Aluminio e Suas Ligas

Ligas de alumnio conformadas 1

Marcelo F. Moreira

ALUMNIO E SUAS LIGAS

O alumnio metlico obtido pela reduo eletroltica da alumina (Al2O3) dissolvida em criolita lquida. O processo,

chamado de Hall-Herolut foi desenvolvido em 1886 de maneira independente por Charles Hall (Estados Unidos) e Paul

Heroult (Frana).

As primeiras aplicaes do alumnio foram objetos de decorao como molduras de espelhos, travessas e utenslios

domsticos. Com o tempo, cresceu a diversidade das aplicaes do alumnio, de maneira que, praticamente todos os

aspectos da vida moderna so afetados diretamente ou indiretamente pelo seu uso. Recentemente os maiores

mercados para as ligas de alumnio so 1:

embalagens para alimentos e medicamentos - 34%;

industria automobilstica e de transportes - 21%;

construo civil (fachadas, pontes, torres, tanques de estocagem) - 17%;

cabos e componentes eltricos - 9%;

bens durveis (8%);

indstria de equipamentos e maquinaria - 7% e outros - 4%.

PRINCIPAIS CARACTERSTICAS DO ALUMNIO

Baixo peso. O alumnio apresenta densidade - 2,7 g/cm3, aproximadamente 1/3 da densidade do ao.

Excelente condutividade eltrica e trmica (de 50 a 60% da condutividade do cobre), sendo vantajoso seu emprego

em trocadores de calor, evaporadores, aquecedores, cilindros e radiadores automotivos.

Resistente corroso atmosfrica, corroso em meio aquoso (inclusive gua salgada), leos, e diversos produtos

solventes.

Ductilidade elevada (estrutura CFC) permitindo conformao de componentes com elevadas taxas de deformao.

No ferromagntico (caracterstica importante para aplicaes eletro-eletrnicas)

No txico e portanto, largamente empregado em embalagens

A resistncia mecnica do alumnio puro baixa (~90Mpa), entretanto, so empregados os seguintes mecanismos

de endurecimento:

Endurecimento por soluo slida (ligas no tratveis)

Endurecimento por disperso de partculas (ligas no tratveis)

Encruamento (ligas no tratveis)

Endurecimento por disperso de partculas coerentes ou sub-microscpicas (ligas tratveis termicamente)

A principal limitao do alumnio a sua baixa temperatura de fuso (660 C), o que, limita a temperatura de

trabalho destas ligas.

1 - ASM Handbook v. 2 Properties and selection: non-ferrous alloys 10th edition ASM International


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Relao entre resistncia e peso em diversos materiais

Material Limite de resistncia tpico [MPa]

Densidade [g/cm3] Relao resistncia/peso

7178-T6 607 2,78 218

7075-T6 572 2,75 208

2024-T361 496 2,75 180

5056-H18 434 2,61 166

6066-T6 393 2,67 147

Ao inoxidvel AISI 302 964 7,91 121

6061-T6 310 2,67 116

3004-H38 283 2,67 105

Fibra de vidro 130 1,41 92

1350-H19 186 2,66 70

6063-T5 186 2,70 69

3003-H14 151 2,70 56

Ao carbono AISI 1020 413 7,74 53

Bronze 413 8,26 50

5005-O 124 2,67 46

3003-O 110 2,67 41

PVC 51 1,37 37

1060-O 68 2,65 26

Cobre puro 220 8,78 25

LIGAS DE ALUMNIO 2

Os principais elementos de liga das ligas de alumnio incluem combinaes dos seguintes elementos:

Cobre (Cu);

Magnsio (Mg);

Silcio (Si);

Mangans (Mn) e Zinco (Zn).

De acordo com o produto, as ligas de alumnio podem ser divididas em dois grupos:

LIGAS CONFORMADAS OU TRABALHADAS (wrought alloys) ligas destinadas fabricao de produtos

semi-acabados, como laminados planos (placas, chapas e folhas), laminados no planos (tarugos, barras e

arames) perfis extrudados e componentes forjados. .

LIGAS FUNDIDAS (cast alloys) ligas destinadas a fabricao de componentes fundidos.

Somando-se as ligas conformadas e as ligas fundidas, existem mais de 600 ligas reconhecidas industrialmente.

2- ASM Specialty Handbook Aluminum and aluminum alloys ASM international 1993

Estes dois grupos se subdividem em:


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LIGAS NO-TRATVEIS - No so endurecidas por meio de tratamento trmico

LIGAS TRATVEIS TERMICAMENTE So endurecidas por meio de tratamentos trmicos.

importante destacar que termo tratamento trmico , no seu sentido mais amplo, qualquer operao de

aquecimento ou resfriamento realizada para modificar as propriedades mecnicas, estrutura metalrgica ou estado te

tenses internas de um produto metlico. Nas ligas de alumnio, o tratamento trmico restrito a operaes especficas

utilizadas para aumentar a resistncia e dureza de ligas endurecveis por precipitao (conformadas ou fundidas)

NOMENCLATURA DAS LIGAS CONFORMADAS:

1xxx - Al puro no ligado com 99,00% mnimo de Al

2xxx - ligas contendo COBRE como elemento de liga principal e adies de outros elementos, principalmente

Mg. As ligas da srie 2xxx so largamente empregadas na indstria aeronutica e aeroespacial.

3xxx - ligas contendo MANGANS como elemento de liga principal

4xxx - ligas contendo SILCIO como elemento de liga principal

5xxx - ligas contendo MAGNSIO como elemento de liga principal

6xxx - ligas contendo MAGNSIO e SILCIO como elementos de liga principais

7xxx - ligas contendo ZINCO como elemento de liga principal e adies de Cu, Mg, Cr e Zr.

8xxx Ligas cujas composies apresentam diferentes elementos como Sn ou

Li.

9xxx reservada para uso futuro

APLICAES DAS LIGAS DE ALUMNIO CONFORMADAS

Nomenclatura:

Na srie 1xxx, os dois ltimos dgitos indicam a % de Al acima de 99%. exemplos:

liga 1050 - 99,50% de Al

liga 1060 - 99,60% de Al


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O segundo dgito indica modificaes no limite de impurezas ou a adio de algum elemento de liga. Se o 2o dgito

for 0 (zero), indica que o Al no foi ligado e apresenta o limite de impurezas convencional. Os nmeros entre 1 e 9

indicam controle especial sobre uma ou mais impurezas ou a adio de elementos de liga.

Nas sries 2xxx 8xxx, os dois ltimos dgitos no possuem significado numrico, apenas identificam diferentes

ligas do mesmo grupo (nmero seqencial)

O segundo dgito indica modificaes no limite de impurezas ou a adio de elementos de liga.

Ligas experimentais tambm utilizam este sistema de classificao, porm, so indicadas pelo prefixo X.

SRIE 1XXX

Alumnio comercialmente puro, no ligado, com pureza igual ou superior 99% de Al. Fe e Si so as principais

impurezas.

As ligas da srie 1000 so caracterizadas pela excelente resistncia corroso, alta condutibilidade trmica e

eltrica, baixa resistncia mecnica e elevada ductilidade.

Um aumento moderado na resistncia mecnica pode ser obtido por meio de encruamento.

Aplicaes:

equipamentos de industria qumica;

refletores;

trocadores de calor;

condutores eltricos e capacitores;

embalagens (papel alumnio) e

painis decorativos para uso na construo civil.

SRIE 2XXX

O COBRE o elemento de liga principal e, na maioria das ligas, o Mg o elemento de liga secundrio.

So ligas tratveis termicamente, podendo, aps os tratamentos, atingir-se a resistncia de ao baixo carbono (450

MPa). A resistncia corroso das ligas da srie 2xxx inferior a de outras ligas de alumnio. Sob certas condies estas

pode apresentar corroso intergranular. As ligas desta srie apresentam boa usinabilidade e caractersticas de soldagem

limitadas (exceto a liga 2219).

Aplicaes:

componentes com elevada relao resistncia/peso, sujeitos a temperaturas inferiores

130C;

rodas forjadas para a indstria aeronutica e de caminhes ; fuselagem e

componentes estruturais de aeronaves (vide figura); componentes de suspenso de

automveis.


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SRIE 3XXX

O MANGANS o elemento de liga principal.

As ligas desta srie no so tratveis termicamente, entretanto, apresentam resistncia 20% superior que ligas da srie

1xxx. Devido a baixa solubilidade de Mn no Al (de at 1,8%) existem poucas da srie 3xxx. Entretanto trs delas so

largamente empregadas na indstria: 3003, 3004 e 3105.

Aplicaes:


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componentes de resistncia mecnica baixa que exijam elevada ductilidade;

latas de bebidas;

utenslios de cozinha;

trocadores de calor;

tanques de armazenamento;

sinalizao rodoviria e

painis decorativos e telhados para uso na construo civil.

SRIE 4XXX

O SILCIO o elemento de liga principal.

A maior parte das ligas desta srie no so tratveis termicamente. O Si pode ser adicionado para abaixar a

temperatura de fuso sem provocar fragilidade excessiva, assim, ligas Al-Si so utilizadas em arames de solda ou como

ligas para brazagem de Al (soldagem de Al).

A liga 4032 empregada na fabricao de pistes forjados devido ao baixo coeficiente de expanso e sua alta

resistncia ao desgaste

Ligas contendo entre 4 e 7% de Si apresentam cores que variam do cinza ao negro aps serem submetidas a

anodizao e assim so utilizadas em painis decorativos na construo civil.

Aplicaes:

uso em arquitetura e construo civil; fios, arames e

ps para brazagem.


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SRIE 5XXX

O MAGNSIO o elemento de liga principal. O Mg um dos elementos mais efetivos no endurecimento do Al.

Quando utilizado como elemento principal ou em conjunto com o Mn, o resultado so ligas no tratveis com resistncia

moderada elevada. O Mg considerado mais efetivo que o Mn como endurecedor, (0,8% de Mg tem o mesmo efeito

sobre a resistncia que 1,25% de Mn) e ainda, pode ser adicionado em quantidades elevadas (~15%).

Ligas desta srie possuem boas caractersticas de soldagem e resistncia corroso em atmosfera marinha.

Aplicaes:

Uso em arquitetura e decorao;

embalagens (tampas de latas de Al);

suportes para iluminao pblica;

peas de barcos e navios;

tanques para criogenia e

componentes de guindastes e automotores.

SRIE 6XXX

O MAGNSIO e o SILCIO so os elementos de liga principais.

A proporo de Mg e Si visa a formao da fase Mg2Si, formando ligas tratveis termicamente. As ligas da srie 6xxx

apresentam boa ductilidade, boas caractersticas de soldagem e de usinagem e boa resistncia corroso.


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Aplicaes:

Uso em arquitetura e decorao;

quadros de bicicletas ;

estruturas soldadas

SRIE 7XXX

O ZINCO o elemento de liga principal, adicionado em quantidades entre 1 e 8%. Adies em conjunto com

Mg resultam em ligas tratveis termicamente com resistncia mecnica elevada. Normalmente, Cu e Cr tambm so

adicionados em pequenas quantidades.

Aplicaes:

componentes da indstria aeronutica como estruturas, peas mveis e componentes de alta resistncia.

SRIE 8XXX

As ligas da srie 8xxx envolvem um grande nmero de composies com uma miscelnea de elementos de liga.

As ligas conformadas contendo Li (2,4% a 2,8%) foram desenvolvidas para uso aerospacial e criogenia.

NOMENCLATURA DOS ESTADOS DE ENDURECIMENTO DAS LIGAS DE ALUMNIO

F - como fabricado Refere-se a condio resultante aps qualquer tipo de processamento (laminao a

frio, laminao a quente, fundio e etc.) em que no foram realizados controles sobre a velocidade de

resfriamento ou quantidade de encruamento empregados.

O (oh)) recozido Nos produtos conformada, refere-se a produtos que sofreram recozimento visando a

reduo do limite de resistncia e aumento de ductilidade. Nos produtos fundidos, indica um recozimento

para alvio de tenses e estabilidade dimensional.

H endurecido por encruamento Refere-se a produtos endurecidos por encruamento, podendo ou no

apresentar tratamentos trmicos. O sulfixo H seguido por dois pi mais dgitos:


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H1- produtos conformados que apresentam encruamento e no sofreram nenhum tratamento

suplementar.

H2- produtos encruados e parcialmente recozidos para um determinado valor de dureza. Os dgitos

seguintes a H2 indicam a quantidade de encruamento residual aps o produto ser parcialmente recozido.

H3 produtos encruados e envelhecidos naturalmente para um determinado valor de dureza.

T tratado termicamente refere-se aos produtos que sofreram tratamentos trmicos visando aumento

de resistncia. O sulfixo T seguido por dois pi mais dgitos:

T1 produtos resfriados a partir da temperatura de conformao mecnica a quente e envelhecidos

naturalmente para uma condio de propriedades mecnicas estveis.

T2 produtos resfriados a partir da temperatura de conformao mecnica a quente, encruados e

envelhecidos naturalmente para uma condio de propriedades mecnicas estveis.

T3 produtos solubilizados, encruados e envelhecidos naturalmente para uma condio de propriedades

mecnicas estveis.

T4 produtos solubilizados e envelhecidos naturalmente para uma condio de propriedades mecnicas

estveis.

T5 - produtos resfriados a partir da temperatura de conformao mecnica a quente e envelhecidos

artificialmente.

T6 produtos solubilizados e envelhecidos artificialmente.

T7 - produtos solubilizados e superenvelhecidos ou estabilizados.

T8 produtos solubilizados, encruados e envelhecidos artificialmente. T9 produtos solubilizados,

envelhecidos artificialmente e encruados.

T10 produtos resfriados a partir da temperatura de conformao mecnica a quente, encruados e

artificialmente.

TRATAMENTOS TRMICOS DE SOLUBILIZAO E ENVELHECIEMNTO DAS LIGAS DE ALUMNIO

Tomaremos como exemplo, o resfriamento lento de uma liga do sistema Al-Cu contendo 4,5% de Cu 0u 94,5% de Al.


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SOLUBILIZAO

A solubilizao tem como objetivo solubilizar a fase endurecedora, mantendo a liga em uma condio

metaestvel.

ENVELHECIMENTO

O envelhecimento tem como objetivo a precipitao controlada da fase endurecedora na matriz previamente

solubilizada. A temperatura e o tempo de envelhecimento determinam a mobilidade dos tomos de Cu, que tendem a

formar a fase .

Nas ligas de alumnio tratveis, o envelhecimento realizado em temperaturas de at 280C (dentro do campo

+ ) por um intervalo de tempo precisamente determinado. A combinao temperatura e tempo de envelhecimento

determinam as caractersticas da disperso da fase . Para uma determinada temperatura existe um tempo timo em

que a disperso de precipitados , na maior parte, coerente provocando o endurecimento mximo da liga.


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CURVAS DE ENVELHECIMENTO:

A figura abaixo apresenta o aspecto tpico de curvas de envelhecimento. Note que quanto maior a temperatura de

envelhecimento, o ponto de resistncia mxima ocorre mais rpido, porm com um valor de resistncia menor.


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SUPERENVELHECIMENTO

O superenvelhecimento caracterizado pela reduo da resistncia mecnica com o tempo de envelhecimento.

Quando o tempo de envelhecimento superior ao ponto de resistncia mxima, os precipitados coerentes de fase

aumentam de tamanho e tornam-se incoerentes, diminuindo a resistncia mecnica.


Marcelo F. Moreira

Lista de exerccios - ligas de alumnio

1- Especificar os ciclos trmicos (temperatura, tempo e meio de resfriamento) para os tratamentos trmicos de

solubilizao e envelhecimento dos seguintes componentes:

a) componente em liga 2014 (%Cu = 4,5%) com 250mm no qual se objetiva limite de escoamento mnimo

de 400MPa.

b) componente em liga 2024 (% Cu = 4,5%) com 100mm no qual se objetiva limite de escoamento de 435

20 MPa.

c) componente em liga 6061 (temperatura de solubilizao = 530C) com 50mm no qual se objetiva limite

de escoamento de 255 20 MPa.

OBS- #1 - utilizar unidades do SI

#2 - o tempo de permanncia (tp) na temperatura de tratamento para que a temperatura do ncleo do

componente seja igual a temperatura de sua superfcie dado pela equao:

tp = 0,5 x eeq [h] - onde eeq = metade da espessura do componente em polegadas.

2- Por que as ligas tratveis (solubilizadas e envelhecidas) apresentam resistncia mais elevada que as ligas no

tratveis? Qual o mecanismo de endurecimento e como ele atua?

3- O que significado das especificaes: 2014 T6; 2017T4 e 6063F.

4- O que o superenvelhecimento e qual o seu efeito sobre as propriedades mecnicas?

5- Qual o efeito do envelhecimento sobre as propriedades mecnicas de:

a) em um componente resfriado lentamente a partir da temperatura de solubilizao (recozido) e

b) em um componente que acabou de sofrer conformao mecnica e sofreu resfriamento mais acelerado

(condio F).


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