Ligas de Alumínio - Apostilas - Engenharia Civil, Notas de estudo de Engenharia Civil. Universidade Federal de Alagoas (UFAL)
Luiz_Felipe
Luiz_Felipe4 de Março de 2013

Ligas de Alumínio - Apostilas - Engenharia Civil, Notas de estudo de Engenharia Civil. Universidade Federal de Alagoas (UFAL)

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Apostilas de engenharia civil sobre o estudo das ligas de alumínio, principais aplicações, propriedades mecânicas, tratamento térmico.
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PRINCIPAIS APLICAÇÕES

Cada vez mais empregadas em coberturas e revestimentos de prédios não residenciais, as telhas de alumínio oferecem vantagens que as distinguem de outros materiais, como o fibrocimento. São ais leves (seu peso específico equivale a um terço do aço), mais resistentes às intempéries, além de elevada resistência à corrosão atmosférica, garantindo às telhas de alumínio longa vida útil, superior às outras telhas metálicas. Sua refletividade reduz a temperatura das instalações e a condutibilidade térmica, dissipa rapidamente o calor acumulado, favorecendo o conforto nos ambientes em que são aplicadas. A resistência mecânica e a economia permitida pelas extensões do material (até 12 metros) são outros pontos a seu favor. Aplicação significativa tem sido estruturas para grandes vãos, chamadas de estruturas espaciais de alumínio aplicadas em edifícios industriais, “shopping centers”, terminais Em veículos automotivos comerciais, onde os custos de manutenção e a economia de operação a longo prazo são cruciais, o alumínio é extensivamente utilizado em carrocerias, além de peças como pistões, blocos de motores, caixas de câmbio, chassis e acessórios. No Brasil, o uso do alumínio em carros e utilitários é da ordem de 50 kg/veículo, enquanto nos EUA é de cerca de 128 kg/veículo. A tendência do uso de alumínio nessa indústria é promissora, pois o menor consumo de combustível proporcionará uma redução considerável de emissões de poluentes. As emissões de gás carbônico são decrementais ao meio ambiente, pois por ser um gás estufa, contribui para o fenômeno de Transportes O alumínio é muito utilizado em transportes devido à alta relação resistência mecânica/peso, o que permite maior economia de carga, menor consumo de combustível e menor desgaste. A excelente resistência à corrosão confere maior durabilidade ao veículo e exige menor manutenção. - Estrutura espacial Carroceria de alumínio rodoviário e metroviário, aeroportos e ginásios poliesportivos, facilitando o transporte, a montagem e o manuseio no canteiro de obras A utilização de estruturas de alumínio é principalmente pesquisada em função da economia de peso ou de condições ambientais corrosivas. A economia de peso é usualmente associada com redução de custos de material. Um projeto eficiente consiste frequentemente no estabelecimento de um compromisso entre custo de material e custo de mão de obra. Comparadas com estruturas de aço, as estruturas de alumínio podem conduzir a reduções de peso variáveis entre 40-70%. Para maiores detalhes sobre estruturas, consultar o “Guia técnico do alumínio - Estruturas”aquecimento do planeta, conforme amplamente debatido nas reuniões internacionais para consolidação do

Protocolo de Kyoto. Para cada quilograma de redução do peso de um veículo há uma redução de 20 kg de emissão de gás carbônico equivalente. Com a melhoria das técnicas de soldagem e o desenvolvimento das ligas de ALMG, que resistem à corrosão da água salgada, o alumínio tem sido muito utilizado neste mercado permitindo a confecção de barcos, lanchas, navios e submarinos.

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PROPIEDADES MECANICAS

s propriedades mecânicas são determinadas através de ensaios rotineiros de amostras selecionadas como sendo representativas do produto. Estes ensaios mecânicos são normalmente destrutivos de modo que não devem ser efetuados em produtos acabados, pois alteram suas condições de funcionalidade. Obtém-se corpos-de-prova de amostras que tenham sido elaboradas do mesmo modo que o produto, exceto no caso de peças fundidas e forjadas. Os ensaios de peças fundidas são feitos em corpos-de-prova do mesmo vazamento do metal da peça fundida e elaborados ao mesmo tempo. Com as peças forjadas, os ensaios, geralmente, são feitos em pedaços cortados do mesmo metal da peça. Os valores das propriedades mecânicas podem dividir-se em dois grupos: os de valores garantidos e os de valores típicos. Os valores garantidos são os valores mínimos estabelecidos pelas especificações. Os ensaios rotineiros garantem que todo o material obedece às especificações. Além disso, os ensaios rotineiros propiciam O limite de resistência à tração é a máxima tensão que o material resiste antes de ocorrer sua ruptura. Calcula-se dividindo a carga máxima,em quilogramas-força, aplicada durante o ensaio pela seção transversal em milímetros quadrados do corpo-deprova. O limite de resistência à tração do alumínio puro recozido é aproximadamente 48 MPa (4,9 kgf/mm²)dados estatísticos para obterse os valores típicos. Este valor aumenta em função da liga, do trabalho a frio e do tratamento térmico (quando possível).

ilustra algumas curvas típicas de deformação limite de escoamento é a tensão em que o material começa a deformar-se plasticamente e que para o alumínio é de 0,2% do comprimento medido em um corpo-de-prova normal. É importante definir este grau de deformação permanente porque as ligas de alumínio não possuem um limite de escoamento tão pronunciado como a maioria dos aços. O limite de escoamento do alumínio puro recozido é aproximadamente 12,7 MPa (1,3 kgf/mm²). O trabalho a frio e o tratamento térmico aumentam o limite de escoamento mais rapidamente do que a resistência à tração final. O alongamento é expresso em porcentagem relativamente ao comprimento original medido em um corpo-de-prova normal e é calculado através da diferença de comprimentos medidos entre os pontos de referência, antes e após o ensaio de tração (Figura 5, página 26). O alongamento é a indicação da ductilidade, a qual é relativamente menor para um corpo-de-prova mais fino do que para um mais espesso da mesma liga, sendo, portanto, necessário associar o alongamento com a espessura do corpo-de- prova. . A dureza de um metal é definida como a medida da sua resistência à penetração. Existem várias maneiras de se determinar a dureza, sendo as mais comuns a Brinell, a Vickers e a Rockwell. Todos os ensaios de dureza são empíricos, ainda que existam tabelas indicativas da relação entre as várias escalas de dureza, a “equivalência” de valores deve ser usada com reserva. Mais importante ainda é o fato de que não existe relação direta entre o valor de dureza e as propriedades mecânicas das várias ligas de alumínio. Os elementos de liga aumentam em muito a resistência do alumínio, assim como o tratamento térmico e o endurecimento pelo trabalho a frio, porém a dureza é significativamente mais baixa do que a maioria dos aços.

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TRATAMENTO TERMICO

Tratamentos térmicos têm por objetivo remover ou reduzir as segregações, produzir estruturas estáveis e controlar certas características metalúrgicas, tais como: propriedades mecânicas, tamanho de grão, estampabilidade, etc. Para maiores detalhes sobre tratamento térmico, consultar o “Guia de tratamento térmico das ligas de alumínio”. Os principais tipos de tratamento térmico são:

HOMOGENIZAÇÃO

É um tratamento térmico realizado em temperaturas ao redor de 500ºC, dependendo da liga, que tem por objetivo remover ou reduzir as seções, produzir estruturas estáveis e controlar certas características metalúrgicas, tais como:propriedades mecânicas, tamanho de grão, estampabilidade, etc. tratamento pode ser executado concomitantemente ao aquecimento das placas.

SOLUBILIZAÇÃO-ENVELHECIMENTO

resfriados, uma técnica frequentemente aplicada em rebites para a indústria de aviação.

RECOZIMENTO PLENO

O recozimento pleno é um tratamento térmico em que se consegue as condições de plasticidade máxima do metal (têmpera O), correspondendo a uma recristalização total do mesmo. No processo de recozimento, o metal é aquecido, geralmente na faixa de 350°C, suficientemente para permitir o seu rearranjo numa nova configuração cristalina não deformada. Este processo de recristalização remove o efeito do trabalho a frio e deixa o metal numa condição dúctil. O recozimento bem sucedido caracteriza-se somente pela recristalização primária. Devem-se evitar superaquecimentos, já que isto causa a coalescência e o crescimento exagerado dos grãos, também chamada de recristalização secundária, com a consequente tendência de ser desenvolvido o defeito “casca de laranja” nos trabalhos subsequentes, principalmente de estampagem. A Figura 7, página 32, mostra a curva de recozimento de material laminado -

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1100H18. Tratamentos Maior resistência mecânica é obtida nas ligas que respondem a esse tratamento térmico. Primeiramente, o metal é aquecido uniformemente até cerca de 500°C, sendo que a temperatura exata depende da liga em particular. Isto ocasiona a dissolução dos elementos de liga na solução sólida (tratamento de solução). Então, segue-se um resfriamento rápido, geralmente em água, que previne temporariamente que estes constituintes se precipitem. Esta condições é instável e, gradualmente, os constituintes precipitam-se de maneira extremamente fina (somente visível através de potentes microscópios), alcançando, assim, o máximo efeito de endurecimento (envelhecimento).Em algumas ligas isto ocorre,espontaneamente, depois de alguns dias (envelhecimento natural), enquanto que em outras ocorre através de reaquecimento por algumas horas a cerca de 175°C (tratamento de precipitação). As chapas são normalmente tratadas num banho de sal fundido, o qual possui alta taxa de calor e fornece suporte ao metal, prevenindo-o quanto a possíveis deformações em altas temperaturas. Fornos com circulação de ar forçado são geralmente utilizados para perfis extrudados, tubos, forjados e peças fundidas. Os efeitos de um tratamento térmico completo incluem não somente um aumento substancial no limite de resistência à tração, mas também na redução da ductilidade. Consequentemente, é usual submeter se o material a qualquer operação de conformação severa, que seja necessária, antes do tratamento térmico. A maior parte das conformações pode ser feita antes do tratamento de solução, com um acerto posterior para corrigir quaisquer distorções não previstas que possam ocorrer durante o resfriamento, porém, preferencialmente a conformação deve ser feita imediatamente após o tratamento de solução, antes do envelhecimento. Quando for difícil esta conciliação, é possível retardar o envelhecimento mantendo-se os componentes Lingotes de alumínio primário Lingotes de alumínio secundário. Para materiais recozido plenamente (totalmente recristalizado) é aconselhável a obtenção de tamanho de grão no intervalo de 20 a 100 micrômetros de diâmetro (número 8,0 a 3,5), para que se obtenha peças de boa qualidade, após estampagem, dobramento ou extrusão por impacto. Caso o tamanho de grão esteja fora desta faixa pode ocorrer o rompimento da peça ou o surgimento do defeito “casca de laranja”, o que pode exigir operação de polimento adicional para restituir-lhe superfície lisa, às vezes com grandes dificuldades. Convém observar que o tamanho de grão em micrômetros é inversamente proporcional ao número do mesmo. A Figura 8 mostra o comportamento dos grãos em função do encruamento e da recristalização do alumínio e suas ligas no processo de laminação.

RECOZIMENTO PARCIAL

Este tipo de tratamento térmico corresponde a uma recristalização parcial do material, permitindo a obtenção de têmperas com alongamentos maiores, o que favorece Figura 7 - Curva de recozimento de material laminado - 1100H18 em alguns casos, o processo de estampagem, conferindo ao produto final uma maior resistência mecânica. Pode ser realizado entre as

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temperaturas de 200°C a 280°C, dependendo da porcentagem de redução aplicada na laminação a frio.

ESTABILIZAÇÃO

Nas ligas ALMG (série 5XXX) ocorre uma perda de propriedades mecânicas do material deformado a frio, após alguns dias em temperatura ambiente.

Para contornar esse inconveniente, aplica-se uma porcentagem de deformação mais alta do que a necessária para atingir-se determinado nível de propriedades mecânicas (determinada com base em uma curva de encruamento para material estabilizado) e, depois, aquece-se o material em temperaturas ao redor de 150 o C, para acelerar a recuperação (têmperas H3X). Este tratamento serve para aliviar a tensão residual dos materiais encruados e para aumentar a resistência à corrosão das ligas de ALMG.

DIAGRAMA DE FASE

O magnésio produz substancial solubilidade no alumínio e uma grande diminuição da solubilidade do sólido (14,9% em peso a 451oC) com a diminuição da temperatura, as ligas de alumínio-magnésio não apresentam sensível endurecimento por precipitação com concentrações abaixo de 7% Mg. Entretanto, uma substancial resistência do alumínio ocorre por endurecimento por solução sólida e causando encruamento. Para propósitos gerais e estruturais, as ligas de Al-Mg contém de 1 a pouco mais de 5% Mg e é muito difundida na indústria. Estas são apenas poucas ligas binárias de alumínio-magnésio trabalháveis, como as séries 5005 e 5050. Para aumentar esta resistência, a maioria das ligas de alumínio- magnésio contém um pouco de manganês (0,1 a 1,0%) e/ou cromo (0,1 a 0,2%). Exemplos de ligas Al-Mg com adição de cromo são 5052 e 5154. Enquanto que a liga 5056 é um exemplo que contém manganês e cromo. As ligas alumínio-magnésio têm uma ampla faixa de resistência, boa plasticidade e soldabilidade e alta resistência a corrosão. Uma propriedade proeminente das ligas de alumínio-magnésio é a boa soldabilidade quando, no processo, o arco de solda é protegido por uma atmosfera de argônio, formando uma liga de alta resistência. O magnésio, na maioria das ligas alumínio-magnésio está presente em solução sólida. Entretanto, quando a concentração de magnésio nas ligas de Al-Mg excede, aproximadamente, 3,5%, Mg2Al3 pode precipitar a temperaturas baixas no tratamento térmico ou no resfriamento lento a partir de elevadas temperaturas. Como exemplo, temos a liga 5086, que contém 4% de Mg e é trabalhada

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a frio e aquecida em torno de 120 a 1800 C. Nesta liga uma contínua rede de Mg2Al3 pode precipitar nos contornos de grão (Figura abaixo).

Esta estrutura é indesejável uma vez que pode tornar a liga susceptível à trinca por corrosão sobtensão em condições adversas. É então mais desejado neste tipo de liga, um alívio de tensões em altas temperaturas.

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