se ter, e a redução de área caiu para 24,5%, que é o número que limita o quanto uma junta nessa temperatura pode acomodar.

Uma junta de topo em tamanho real se comporta de maneira diferente do metal de solda completo, e os dados publicados registram que os testes transversais em uma solda quebraram todos na solda e não na chapa, o que é o resultado esperado quando o depósito é mais fraco que o metal base. Um tratamento térmico de 1150 °F por 10 horas seguido de resfriamento ao ar não alterou as propriedades da solda à temperatura ambiente em uma extensão útil, o que é consistente com o depósito não ter resposta de envelhecimento para desenvolver.

O Estudo do Qual o Corpo Publicado Foi Retirado, e Por Que Seus Números Não Podem Ser Usados

A versão desta página que foi publicada carrega o método e os resultados de um estudo de tração a quente, e o estudo é descrito com precisão suficiente para identificar: uma máquina de simulação térmica Gleeble-1500D, um espécime de 6 mm de diâmetro e 120 mm de comprimento, aquecido a 10 °C por segundo a 1100 °C e mantido por três minutos, depois resfriado a 3 °C por segundo a temperaturas de teste de 600, 700, 800, 900, 1000 e 1100 °C, esticado a 10⁻³ por segundo em vácuo, com as superfícies de fratura examinadas sob um microscópio eletrônico de varredura.

Duas coisas sobre isso valem a pena manter. A descoberta de ductilidade é consistente com o que as faixas de trabalho publicadas levariam você a esperar: o estudo relata a plasticidade em alta temperatura aumentando com a temperatura até um pico em torno de 900 °C e depois caindo novamente, e 900 °C está dentro da janela de trabalho a quente publicada de 927 a 1177 °C, enquanto 1100 °C está perto de seu topo. A segunda é que um espécime mantido a 1100 °C por três minutos antes do teste foi efetivamente recozido, de modo que os números descrevem material recozido e não a condição em que a liga é geralmente fornecida.

Os índices de resistência não podem ser republicados como propriedades desta liga. O estudo relata uma resistência à tração de 106,49 MPa a 600 °C e 22,41 MPa a 1100 °C. Os dados de curto prazo publicados para a mesma liga registram 55,95 ksi, que é 386 MPa, para todo o metal de solda a 1000 °F, ou 538 °C, e o metal de solda é normalmente o constituinte mais fraco de uma junta. Um valor de forjado de 106 MPa a uma temperatura acima disso é, portanto, aproximadamente um fator de três a quatro abaixo do que os dados publicados implicam, e a discrepância é grande o suficiente para que o número deva ser tratado como específico para essa única configuração de teste. Não é uma resistência que esta liga possa ser especificada.

A premissa do estudo também deve ser lida em relação à avaliação publicada da liga. O estudo foi realizado devido a uma tendência de trincamento a quente atribuída em parte à baixa condutividade térmica e baixo coeficiente de expansão, mas a descrição publicada do Monel 400 registra que ele é facilmente unido por processos convencionais, que tem boa soldabilidade e que pode ser formado a quente em quase qualquer forma. Essas duas posições não são incompatíveis, pois um estudo pode investigar utilmente um problema dentro de um material que é geralmente trabalhável, e não devem ser lidas como um aviso geral contra a soldagem da liga. A distinção vale a pena manter, já que a mesma baixa condutividade térmica que concentra o calor em uma poça de solda é também a razão pela qual a liga mantém sua resistência à medida que a temperatura aumenta.

Perguntas Que Compradores Fazem

Qual é a composição química do Monel 400?

Níquel com um mínimo de 63,0% e cobre entre 28,0% e 34,0%, com o restante níquel e os resíduos mantidos baixos: carbono com um máximo de 0,3%, ferro com 2,5%, manganês com 2,0%, silício com 0,5% e enxofre com 0,024%. O valor de níquel é um mínimo e não uma faixa. É determinado por diferença. Folhas de dados publicadas às vezes fornecem a faixa de níquel como 63,0 a 70,0%.

Como o Monel 400 é fortalecido?

Apenas por trabalho a frio. Níquel e cobre são mutuamente solúveis em todas as proporções, de modo que a liga é monofásica com uma rede cúbica de face centrada e não há segunda fase para precipitar. Portanto, não há tratamento de envelhecimento para esta liga, e a resistência de uma peça entregue é uma função de quanto trabalho a frio ela viu. Isso é o oposto da posição de uma liga de endurecimento por precipitação, como o Monel K500.

Qual é a faixa de resistência disponível a partir de uma composição?

Cerca de um fator de dois entre os extremos, e os extremos não estão próximos. Chapa recozida é publicada com 482 a 586 MPa de tração com 35% ou mais de alongamento. Tira de temperamento de mola da mesma liga atinge 690 a 965 MPa com alongamento tão baixo quanto 2%. Um pedido de compra, portanto, deve nomear o temperamento, bem como a liga, porque a condição é o que carrega a resistência.

O Monel 400 fica quebradiço em baixa temperatura?

Não, e faz o oposto. Material forjado testado a −423 °F, que é −253 °C, mostra uma resistência à tração de 142 ksi contra 92 ksi à temperatura ambiente, com o alongamento aumentando de 31% para 38,5%. Os valores de Charpy V-notch na mesma temperatura variam de 121 a 219 ft·lb dependendo da orientação, e a avaliação publicada não registra evidências de fraturas frágeis. Esta é uma razão para escolher a liga para serviço criogênico e não uma limitação dela.

Quais são as temperaturas de trabalho a quente e recozimento?

O trabalho a quente varia de 1700 °F a 2150 °F, ou 927 °C a 1177 °C, com um ótimo em torno de 2000 °F, e a liga nunca deve ser aquecida acima de 2150 °F, pois danos permanentes podem ocorrer. O recozimento é publicado como 1600 a 1800 °F por 2 a 10 minutos no método de aquecimento aberto, ou 1400 a 1500 °F por 1 a 3 horas em recozimento em caixa, com uma faixa geral de 1300 a 1800 °F. A extremidade inferior da faixa é usada com tempos mais longos para manter o grão fino. A atmosfera de recozimento deve ser redutora e livre de enxofre.

Qual é a diferença entre alívio de tensões e equalização de tensões?

São tratamentos publicados separados com propósitos separados. O alívio de tensões é feito a 1000 a 1050 °F por 1 a 2 horas e reduz a tensão residual sem recristalizar a estrutura do grão. A equalização de tensões é feita mantendo por cerca de 3 horas a 575 °F e aumenta a resistência ao escoamento a 0,00% de desvio sem efeitos marcados nas outras propriedades. Substituir um pelo outro não produz o resultado que o desenho solicitou.

Resumo

Monel 400 é uma solução sólida de níquel-cobre monofásica, UNS N04400 e W.Nr. 2.4360 ou 2.4361, que só pode ser endurecida por trabalho a frio. A composição é níquel com um mínimo de 63,0% e cobre entre 28,0% e 34,0%, e como os dois elementos são mutuamente solúveis, não há reação de precipitação e nenhum tratamento de envelhecimento. As propriedades, portanto, dividem-se entre aquelas fixadas pela composição, como densidade, módulo e faixa de fusão, e aquelas fixadas pela condição em que o material é fornecido, onde as faixas publicadas variam de 482 MPa de tração em chapa recozida a 965 MPa em tira de temperamento de mola. Com a queda da temperatura, a liga ganha resistência mantendo sua ductilidade, atingindo 142 ksi em material forjado a −423 °F sem evidência de fratura frágil. Com o aumento da temperatura, o limite útil ao ar é de 1000 °F, a janela de trabalho a quente é de 1700 a 2150 °F, e o depósito de solda ainda carrega 386 MPa a 1000 °F.

Monel 400 é fornecido de Changzhou, Jiangsu em chapas, placas, tiras, barras, vergalhões, fios, forjados, tubos e canos sem costura, e tubulações de condensador, nas condições recozido, aliviado de tensões, meio duro, totalmente duro e temperamento de mola, de uma planta que possui certificação ISO 9001 e é auditada pela SGS. Envie a forma, o temperamento e a temperatura de serviço, e as propriedades seguirão dessas três respostas.

Referências

1. Boletim técnico da Special Metals SMC-053, liga de níquel-cobre MONEL 400. Fonte para os limites de composição, a densidade de 8,80 g/cm³ e a faixa de fusão, o módulo de elasticidade em tração, compressão e torção com o coeficiente de Poisson, a temperatura Curie e sua nota, a descrição da liga como uma solução sólida binária com um parâmetro de rede cúbica de face centrada de 3,534 Å, as faixas de propriedades mecânicas por forma e condição, as tabelas de tração e impacto a baixa temperatura, a nota de que as faixas publicadas são compostos que não são adequados para fins de especificação, as propriedades de curto prazo de todo o metal de solda em temperatura, o resultado do teste de solda transversal e a tabela de dureza de temperamento para chapa e tira.
2. O mesmo boletim, sobre tratamento térmico e fabricação. Fonte para as faixas de recozimento de aquecimento aberto e em caixa, a afirmação de que a liga forma uma película de óxido aderente quando deixada esfriar ao ar após o aquecimento, a afirmação de que a taxa de resfriamento não tem efeito significativo, o tratamento de equalização de tensões a 575 °F e seu efeito na resistência ao escoamento de desvio de 0,00%, a afirmação de que o crescimento do grão ocorre quando o material é aquecido a temperatura elevada, o limite de trabalho a quente de 2150 °F com o aviso de que danos permanentes podem ocorrer, e a orientação de que em nenhum caso a liga deve ser aquecida acima desse valor.
3. Dados técnicos publicados para a liga 400 conforme circulados por