Baixe Aluminio e suas ligas e outras Notas de estudo em PDF para Cultura, somente na Docsity!
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
FUNDAMENTOS DE ENGENHARIA DE MATERIAIS 5
PROFESSOR: ORESTES ALARCON
Alumínio e Suas Ligas
Estrutura e Propriedades
Texto traduzido e adaptado de: SMITH, Willian F. Structure and
Properties of Enginnering Alloys, 2nd^ ed.: Capther 5: Aluminium
Alloys. New York: McGraw-Hill, Inc, s.d.
Florianópolis – SC
Abril 2003
Autores:
Carlos Alberto B. Martins
Claudio A. Treml Junior
Fabiano Franquini
Lindomeilo José de Souza
Michel Marino Küchler
CAPÍTULO 5 – LIGAS DE ALUMÍNIO
O alumínio aparece em segundo lugar no ranking atrás apenas do ferro e do aço no mercado dos metais. Em 1989 os Estados Unidos produziram 4,03 milhões de toneladas, com recipientes e embalagens abrangendo 26,6% do mercado e 19,1% para outros fins (Tabela 5.1). A Figura 5.1 mostra como a produção de alumínio nos Estados Unidos cresceu rapidamente a partir dos anos 70. O rápido crescimento da indústria do alumínio está atribuído unicamente a combinação das propriedades que fazem deste o mais versátil de engenharia e materiais de construção. O alumínio tem peso leve, porém algumas de suas ligas têm resistência tão alta quanto o aço estrutural. Têm boa condutibilidade elétrica e térmica e alta refletividade a luz e ao calor. Têm alta resistência à corrosão sob as mais altas condições de trabalho e é não-tóxico. O alumínio pode ser fundido e trabalhado em quase todas as formas e pode-se obter grande variedade de formas. Com todas estas propriedades apresentadas, não é surpresa que as ligas de alumínio vêm sendo de primordial importância para engenharia de materiais.
5-1 PRODUÇÃO DE ALUMÍNIO
Redução
O alumínio é um dos elementos metálicos mais abundantes na crosta terrestre, mas sempre ocorre no estado combinado com outros elementos como o Fe, Si e O. A bauxita, hidróxido de alumínio hidratado, é o principal minério utilizado pra a produção do alumínio. Sendo o óxido de alumínio puro extraído da bauxita através do processo Bayer.
TABELA 5-1 - Consumo de alumínio recente por categoria de mercado* 1989 1988 Categoria de mercado (^) Milhões de libra
% de mercado
Milhões de libra
% de mercado
% mudança 1988 - 1989
Edifício e construção 2,858 16,4 2,901 17,2 -1. Transporte 3,341 19,1 3,386 20,1 -1. Bens de consumo duráveis 1,222 7,0 1,296 7,7 -5. Elétricos 1,497 8,6 1,479 8,8 1. Maquinaria e equipamentos 976 5,6 959 5,7 1. Recipientes e embalagens 4,638 26,6 4,489 26,7 3. Outros 585 3,4 593 3,5 -1. Domésticos em geral 15,117 86,7 15,103 89,7 0. Exportação 2,336 13,4 1,734 10,3 34. Remessa líquida ajustada 17.453 100.0 16.837 100.0 3.
O Al(OH) 3 é então refinado, lavado e calcinado à 1100ºC para produção de óxido de alumínio, Al 2 O 3. O óxido de alumínio é dissolvido em um banho de criolita fundida (Na 3 AlF 6 ) e eletrolizado em células eletrolíticas de carbono, usando como ânodo e cátodo o carbono. No processo de eletrólise (processo Hall) o alumínio fundido é depositado no estado líquido no cátodo de carbono, revestindo a parte inferior da soleira do lote eletrolítico, sendo que tenha maior densidade. Durante a eletrólise, o oxigênio é liberado pelo ânodo, quando este ataca o carbono e forma CO e CO 2. O alumínio fundido é periodicamente liberado pelas células e tratado no estado fundido, o que promove a remoção do excesso de óxido e de outros gases. A célula de liberação do alumínio geralmente contém 99,5 a 99,9% de alumínio tendo, como impurezas, principalmente, ferro e silício.
Fabricação primária
REFUSÃO E FUNDIÇÃO. O passo inicial para o processamento do alumínio é a operação de refusão. Primeiro, as fornalhas são carregadas com alumínio liquido vindo das células de redução ou com lingotes que são refundidos. Elementos de liga, lingotes de liga mestre e sucatas são adicionados conforme necessidade. O metal fundido, refundido na fornalha é limpo com a retirada da escória da superfície. No metal liquido retira-se também o fundente por escorificação ou com gás a base de cloro para remover o gás de hidrogênio dissolvido. Quando o gás a base de cloro forma bolha no metal líquido, o gás hidrogênio dissolvido é removido por ações químico- mecânicas. Após o metal estar limpo e desgaseificado é, então, separado e vazado. A forma do lingote como lâminas ou tarugos extrudados são usualmente fundidos em métodos de fundição direta em coquilha. Neste processo o metal fundido é liberado em um molde e solidificado, o fundo do molde é enfraquecido para que o metal possa ser continuamente fundido em lingotes de aproximadamente 14 pés de comprimento. O lingote possui seções de, aproximadamente, 18 por 64 polegadas.
TARUGOS. No caso de lâminas de lingote, quase metade do metal é removido da superfície do lingote por estar em contato com rolos da conformação a quente. Este acabamento assegura a limpeza, polindo a superfície para a fabricação de chapas finas.
PRÉ-AQUECIMENTO OU HOMOGENEIZAÇÃO. Os lingotes de liga laminados são aquecidos de 10 a 24h permitindo a difusão atômica para homogeneizar a estrutura vazada. Muitos constituintes também são adicionadas na solução sólida, assim como a liga 3003 rica em manganês. A
temperatura de pré-aquecimento deve ser mantida abaixo do ponto de fusão dos constituintes com menor ponto de fusão.
LAMINAÇÃO A QUENTE. Os lingotes pré-aquecidos são reaquecidos à temperatura de laminação a quente e são laminados em quatro rolos de laminação reversos. As placas neste laminador são deformadas com espessura de 3 polegadas, então, são reaquecidas e mais adiante reduzidas de ¾ de 1 polegada em uma laminação intermediária. A redução é usualmente conduzida fora do processo de laminação a quente para produzir metal com 0,1 polegada de espessura.
LAMINAÇÃO A FRIO. Depois do recozimento intermediário, o metal é laminado a frio até a espessura desejada. Tratamentos de recozimento intermediário podem ser requeridos. A quantidade máxima de redução que pode ser adquirida no simples passe através do laminador depende da liga e do tratamento da placa sendo laminada. A redução percentual pode variar entre 30 - 65%. O recozimento final das chapas finas pode ser necessário. Quando se deseja uma camada de óxido muito pequena, utiliza-se fornos especiais de atmosfera inerte.
5-2 CLASSIFICAÇÃO E DESIGNAÇÃO DOS TRATAMENTOS DAS LIGAS DE ALUMÍNIO
Classificação
ALUMÍNIO E LIGAS DE ALUMÍNIO TRABALHADOS. O sistema de quatro dígitos numéricos é usado para identificar alumínio e ligas de alumínio trabalhados. O primeiro dígito indica o grupo da liga. O penúltimo dígito identifica a liga de alumínio ou a pureza do alumínio. O segundo dígito indica a modificação da liga original ou limites de impureza. A tabela 5.2 lista os grupos de ligas de alumínio trabalhadas.
Magnésio 5xx.x Zinco 7xx.x Titânio 8xx.x Outros elementos 9xx.x Séries não usuais 6xx.x
Designação de Tratamento
A designação de tratamento segue a designação de ligas e são separadas por um hífen. As subdivisões básicas do recozimento são representadas pela adição de um ou mais dígitos (Ex.: 3003-H14).
DESIGNAÇÃO BÁSICA DE TRATAMENTO
F. Como fabricado. Sem controle sobre a quantidade de endurecimento por deformação; não limita as propriedades mecânicas. O. Recozimento e recristalização. Tratamento com menor resistência e maior ductilidade. H. Endurecimento por deformação (abaixo segue as subdivisões). T. Tratamento térmico para obter estruturas estáveis além de F ou O (abaixo segue as subdivisões).
SUBDIVISÕES DO ENDURECIMENTO POR DEFORMAÇÃO
H1 Apenas endurecido por deformação. O grau de encruamento é indicado pelo segundo dígito e varia de 1/4 de dureza (H12) até a dureza total (H18), que é produzida com a redução de 75% de área. H2 Endurecimento por deformação e recozimento parcial. Percorrendo de H12 até H obtidos por recozimento parcial de materiais trabalhados a frio com resistência inicialmente mais alta que a desejada. A denominação das ligas é H22, H24, H26 e H28. H3 Endurecido por deformação e estabilizado. Tratadas por um superenvelhecimento, as ligas de alumínio-magnésio que são, encruadas e então aquecidas a baixa temperatura, aumentam a ductilidade e estabilizam as propriedades mecânicas. A denominação das ligas é H32, H34, H36 e H38.
SUBDIVISÕES DE TRATAMENTO TÉRMICO
W Tratamento de solubilização T Endurecido por envelhecimento T1 - resfriamento a partir da temperatura de fabricação e naturalmente envelhecido T2 - resfriamento a partir da temperatura de fabricação, deformação a frio e naturalmente envelhecido T3 – tratamento de solubilização, deformação a frio e envelhecimento natural T4 – tratamento de solubilização e envelhecimento natural T5 - resfriamento na temperatura de fabricação e envelhecimento artificial T6 – solubilização e envelhecimento artificial T7 – solubilização e estabilizado por superenvelhecimento T8 – solubilização, deformação a frio e envelhecimento artificial T9 – solubilização, envelhecimento artificial e deformação a frio T10 - resfriado a partir da temperatura de fabricação, deformação a frio e envelhecimento artificial
TABELA 5-4 - Composições químicas e aplicações de ligas de alumínio puras comerciais. Ligas % de pureza % de Silício % de Ferro % de Cobre Aplicações 1050 99.50 0.25 0.40 0.05 Tubo bobinado, extrudado 1060 99.60 0.25 0.35 0.05 Equipamento químico, tanquesde carros ferroviários 1100 99.00 1.0 Si + Fe 0.12 nom. Chapa fina de metal trabalhada 1145 99.45 0.55 Si + Fe 0.05 Lâminas para capacitores 1175 99.75 0.15 Si +Fe 0.10 Chapas finas refletoras 1200 99.00 1.0 Si + Fe 0.05 Tubo bobinado, extrudado;chapa de metal trabalhada 1230 99.30 0.7 Si + Fe 0.10 Revestimento de chapas fina echapas grossas 1235 99.35 0.65 Si + Fe 0.05 Lâminas para capacitores;tubos 1345 99.45 0.30 0.40 0. 1350 99.50 0.10 0.40 0.05 Condutores elétricos
5.3 ALUMÍNIO COMERCIALMENTE PURO
Composição Química e Aplicações Típicas
A pureza do alumínio comercial varia de 99,3% à 99,7% de Al. O alumínio de alta pureza é utilizado para aplicações como ligas condutoras elétricas e placas refletoras. O metal de baixa
Propriedades Mecânicas
As propriedades mecânicas para o alumínio comercial puro estão listados na Tabela 5.5. O limite de resistência a tração para 99,99% Al recozido é de, aproximadamente, 6,5 Ksi, com um limite elástico de 1,5 Ksi e uma elongação de 50%. Este alumínio super puro não retém a dureza por deformação a temperatura ambiente, e provavelmente recristalizará. Conforme o nível de impureza é aumentado, a resistência do alumínio comercial puro aumenta também, alcançando um máximo da série 1xxx, na liga 1100. A liga 1100 com dureza máxima tem um limite de escoamento de aproximadamente 24 Ksi, com um limite elástico de 22 Ksi e uma elongação de apenas 5%.
TABELA 5.5 - Propriedades mecânicas típicas do alumínio puro comercial
Liga Recozimento
limite de resistência à tração, psi
limite de resistência elástica, psi
Elongação, %
Dureza, Bhn
tensão de cisalhamento, psi
resistência à fadiga, psi 1199 O^ 6.500^ 1.500^50 H18 17.000 160.000 5 1180 O^ 9.000^ 3.000^45 H18 18.000 17.000 5 O 10.000 4.000 43 19 7.000 3. 1060 H14 14.000 13.000 12 26 9.000 5. H18 19.000 18.000 6 35 11.000 6. O 12.000 4.000 23 8. EC H14 16.000 14.000 10. H19 27.000 24.000 2, 1145 O^ 11.000^ 5.000^40 8. H18 21.000 17.000 5 12. 1100 O 13.000 5.000 35 23 9.000 5. H14 18.000 17.000 9 32 11.000 7.
FIGURA 5- 4 Lâmina metálica da liga 1100-0, laminada a frio e recozida. Recristralizada, grãos equiaxiais e partículas insolúveis de FeAl 3 (preto). Tamanho e distribuição de FeAl 3 na estrutura trabalhada não são afetados pelo recozimento. (0.5% ácido fluorídrico hidratado; 500X). (After Metals Handbook, 8 ed., vol. 7 Americam Society for Metals, 1972, p. 242.)
H18 24.000 22.000 5 44 13.000 9.
5-4. LIGA DE ALUMÍNIO – MANGANÊS
Composição Química e Aplicações Típicas
A adição de 1,2% Mn no alumínio comercial puro (0,6% Fe e 0,2% Si) produz uma moderada resistência a liga de alumínio não tratada termicamente. A adição de manganês aumenta a resistência da liga por solução sólida e pela fina dispersão de precipitados. Esta resistência pode ser aumentada pela adição de aproximadamente 1% de magnésio. Estas ligas são geralmente utilizadas quando moderada resistência e boa trabalhabilidade são necessárias. A Tabela 5.6 lista a composição química e aplicações para as ligas de alumínio-manganês- magnésio.
Tabela 5.6 - Composição química e aplicações da liga alumínio-manganês Ligas % Mn % Mg % Cu Aplicações 3003 1,2 0,12 Utensíliospressão, folhas serradas, ferramentas para construção^ de^ cozinha,^ equipamentos^ químicos,^ cilindros^ de 3004 1,2 1,0 Folhas serradas, tanques de estocagem, cilindros de pressão 3005 1,2 0,4 Produtos de construção civil, calhas 3105 0,5 0,5 Produtos de construção civil, calhas
FIGURA 5- 5 Liga recozida 3003 (1,2% Mn); a estrutura consiste em uma fina dispersão de (Mn, Fe)Al 6 e α(Al-Fe-Mn-Si) precipitados. (0.5% ácido fluorídrico hidratado; 500x.) (After F. Keller in “Physical Metallurgy of Aluminum Alloys”, American Society of Metals, 1949, pág. 106.)
Composição Química e Aplicações Típicas
As ligas binárias de alumínio-magnésio servem de base para a série 5xxx das ligas de alumínio não tratadas termicamente. Todavia 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 (figura 5.7), 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. A tabela 5.8 lista composição química e aplicações das ligas de alumínio-magnésio. 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. Muitas ligas de alumínio-magnésio têm sido desenvolvidas para acabamentos e decorações. Na redução da quantidade de ferro, silício e outras impurezas, uma série de ligas decorativas^1 foram criadas. Como exemplos temos 5053 e 5252 e as ligas 5x57 como 5357, 5457 e 5657. 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.
TABELA 5.7 - Propriedades mecânicas típicas de ligas de alumínio-manganês e alumínio- manganês-magnésio sem tratamento térmico
Liga Têmpera Resistênciaà tração psi
Limite de resistência elástica psi
elongação % em 2 in
Dureza Bhn
tensão de cisalhamento psi
resistência à fadiga psi 3003 O 16.000 6.000 30 28 11.000 7. H14 22.000 21.000 8 40 14.000 9. H18 29.000 27.000 4 55 16.000 10. 3004 O 26.000 10.000 20 45 16.000 14. H34 35.000 29.000 9 63 18.000 16. H38 41.000 36.000 5 77 21.000 18. 3005 O 19.000 8.000 25 12. H18 35.000 33.000 4 18. 3105 H25 26.000 24.000 8 16.
(^1) Impurezas como ferro e silício são especialmente requeridas para promover o brilho caracteríestico das ligas de alumínio para acabamento.
TABELA 5.8 - Composição química e aplicações da liga alumínio-magnésio Liga % Composição Aplicações 5005 0,8 Mg Peças, utensílios, enfeites arquitetônicos, condutores elétricos 5050 1,4 Mg Ferramentas para construção, enfeites de refrigeradores, tubos em espiral 5052 2,5 Mg, 0,25 Cr Chapas serradas, tubos hidráulicos, peças 5056 0,12 Mn, 5,1 Mg, 0,12 Cr Cabos revestidos, rebites para magnésio, telas metálicas 5083 0,7 Mn, 4,45 Mg, 0,15 Cr 5086 0,45 Mn, 4,0 Mg, 0,15 Cr
Impróprio para cilindro de pressão; utilização marinha, automotiva, partes de aeronaves, criogênica, torre de TV, aparelhos de perfuração, componentes de mísseis, capas para couraças 5154 3,5 Mg, 0,25 Cr Estruturas soldadas, tanques para armazenamento, cilindros de pressão, serviços em água salgada 5252 2,5 Mg Automobilístico e peças de enfeite 5254 3,5 Mg, 0,25 Cr Peróxido de hidrogênio e tanques de estoque químico 5356 0,12 Mn, 5,0 Mg, 0,12 Cr Eletrodo de solda, arame e eletrodos 5454 0,8 Mn, 2,7 Mg, 0,12 Cr Estruturas soldadas, cilindros de pressão, serviços marinhos, tubos 5456 0,8 Mn, 5,1 Mg, 0,12 Cr Estruturas soldadas de alta resistência, tanques de estocagem, cilindros de pressão, serviços marinhos 5457 0,3 Mn, 1,0 Mg Peças de enfeite (boa plasticidade em recozimento) 5652 2,5 Mg, 0,25 Cr Peróxido de hidrogênio e tanques de estocagem química 5657 0,8 Mg Peças de enfeite (bom brilho)
Estrutura 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%, Mg 2 Al 3 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% Mg é trabalhada a frio e aquecida em torno de 120 a 180oC. Nesta liga uma contínua rede de Mg 2 Al 3 pode precipitar nos contornos de grão (Fig. 5.8). Esta estrutura é indesejável uma vez que pode tornar a liga susceptível a trinca por corrosão sob tensão em condições adversas. É então mais
FIGURA 5- 7
Diagrama de fases alumínio- magnésio. [After K. R. Van Horn (ed.), “Aluminum”, vol. 1 , American Society for Metals, 1967, pág. 375.]
Propriedades Mecânicas
As propriedades mecânicas das ligas de alumínio-magnésio trabalhadas e não tratáveis termicamente estão listadas na tabela 5.9. O limite de resistência à tração das ligas comerciais alumínio-magnésio, recozidas, varia de 18 ksi, para liga 5005-O, e 45 ksi, para liga 5456-O. As ligas 5083-O e 5086-O têm uma leve redução na resistência (42 e 38 ksi, respectivamente) quando comparado a 5456-O. Produtos conformados da liga alumínio-magnésio estão sempre disponíveis no tratamento de recozimento do tipo O, e usualmente no tratamento H3. O tratamento H3 é geralmente usado em produtos endurecidos por deformação, uma vez que o tratamento H usualmente não é estável a temperatura ambiente. O tratamento H3 produz propriedades estáveis com altos níveis de elongação e melhores características plásticas. Embora as ligas de alumínio-magnésio sejam classificadas em não tratáveis termicamente, a quantidade de magnésio solúvel nas temperaturas de recozimento para as ligas Al-Mg, com mais que 4% Mg (como a 5083, 5086, 5056 e 5456), é maior que a retida em solução-sólida na temperatura ambiente. Como resultado, se estas ligas são severamente encruadas e mantidas por um longo tempo a temperatura ambiente, ocorrerá a precipitação de Mg 2 Al 3 ao longo de bandas de deslizamento. Também, se estas ligas são expostas a altas temperaturas em condições de recozimento, a precipitação ocorrerá ao longo de contornos de grãos. Esta precipitação torna essas ligas susceptíveis a corrosão intergranular em ambiente corrosivo. Por esta razão, o tratamento H3xx tem sido desenvolvido para eliminar ou minimizar esta instabilidade, então essas ligas possuem alta resistência.
TABELA 5.9 - Propriedades Mecânicas das ligas de alumínio-magnésio trabalhadas e não tratáveis termicamente
Liga (^) térmicoTrat.
limite de resistência à tração, psi
limite de resistênci elástica, psi
elongação % em 2 polegadas
Dureza , Bhn
tensão de cisalhamento, psi
resistência à fadiga, psi 5005 O 18.000 6.000 30 30 11. H14 23.000 22.000 6 41 14. H34 23.000 20.000 8 41 14. H18 29.000 28.000 4 51 16. H38 29.000 27.000 5 51 16. 5050 O 21.000 8.000 24 36 15.000 12. H34 28.000 24.000 8 53 18.000 13. H38 32.000 29.000 6 63 20.000 14. 5052 O 28.000 13.000 25 47 18.000 16. H34 38.000 31.000 10 68 21.000 18.
H38 42.000 37.000 7 77 24.000 20.
5056 O 42.000 22.000 35 65 26.000 20.
H18 63.000 59.000 10 105 34.000 22.
H38 60.000 50.000 15 100 32.000 22.
5082 H19 57.000 54.000 4
5083 O 42.000 21.000 22 67 25.000 22.
H112 43.000 23.000 20 70 25.000 22.
H321 46.000 33.000 16 82 28.000 22.
H323 47.000 36.000 10 84 27.
H343 52.000 41.000 8 92 30.
5086 O 38.000 17.000 22 60 23.000 21.
H32 42.000 30.000 12
H34 47.000 37.000 10 82 28.000 23.
H112 39.000 19.000 14 64 23.000 21.
5154 O 35.000 17.000 27 58 22.000 17.
H34 42.000 33.000 13 73 24.000 19.
H38 48.000 39.000 10 80 28.000 21.
H112 35.000 17.000 25 63 22.000 17.
5454 O 36.000 17.000 22 60 23.000 19.
H34 44.000 35.000 10 81 26.000 21.
H112 36.000 18.000 18 62 23.
H311 38.000 26.000 14 70 23.
5456 O 45.000 23.000 24 70 27.000 22.
H24 54.000 41.000 12 31.
H112 45.000 24.000 22 70 27.
H311 47.000 33.000 18 75 27.000 24.
H321 51.000 37.000 16 90 30.000 23.
H323 51.000 38.000 10 90 30.
H343 56.000 43.000 8 94 33.
5.6- LIGAS COBRE-ALUMÍNIO
Composições Químicas e Aplicações
O primeiro trabalho desenvolvido em liga binária Alumínio-Cobre foi nos Estados Unidos sobre a liga 2025, a qual contém aproximadamente 5,5% de Cu. Entretanto a liga 2025, introduzida em 1926, está limitada ao uso para materiais forjados. A liga 2219, que contém 6,3% Cu e foi desenvolvida em 1954, tem substituído em muitos casos a liga 2025. A liga 2219 apresenta maior e mais alto campo de resistência, assim como uma boa soldabilidade, superior resistência a tensão de corrosão e melhores propriedades a elevadas temperaturas. A liga 2011 com 5,5% Cu, 0,4% Bi e 0,4% de Pb é usada quando boas características de corte e de cavacos são necessárias para produção em altas velocidades nas máquinas de torno. Esta liga é a liga básica de alumínio para máquinas de tornos e é usada como referência padrão para a usinabilidade destas ligas de alumínio. A tabela 5.10 lista a composição química de ligas cobre-alumínio trabalhadas e suas aplicações.
2 .Têmpera. Depois de a solução estar tratada termicamente a liga é temperada (resfriamento rápido) em água para a temperatura ambiente. Este tratamento produz uma solução sólida supersaturada de cobre no alumínio. A liga Al-4%Cu, nestas condições, não é estável e tende a formar fases metaestáveis de mais baixa energia do sistema. A força motriz para a precipitação da fase metaestável é o estado de alta energia da solução sólida supersaturada instável do cobre no alumínio.
3 .Envelhecimento. Se uma precipitação substancial da fase metaestável ocorrer à temperatura ambiente, é chamado envelhecimento natural. Entretanto, algumas ligas serão endurecidas por envelhecimento natural com uma resistência satisfatória a temperatura ambiente, enquanto a maioria das ligas devem ser endurecidas por envelhecimento a elevadas temperaturas, também chamado de envelhecimento artificial. No caso da liga Al-4%Cu a temperatura para endurecimento por envelhecimento artificial está geralmente entre 130 e 190oC.
ESTRUTURA FORMADA DURANTE O ENVELHECIMENTO DAS LIGAS ALUMÍNIO-COBRE. No endurecimento por precipitação das ligas alumínio-cobre, cinco seqüências de estruturas podem ser identificadas: (1) solução sólidas supersaturada, (2) Zona GP1, (3) zona GP2, também chamada de fase θ”, (4) fase θ' e (5) fase θ, CuAl 2. Nem todas estas fases ocorrem em todas as temperaturas de envelhecimento. As zonas GP1 e GP2 não existem logo acima de suas temperaturas solvus, e as fases θ’ e θ requerem uma temperatura de envelhecimento suficientemente alta para sua formação.
Zona GP1. A Zona GP1 é formada a mais baixas temperaturas (i.e.,abaixo de 130oC) e são criadas pela segregação de átomos de cobre em solução sólida supersaturada na liga Al-Cu. A Zona GP1 consiste em discos de uns poucos átomos finos (4 a 6 Å de espessura) e com aproximadamente 80 a 100 Å de diâmetro, formando planos cúbicos {100} na matriz. Até o
FIGURA 5. Diagrama de fase Al-Cu com final rico em alumínio. [After K. R. Van Horn (ed.), “Aluminium,”vol. 1, Americam Societ for Metals, 1967, p. 372.]
momento não se sabe sobre a estrutura verdadeira da zona GP1, mas análises recentes de Dalgren indicam que a zona GP1 contém baixo percentual em cobre. Uma vez que o cobre tem o diâmetro, aproximadamente 11% menor do que os átomos de alumínio, o parâmetro de rede cúbica da zona é menor do que da matriz, havendo então uma estrutura tetragonalmente tensionada. A zona GP1 pode ser detectada por microscopia eletrônica por causa da associação entre os campos tensionados, como mostra a figura 5.11a. Estas zonas impedem o movimento das discordâncias, gerando aumento da dureza e diminuição da ductilidade da liga Al-4%Cu, como indicado na figura 5.12.
Zona GP2 (θθθθ”). Como no caso da zona GP1, a zona GP2 tem uma estrutura tetragonal e são coerentes com os planos da matriz {100} na liga Al-4%Cu ou tipos similares. Nos primeiros estágios de sua formação, acredita-se que as zonas GP2 contêm baixo percentual de cobre (menos que 17% Cu). Com o aumento do tempo de envelhecimento na temperatura de 130ºC, o conteúdo de cobre aumenta, assim como seu tamanho. O tamanho do campo da zona GP2 está entre 10 e 40 Å de espessura e entre 100 e 1000 Å de diâmetro. A figura 5.11b mostra as zonas GP2 coerentes na liga Al-4%Cu. O parâmetro de rede “c” nos primeiros estágios de envelhecimento é 8,08 Å e diminui para 7,65 Å a medida em que as zonas vão crescendo em estágios posteriores de envelhecimento. Dahlgren acredita que ocorrem estas mudanças porque as zonas tornam-se ricas em cobre. A zona GP2 adiciona um aumento na dureza da liga Al-4%Cu quando envelhecida em temperaturas entre 130ºC e 190ºC, como mostrado na figura 5.12.
Fase θθθθ'. O superenvelhecimento da liga Al-4%Cu ocorre quando forma-se uma fase completamente incoerente e metaestável em significantes quantidades, fase θ’. Esta fase nucleia heterogeneamente, especialmente nas discordâncias. O tamanho da fase θ’ depende do tempo e da temperatura de envelhecimento e alcança um tamanho entre 100 a 6000 Å ou mais no diâmetro e com espessura de 100 a 150 Å. Esta fase tem estrutura tetragonal, mas com uma redução do parâmetro “c” para 5,80 Å. A figura 5.11c mostra os precipitados θ’ na liga Al-4%Cu depois de três dias de envelhecimento a 200ºC. Quando esta fase aparece sozinha, a liga está em condições de superenvelhecimento, como indicado na figura 5.12.
Fase θθθθ. Envelhecendo em temperaturas de aproximadamente 190ºC ou acima desta, por longos
períodos, produzirá uma fase θ incoerente em equilíbrio, CuAl 2. Esta fase tem uma estrutura tetragonal de corpo centrado, TCC, com a = 6,07 Å e c = 4.87 Å. A fase θ pode formar-se da fase θ” ou diretamente da matriz. A fase θ forma-se no excesso da fase θ’ e está presente quando a liga está em condições extremas de superevelhecimento, como indicado na figura 5.12. A seqüência geral da precipitação da liga binária Al-Cu pode ser representada por:
