PME 2310- endurecimento por precipitação

PME 2310- endurecimento por precipitação

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Endurecimento por precipitação - Ex. Ligas de Alumínio.

Departamento de Engenharia Mecânica Prof. Dr. Amilton Sinatora

O endurecimento por precipitação é um dos mecanismos de endurecimento dos metais como o encruamento e a transformação martensítica, por exemplo. O objetivo deste capítulo é estudar este fenômeno e, ao mesmo tempo exemplifica-lo mediante o estudo de algumas das ligas de alumínio, cuja aplicação decorre de exibirem este fenômeno. Ligas de cobre e os próprios aços também apresentam esta forma de endurecimento.

Motivação

As ligas de alumínio, devido a sua baixa densidade são escolha obvia para aplicações estruturais e/ou para aplicações automotivas. Embora pareçam ser a escolha óbvia, como mostra a figura 1 ao se considerar a relação tensão limite de resistência dividida pela densidade a vantagem das ligas de alumínio pode não ser tão evidente.

Figura 1 Mapa tensão de escoamento x densidade.

Por exemplo, considerando um ferro fundido cinzento que tem tensão de escoamento de 200MPa e densidade 8 e comparar este material com o alumínio puro que tem 70MPa de tensão de escoamento e densidade 3, pode-se verificar que o ferro fundido poderia ser mais adequado para materiais aeronáuticos, por exemplo. Este não é obviamente o caso como se vê na figura 2 que mostra os tipos de liga de alumínio empregadas na fabricação de aviões.

Figura 2. Alguns materiais metálicos, em especial, ligas de alumínio empregadas em aviões. (Arlindo Silva, Instituto Superior Técnico)

Como fazer para melhorar para melhorar esta relação entre σy/ρ ? Existem, para as ligas de alumínio, dois caminhos, o encruamento (e recristalização) e o endurecimento por precipitação.

Ligas de Alumínio Principais Tipos e Nomenclatura

As ligas de alumínio são comumente divididas em ligas fundidas (cast alloys) e ligas cujas propriedades são atingidas mediante operações de conformação plástica envolvendo ou não tratamentos térmicos. Elas são designadas como ligas trabalhadas (wrought alloys). O esquema abaixo racionaliza e exemplifica algumas das famílias de liga.

LIGAS DE ALUMÍNIO Ligas trabalhadas Ligas fundidas

Endurecíveis P/precipitação

Al-Mg - 5XX.X

Al-Mn - 3XX.X

Al-Si - 4XX.X

Não Endurecíveis

P/ precipitação

Endurecíveis P/precipitação Não Endurecíveis

P/ precipitação

Al-Cu - 2XX.X Al-Cu-Ni- 2XX.X Al-Mg-Si -

6XX.X Al-Zn-Cu -

7XX.X

Al-Li - 8XX.X

Al-Cu - 2XXX Al-Cu-Ni- 2XXX Al-Mg-Si - 6XXX Al-Zn-Cu - 7XXX

Al-Mg - 5XXX Al-Mn - 3XXX Al-Si - 4XXX

Nas ligas de alumínio pode-se observar que os diagramas de fase são, em semelhantes, como se vê na figura 3, muitos deles com reações eutéticas.

Figura 3. Exemplos de diagramas binários de ligas de alumínio. Os teores dos elementos de liga principais raramente ultrapassa 15%.

Encruamento

O encruamento consiste na elevação da tensão necessária para prosseguir a deformação plástica. Durante a deformação ocorre aumento do número de discordâncias através da ativação de fontes com conseqüente aumento do numero de discordâncias no metal. O aumento da tensão para o avanço da deformação se deve a interação das discordâncias com outras discordâncias que se movimentam em outros sistemas de escorregamento, interação com discordâncias floresta e interação das discordâncias com as novas discordâncias geometricamente necessárias geradas na interface ou próximo a interface entre precipitados incoerentes e a matriz. Deve-se também a multiplicação de discordâncias. Nas ligas de alumínio o aumento de propriedades mecânicas mediante deformação designa-se pela letra H (strain hardned). A tabela 1 mostra a composição e a aplicação de algumas ligas de alumínio trabalhadas e a tabela 2 explica o significado da nomenclatura

Tabela 1 Composição e aplicações de ligas trabalhadas de alumínio. (De Garmo 8th Ed. 174 - 181).

Liga
10- O 0,1299Al 90 34 35 23 estampagem
1100H14110 97 9 32 estampagem
1100H18165 145 5 4 Placas tubos,

Cu Si Mn Mg OutrosSu Sy A(%) HB alimentação

3003-H14152 145 8 49
3003-H18200 186 4 5 Utensílios

3003 - O 0,12 1,2 110 41 30 28 Semelhante 10 domésticos !!!!

5052-O2,5 0,25 193 90 25 45 Maiores

propriedades das trabalhadas

5052- H32228 193 12 60 Altos limites de

fadiga

2024 - T4441 290 19 120 Construção de

2024 - O 4,4 0,6 186 76 20 42 aviões

7075 - O 1,6 0,2 2,5 0,3Cr 5,6Zn 228 103 17 60 A mais resistente

7075 - T6524 462 1 150 Menos dutil que

Tabela 2 Tratamentos termo mecânicos das ligas de alumínio. (Metals Handbook v. 3 p.24--27)

Designação Significado O Recozimento pleno

H Aplica-se a produtos que foram endurecidos pro encruamento, com ou sem tratamento térmico posterior.

H1 Produtos apenas deformados

H18 O numeral 8 indica a "tempera" na qual a tensão de ruptura corresponde aquela atingida com 75% de redução a frio

H10 Idem seguido de recozimento completo.

H14 Tensão de ruptura aproximadamente no meio, entre "0" e 8.

H12 Tensão de ruptura aproximadamente no meio, entre "0" e 4.

H3 Encruada e estabilizada mediante tratamento térmico

W Apenas solubilizada

T4 Solubilizada e envelhecida naturalmente T6 Solubilizada e envelhecida artificialmente

Solução sólida.

Os átomos de soluto substitucionais distorcem o reticulado e introduzem campos de tensões elásticas (de tração ou compressão) no reticulado cristalino por ocuparem volumes diferentes daqueles ocupados pelos átomos de ferro. Estes campos interagem com os campos de tensões elásticas das discordâncias e dificultam sua movimentação, promovem endurecimento por solução sólida. Na tabela 1 o efeito endurecedor por solução sólida do manganês é claramente perceptível ao se comparar as propriedades das ligas com manganês com os alumínios comercialmente puros.

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