TRATAMENTO TÉRMICO EM LIGAS DE

ALUMÍNIO -ENDURECIMENTO POR

PRECIPITAÇÃO

S.J. dos Campos

Materiais AeronáuticosMateriais Aeronáuticos

Prof. Dr. FERNANDO CRUZ Prof. Dr. FERNANDO CRUZ BARBIERIBARBIERI

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1 – Introdução1 – Introdução

O O tratamento térmicotratamento térmico do alumínio refere-se aos processos básicos de do alumínio refere-se aos processos básicos de aquecimento e/ou resfriamento controladosaquecimento e/ou resfriamento controlados do metal, com o principal do metal, com o principal objetivo de gerar benefícios e objetivo de gerar benefícios e melhorar as características metal-melhorar as características metal-mecânicasmecânicas das peças produzidas em alumínio; das peças produzidas em alumínio;

Existem Existem ligas de alumínioligas de alumínio que são tratáveis termicamente, geralmente que são tratáveis termicamente, geralmente pelos processos de pelos processos de solubilização e posterior envelhecimentosolubilização e posterior envelhecimento, no , no entanto, nem todas as ligas de alumínio são consideradas termicamente entanto, nem todas as ligas de alumínio são consideradas termicamente tratáveis para aumento de suas caraterísticas metal-mecânicas;tratáveis para aumento de suas caraterísticas metal-mecânicas;

Existem ligas de alumínio que só aumentam essas características Existem ligas de alumínio que só aumentam essas características (dureza e resistência, por exemplo) após um algum processo de (dureza e resistência, por exemplo) após um algum processo de conformação mecânica e encruamento (laminação é um exemplo de conformação mecânica e encruamento (laminação é um exemplo de processo);processo);

Pode-se dizer que as Pode-se dizer que as ligas tratáveis termicamenteligas tratáveis termicamente são as dos grupos são as dos grupos 2XXX, 6XXX, 7XXX e 8XXX e 2XXX, 6XXX, 7XXX e 8XXX e as que só aumentam suas características as que só aumentam suas características metal-mecânicas após conformação, as ligas dos gruposmetal-mecânicas após conformação, as ligas dos grupos 1XXX, 3XXX, 1XXX, 3XXX, 4XXX e 5XXX.4XXX e 5XXX.

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2 – Endurecimento por precipitação2 – Endurecimento por precipitação

O objetivo do O objetivo do endurecimento por precipitaçãoendurecimento por precipitação é o de promover a é o de promover a formação de partículas de precipitados no metal alumínioformação de partículas de precipitados no metal alumínio;;

As As partículas dos precipitadospartículas dos precipitados atuam como obstáculos ao movimento atuam como obstáculos ao movimento das discordâncias, e como conseqüência, aumentam a das discordâncias, e como conseqüência, aumentam a resistência resistência mecânica da liga tratada termicamente;mecânica da liga tratada termicamente;

O processo de endurecimento por precipitação envolve três passos:O processo de endurecimento por precipitação envolve três passos:

Solubilização;Solubilização; Têmpera;Têmpera; Envelhecimento.Envelhecimento.

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Partícula de solutoPrecipitado

Planos do solvente

2.1 – Solubilização:2.1 – Solubilização: O tratamento térmico de solubilização consiste em O tratamento térmico de solubilização consiste em aquecer a liga até aquecer a liga até uma temperatura dentro do campo monofásico uma temperatura dentro do campo monofásico e e aguardar nessa aguardar nessa temperatura até que toda a fase temperatura até que toda a fase que está presente seja completamente que está presente seja completamente dissolvidadissolvida. Esse procedimento é seguido de resfriamento rápido, ou . Esse procedimento é seguido de resfriamento rápido, ou têmperatêmpera, até a temperatura ambiente, para prevenir qualquer difusão ou , até a temperatura ambiente, para prevenir qualquer difusão ou formação da fase formação da fase (retida); (retida);

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Campo monofásico

2.1 – Solubilização:2.1 – Solubilização: O objetivo da solubilização é por em solução sólida a maior quantidade O objetivo da solubilização é por em solução sólida a maior quantidade possível de átomos de soluto, deseja-se dissolver ao máximo possível, possível de átomos de soluto, deseja-se dissolver ao máximo possível, todos os elementos presentes na liga de alumínio no próprio alumínio, todos os elementos presentes na liga de alumínio no próprio alumínio, sendo que este deve permanecer no estado sólido, onde a fusão ou o sendo que este deve permanecer no estado sólido, onde a fusão ou o super aquecimento, mesmo que sejam parciais ou localizados, devem ser super aquecimento, mesmo que sejam parciais ou localizados, devem ser evitadosevitados..

Essa dissolução dos elementos presentes na liga, leva um determinado Essa dissolução dos elementos presentes na liga, leva um determinado tempo, em temperatura, para ser concluída e esse tempo deve ser o tempo, em temperatura, para ser concluída e esse tempo deve ser o suficiente para que também haja a total dissolução de todas as fases do suficiente para que também haja a total dissolução de todas as fases do metal (metal (estrutura uniforme e monofásica da solução sólidaestrutura uniforme e monofásica da solução sólida;;

O processo de solubilização é vital para um perfeito envelhecimento O processo de solubilização é vital para um perfeito envelhecimento posterior e é um fator preponderante para o atigimento das posterior e é um fator preponderante para o atigimento das características mecânicas desejadas. características mecânicas desejadas. 

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Tempo

1h

2.1 – Solubilização:2.1 – Solubilização:

  

Solubilização a 500Solubilização a 50000C e 590C e 59000CC

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92,5 m 92,5 m

2.2 – Têmpera:2.2 – Têmpera:

Logo Logo após a solubilizaçãoapós a solubilização, em correta temperatura e tempo, o material , em correta temperatura e tempo, o material deve ser temperado, ou seja, deve ser temperado, ou seja, resfriado rapidamenteresfriado rapidamente;;

Esta etapa do processo térmico de solubilização é de suma importância Esta etapa do processo térmico de solubilização é de suma importância e requer máxima atenção, pois deseja-se que com esse resfriamento e requer máxima atenção, pois deseja-se que com esse resfriamento rápido, a solução sólida super-saturada, que anteriormente estava em rápido, a solução sólida super-saturada, que anteriormente estava em alta temperatura, permaneça idêntica em temperatura ambiente alta temperatura, permaneça idêntica em temperatura ambiente (solução sólida supersaturada de elementos de liga)(solução sólida supersaturada de elementos de liga) ;;

O meio usualmente utilizado para temperar (resfriar) o material é a O meio usualmente utilizado para temperar (resfriar) o material é a águaágua. O resfriamento ao ar permite a formação de precipitados . O resfriamento ao ar permite a formação de precipitados descontroladamente, não proporcionando a melhor resposta possível, descontroladamente, não proporcionando a melhor resposta possível, quando realizar o envelhecimento.  quando realizar o envelhecimento.  

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2.3 – Envelhecimento:2.3 – Envelhecimento:

Logo após a têmpera, inicia-se o Logo após a têmpera, inicia-se o processo de envelhecimentoprocesso de envelhecimento, seja ele , seja ele naturalnatural (a temperatura ambiente) ou (a temperatura ambiente) ou artificial artificial (a uma temperatura mais (a uma temperatura mais elevada e controlada);elevada e controlada);

O tratamento térmico de envelhecimento consiste em O tratamento térmico de envelhecimento consiste em aquecer a liga até aquecer a liga até uma região intermediária, localizada dentro da região bifásica uma região intermediária, localizada dentro da região bifásica + + , onde , onde as taxas de difusão se tornam apreciáveis. A as taxas de difusão se tornam apreciáveis. A fase fase precipitada começa a precipitada começa a se formarse formar na forma de partículas finamente dispersasna forma de partículas finamente dispersas com uma com uma composição enriquecida por soluto. Após o tempo de envelhecimento composição enriquecida por soluto. Após o tempo de envelhecimento apropriado, a liga é resfriada até a temperatura ambienteapropriado, a liga é resfriada até a temperatura ambiente

  

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2.3 – Envelhecimento:2.3 – Envelhecimento:

Este processo de Este processo de envelhecimentoenvelhecimento é realizado em é realizado em temperaturas bem temperaturas bem inferioresinferiores e em e em tempos superiorestempos superiores, se comparado ao processo de , se comparado ao processo de solubilizaçãosolubilização;;

No processo de No processo de envelhecimento naturalenvelhecimento natural, além de , além de não se controlarnão se controlar completamente a completamente a formação dos precipitadosformação dos precipitados que endurecem o material, os que endurecem o material, os tempostempos para a geração destes para a geração destes precipitados são mais longosprecipitados são mais longos, ou seja, , ou seja, a a formação dos precipitados é lenta e demorada, se comparado ao formação dos precipitados é lenta e demorada, se comparado ao envelhecimento artificialenvelhecimento artificial;;

Se o processo de envelhecimento (formação de precipitados) Se o processo de envelhecimento (formação de precipitados) não for não for corretamente controlado pode não se formar a quantidade e a distribuição corretamente controlado pode não se formar a quantidade e a distribuição correta dos precipitadoscorreta dos precipitados, não se atingindo a resistência desejada, ou , não se atingindo a resistência desejada, ou também, pode se gerar um excesso no tamanho dos precipitados, fato que também, pode se gerar um excesso no tamanho dos precipitados, fato que também não proporciona as melhores características mecânicas. Este também não proporciona as melhores características mecânicas. Este segundo caso, é conhecido como super-envelhecimento. segundo caso, é conhecido como super-envelhecimento. 

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3 – Liga família 2XXX (2024):3 – Liga família 2XXX (2024):

Essa família é indicada para esse tipo de tratamento, pois como o cobre Essa família é indicada para esse tipo de tratamento, pois como o cobre é o principal elemento de liga neste grupo; é o principal elemento de liga neste grupo;

Tomaremos como exemplo a Tomaremos como exemplo a liga 2024liga 2024 (liga do sistema Al-Cu contendo (liga do sistema Al-Cu contendo 4,5% de Cu 0u 94,5% de Al);4,5% de Cu 0u 94,5% de Al);

Possui cerca de Possui cerca de 4% de peso na liga4% de peso na liga, o , o cobre se solubiliza no alumínio cobre se solubiliza no alumínio acima de 515acima de 51500C.C.

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3 – Liga família 2XXX (2024):3 – Liga família 2XXX (2024):

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4 – Etapas do tratamento térmico:4 – Etapas do tratamento térmico:

A solubilização tem como objetivo solubilizar a fase endurecedora, A solubilização tem como objetivo solubilizar a fase endurecedora, mantendo a liga em uma condição metaestável.mantendo a liga em uma condição metaestável.

O envelhecimento tem como objetivo a precipitação controlada da fase O envelhecimento tem como objetivo a precipitação controlada da fase endurecedora na matriz previamente solubilizada. A temperatura e o endurecedora na matriz previamente solubilizada. A temperatura e o tempo de envelhecimento determinam a mobilidade dos átomos de Cu, tempo de envelhecimento determinam a mobilidade dos átomos de Cu, que tendem a formar a fase θ.que tendem a formar a fase θ.

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4 – Etapas do tratamento térmico: 4 – Etapas do tratamento térmico: tempo de envelhecimento determinam a tempo de envelhecimento determinam a mobilidade dos átomos de Cu, que tendem a formar a fase θ.mobilidade dos átomos de Cu, que tendem a formar a fase θ.

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4 – Etapas do tratamento térmico:4 – Etapas do tratamento térmico:

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4 – Etapas do tratamento térmico:4 – Etapas do tratamento térmico:

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vídeo

5 – Nucleação dos precipitados:5 – Nucleação dos precipitados:

Os átomos supersaturados tendem a se acumular ao longo de planos Os átomos supersaturados tendem a se acumular ao longo de planos craistalinos específicos. A concentração de átomos de cobre (soluto) craistalinos específicos. A concentração de átomos de cobre (soluto) nessas posições abaixa a concentração em outras áreas, produzindo nessas posições abaixa a concentração em outras áreas, produzindo menos supersaturação, e assim sendo, uma estrutura cristalina mais menos supersaturação, e assim sendo, uma estrutura cristalina mais estável;estável;

Neste estágio, os átomos de cobre não terão formado uma fase Neste estágio, os átomos de cobre não terão formado uma fase totalmente distinta, uma coerência de espaçamento atômico existe totalmente distinta, uma coerência de espaçamento atômico existe através de uma fronteira;através de uma fronteira;

Movimentos de discordâncias ocorrem com maior dificuldade nessas Movimentos de discordâncias ocorrem com maior dificuldade nessas regiões, consequentemente o metal, sob altas pressões, se torna mais regiões, consequentemente o metal, sob altas pressões, se torna mais duro e mais resistente às deformações. duro e mais resistente às deformações.

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5 – Nucleação dos precipitados:5 – Nucleação dos precipitados:

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5 – Nucleação dos precipitados:5 – Nucleação dos precipitados:

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vídeo

6 – Superenvelhecimento:6 – Superenvelhecimento:

O O superenvelhecimento superenvelhecimento é caracterizado pela redução da resistência é caracterizado pela redução da resistência

mecânica com o tempo de envelhecimento. Quando o tempo de mecânica com o tempo de envelhecimento. Quando o tempo de

envelhecimento é superior ao ponto de resistência máxima, os envelhecimento é superior ao ponto de resistência máxima, os

precipitados coerentes de fase θ aumentam de tamanho e tornam-se precipitados coerentes de fase θ aumentam de tamanho e tornam-se

incoerentes, incoerentes, diminuindo a resistência mecânicadiminuindo a resistência mecânica

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7 – Condições do tempo de envelhecimento e tensão de escoamento:7 – Condições do tempo de envelhecimento e tensão de escoamento:

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0 1 10 100

Sub-envelhecimento Super envelhecimento

7 – Condições do tempo de envelhecimento e tensão de escoamento:7 – Condições do tempo de envelhecimento e tensão de escoamento:

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Solubilizado CP2

Envelhec 1/2h CP3

Alumínio CP1

Envelhec 6h CP5Envelhec 24h CP 6

Envelhec 2h CP4

8 – Aplicação do envelhecimento8 – Aplicação do envelhecimento Um exemplo interessante de utilização do processo de envelhecimento é o modo pelo Um exemplo interessante de utilização do processo de envelhecimento é o modo pelo

qual é utilizado na construção de aviões;qual é utilizado na construção de aviões;

Rebites de alumínio são mais fáceis de guiar e se ajustam mais perfeitamente se forem Rebites de alumínio são mais fáceis de guiar e se ajustam mais perfeitamente se forem macios e dúcteis, mas nesta condição, falta-lhes a resistência desejada;macios e dúcteis, mas nesta condição, falta-lhes a resistência desejada;

Assim sendo, os fabricantes selecionam uma liga de alumínio que possa ser temperada Assim sendo, os fabricantes selecionam uma liga de alumínio que possa ser temperada como uma solução supersaturada, mas que irá envelhecer à temperatura ambiente;como uma solução supersaturada, mas que irá envelhecer à temperatura ambiente;

Os rebites são inseridos nos componentes a ligar, enquanto ainda estão relativamente Os rebites são inseridos nos componentes a ligar, enquanto ainda estão relativamente maiores e dúcteis, endurecendo após a montagem ;maiores e dúcteis, endurecendo após a montagem ;

Uma vez que eles endurecem muito rapidamente na temperatura ambiente, surge um Uma vez que eles endurecem muito rapidamente na temperatura ambiente, surge um problema prático de retardamento do processo de endurecimento se os rebites não problema prático de retardamento do processo de endurecimento se os rebites não forem usados imediatamente após o tratamento de solubilização ;forem usados imediatamente após o tratamento de solubilização ;

Uma vez que sejam conhecidos os efeitos de temperatura na taxa de ração de Uma vez que sejam conhecidos os efeitos de temperatura na taxa de ração de envelhecimento, tudo poderá ser controlados;envelhecimento, tudo poderá ser controlados;

Após o tratamento de solubilização os rebites são guardados num refrigerado, onde a Após o tratamento de solubilização os rebites são guardados num refrigerado, onde a baixa temperatura irá retardar o endurecimento por um tempo razoável.baixa temperatura irá retardar o endurecimento por um tempo razoável.

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9 - Metodologia 9 - Metodologia

As amostras sofreram tratamento térmico de solubilização a 540°C por As amostras sofreram tratamento térmico de solubilização a 540°C por 1 hora, seguido de resfriamento em água (Têmpera à +/- 201 hora, seguido de resfriamento em água (Têmpera à +/- 2000C).C).

Após a solubilização e têmpera, o tratamento de envelhecimento foi Após a solubilização e têmpera, o tratamento de envelhecimento foi realizado a 190°C, no qual cada amostra foi submetida a um tempo realizado a 190°C, no qual cada amostra foi submetida a um tempo diferente de tratamento: ½ h, 2h, 6h, 12h e 24h, seguido de diferente de tratamento: ½ h, 2h, 6h, 12h e 24h, seguido de resfriamento lento. Para efeito de comparação, uma amostra foi resfriamento lento. Para efeito de comparação, uma amostra foi somente solubilizada e uma outra sem tratamento.somente solubilizada e uma outra sem tratamento.

1) amostras de liga de alumínio 2024;1) amostras de liga de alumínio 2024;

2) amostras solubilizadas a 540ºC e 1h;2) amostras solubilizadas a 540ºC e 1h;

3) amostras solubilizadas a 540ºC e envelhecidas a 190°C por ½ h3) amostras solubilizadas a 540ºC e envelhecidas a 190°C por ½ h

4) amostras solubilizadas a 540ºC e envelhecidas a 190°C por 2 h4) amostras solubilizadas a 540ºC e envelhecidas a 190°C por 2 h

5) amostras solubilizadas a 540ºC e envelhecidas a 190°C por 6 h5) amostras solubilizadas a 540ºC e envelhecidas a 190°C por 6 h

6) amostras solubilizadas a 540ºC e envelhecidas a 190°C por 12 h6) amostras solubilizadas a 540ºC e envelhecidas a 190°C por 12 h 7) amostras solubilizadas a 540ºC e envelhecidas a 190 ºC por 24 h7) amostras solubilizadas a 540ºC e envelhecidas a 190 ºC por 24 h

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10 – Roteiro10 – Roteiro

Caracterização mecânica: DurezaCaracterização mecânica: Dureza

Executar ensaios de dureza Rockweel B para cada amostra indicada (1 Executar ensaios de dureza Rockweel B para cada amostra indicada (1 a 7);a 7);

Montar um gráfico de dureza em função das amostras estudadas (1 a Montar um gráfico de dureza em função das amostras estudadas (1 a 7), e identifique cada amostra e explique os perfis de dureza 7), e identifique cada amostra e explique os perfis de dureza correlacionando os tratamentos de cada amostra; correlacionando os tratamentos de cada amostra;

Caracterização microestrutural: MicroscopiaCaracterização microestrutural: Microscopia

Olhe no microscópico óptico cada amostras indicada (1 a 7):Olhe no microscópico óptico cada amostras indicada (1 a 7):

Faça uma figura para cada tipo de tratamento térmico e explique a Faça uma figura para cada tipo de tratamento térmico e explique a dureza baseado nas observações feitas no microscópico relacionando dureza baseado nas observações feitas no microscópico relacionando as propriedades mecânicas à microestrutura.as propriedades mecânicas à microestrutura.

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Cinética das Reações no Estado Sólido

Como a maioria das reações dá origem à formação de novas fases via difusão, elas não ocorrem instantaneamente. As etapas de uma transformação são:

1) Nucleação = formação de partículas (ou núcleos) da nova fase. 2) Crescimento = aumento de tamanho dos núcleos até que as condições de equilíbrio sejam atingidas.

energias envolvidas na solidificação: energia livre de volume (libertada na solidificação) e energia de superfície, necessária para formar os novos agregados

10 – Roteiro10 – Roteiro

Caracterização mecânica: DurezaCaracterização mecânica: Dureza

Padrão = 79 HRBPadrão = 79 HRB

Solubilizado = 72 HRBSolubilizado = 72 HRB

E ½ h = 78 HRBE ½ h = 78 HRB

E 2 h = 78 HRBE 2 h = 78 HRB

E 6 h = 82 HRBE 6 h = 82 HRB

E 12 h = 83 HRBE 12 h = 83 HRB

E 24 h = 84 HRBE 24 h = 84 HRB

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