Ligas de alumínio 2

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Ligas de alumínio 2

Ligas de alumínio conformadas
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ALUMÍNIO E SUAS LIGAS
O alumínio metálico é obtido pela redução eletrolítica da alumina (Al2O3) dissolvida
em criolita líquida. O processo, chamado de Hall-Herolut foi desenvolvido em 1886 de
maneira independente por Charles Hall (Estados Unidos) e Paul Heroult (França).
As primeiras aplicações do alumínio foram objetos de decoração como molduras
de espelhos, travessas e utensílios domésticos. Com o tempo, cresceu a diversidade
das aplicações do alumínio, de maneira que, praticamente todos os aspectos da vida
moderna são afetados diretamente ou indiretamente pelo seu uso. Recentemente os
maiores mercados para as ligas de alumínio são 1:
embalagens para alimentos e medicamentos - 34%;
industria automobilística e de transportes - 21%;
construção civil (fachadas, pontes, torres, tanques de estocagem) - 17%;
cabos e componentes elétricos - 9%;
bens duráveis (8%);
indústria de equipamentos e maquinaria - 7% e
outros - 4%.
PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DO ALUMÍNIO

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

Excelente condutividade elétrica e térmica (de 50 a 60% da condutividade do
cobre), sendo vantajoso seu emprego em trocadores de calor, evaporadores,
aquecedores, cilindros e radiadores automotivos.

Resistente à corrosão atmosférica, corrosão em meio aquoso (inclusive água
salgada), óleos, e diversos produtos solventes.

Ductilidade elevada (estrutura CFC) permitindo conformação de componentes com
elevadas taxas de deformação.

Não é ferromagnético (característica importante para aplicações eletro-eletrônicas)

Não é tóxico e portanto, é largamente empregado em embalagens

A resistência mecânica do alumínio puro é baixa (~90Mpa), entretanto, são
empregados os seguintes mecanismos de endurecimento:
Endurecimento por solução sólida (ligas não tratáveis)
Endurecimento por dispersão de partículas (ligas não tratáveis)
Encruamento (ligas não tratáveis)
Endurecimento por dispersão de partículas coerentes ou sub-microscópicas
(ligas tratáveis termicamente)

A principal limitação do alumínio é a sua baixa temperatura de fusão (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
Marcelo F. Moreira
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Relação entre resistência e peso em diversos materiais
Material
7178-T6
7075-T6
2024-T361
5056-H18
6066-T6
Aço inoxidável AISI 302
6061-T6
3004-H38
Fibra de vidro
1350-H19
6063-T5
3003-H14
Aço carbono AISI 1020
Bronze
5005-O
3003-O
PVC
1060-O
Cobre puro
Limite de
resistência típico
[MPa]
607
572
496
434
393
964
310
283
130
186
186
151
413
413
124
110
51
68
220
LIGAS DE ALUMÍNIO
Densidade
[g/cm3]
Relação
resistência/peso
2,78
2,75
2,75
2,61
2,67
7,91
2,67
2,67
1,41
2,66
2,70
2,70
7,74
8,26
2,67
2,67
1,37
2,65
8,78
218
208
180
166
147
121
116
105
92
70
69
56
53
50
46
41
37
26
25
2
Os principais elementos de liga das ligas de alumínio incluem combinações dos
seguintes elementos:
Cobre (Cu);
Magnésio (Mg);
Silício (Si);
Manganês (Mn) e
Zinco (Zn).
De acordo com o produto, as ligas de alumínio podem ser divididas em dois
grupos:
LIGAS CONFORMADAS OU TRABALHADAS (wrought alloys) – ligas
destinadas à fabricação de produtos semi-acabados, como laminados planos
(placas, chapas e folhas), laminados não planos (tarugos, barras e arames)
perfis extrudados e componentes forjados. .
LIGAS FUNDIDAS (cast alloys) – ligas destinadas a fabricação 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
Marcelo F. Moreira
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Estes dois grupos se subdividem em:
LIGAS NÃO-TRATÁVEIS - Não são endurecidas por meio de tratamento
térmico
LIGAS TRATÁVEIS TERMICAMENTE – São endurecidas por meio de
tratamentos térmicos.
É importante destacar que termo “tratamento térmico” é, no seu sentido mais
amplo, qualquer operação de aquecimento ou resfriamento realizada para modificar
as propriedades mecânicas, estrutura metalúrgica ou estado te tensões internas de
um produto metálico. Nas ligas de alumínio, o tratamento térmico é restrito a
operações específicas utilizadas para aumentar a resistência e dureza de ligas
endurecíveis por precipitação (conformadas ou fundidas)
NOMENCLATURA DAS LIGAS CONFORMADAS:

1xxx - Al puro não ligado com 99,00% mínimo de Al
2xxx - ligas contendo COBRE como elemento de liga principal e adições de
outros elementos, principalmente Mg. As ligas da série 2xxx são largamente
empregadas na indústria aeronáutica e aeroespacial.
3xxx - ligas contendo MANGANÊS como elemento de liga principal
4xxx - ligas contendo SILÍCIO como elemento de liga principal
5xxx - ligas contendo MAGNÉSIO como elemento de liga principal
6xxx - ligas contendo MAGNÉSIO e SILÍCIO como elementos de liga principais
7xxx - ligas contendo ZINCO como elemento de liga principal e adições de Cu,
Mg, Cr e Zr.
8xxx – Ligas cujas composições apresentam diferentes elementos como Sn ou
Li.
9xxx – reservada para uso futuro
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APLICAÇÕES DAS LIGAS DE ALUMÍNIO CONFORMADAS
Nomenclatura:
Na série 1xxx, os dois últimos dígitos indicam a % de Al acima de 99%. exemplos:
liga 1050 - 99,50% de Al
liga 1060 - 99,60% de Al
O segundo dígito indica modificações no limite de impurezas ou a adição de
algum elemento de liga. Se o 2o dígito for 0 (zero), indica que o Al não foi ligado e
apresenta o limite de impurezas convencional. Os números entre 1 e 9 indicam
controle especial sobre uma ou mais impurezas ou a adição de elementos de liga.

Nas séries 2xxx à 8xxx, os dois últimos dígitos não possuem significado
numérico, apenas identificam diferentes ligas do mesmo grupo (número
seqüencial)
O segundo dígito indica modificações no limite de impurezas ou a adição de
elementos de liga.

Ligas experimentais também utilizam este sistema de classificação, porém, são
indicadas pelo prefixo X.
SÉRIE 1XXX
Alumínio comercialmente puro, não ligado, com pureza igual ou superior à 99%
de Al. Fe e Si são as principais impurezas.
As ligas da série 1000 são caracterizadas pela excelente resistência à corrosão,
alta condutibilidade térmica e elétrica, baixa resistência mecânica e elevada
ductilidade.
Um aumento moderado na resistência mecânica pode ser obtido por meio de
encruamento.
Aplicações:
equipamentos de industria química;
refletores;
trocadores de calor;
condutores elétricos e capacitores;
embalagens (papel alumínio) e
painéis decorativos para uso na construção civil.
SÉRIE 2XXX
O COBRE é o elemento de liga principal e, na maioria das ligas, o Mg é o
elemento de liga secundário.
São ligas tratáveis termicamente, podendo, após os tratamentos, atingir-se a
resistência de aço baixo carbono (450 MPa). A resistência à corrosão das ligas da
série 2xxx é inferior a de outras ligas de alumínio. Sob certas condições estas pode
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apresentar corrosão intergranular. As ligas desta série apresentam boa usinabilidade
e características de soldagem limitadas (exceto a liga 2219).
Aplicações:
componentes com elevada relação resistência/peso, sujeitos a temperaturas
inferiores à 130ºC;
rodas forjadas para a indústria aeronáutica e de caminhões ;
fuselagem e componentes estruturais de aeronaves (vide figura);
componentes de suspensão de automóveis.
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SÉRIE 3XXX
O MANGANÊS é o elemento de liga principal.
As ligas desta série não são tratáveis termicamente, entretanto, apresentam
resistência 20% superior que ligas da série 1xxx. Devido a baixa solubilidade de Mn
no Al (de até 1,8%) existem poucas da série 3xxx. Entretanto três delas são
largamente empregadas na indústria: 3003, 3004 e 3105.
Aplicações:
componentes de resistência mecânica baixa que exijam elevada ductilidade;
latas de bebidas;
utensílios de cozinha;
trocadores de calor;
tanques de armazenamento;
sinalização rodoviária e
painéis decorativos e telhados para uso na construção civil.
SÉRIE 4XXX
O SILÍCIO é o elemento de liga principal.
A maior parte das ligas desta série não são tratáveis termicamente. O Si pode
ser adicionado para abaixar a temperatura de fusão sem provocar fragilidade
excessiva, assim, ligas Al-Si são utilizadas em arames de solda ou como ligas para
brazagem de Al (soldagem de Al).
A liga 4032 é empregada na fabricação de pistões forjados devido ao baixo
coeficiente de expansão e sua alta resistência ao desgaste
Ligas contendo entre 4 e 7% de Si apresentam cores que variam do cinza ao
negro após serem submetidas a anodização e assim são utilizadas em painéis
decorativos na construção civil.
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Aplicações:
uso em arquitetura e construção civil;
fios, arames e pós para brazagem.
SÉRIE 5XXX
O MAGNÉSIO é o elemento de liga principal. O Mg é um dos elementos mais
efetivos no endurecimento do Al. Quando utilizado como elemento principal ou em
conjunto com o Mn, o resultado são ligas não tratáveis com resistência moderada à
elevada. O Mg é considerado mais efetivo que o Mn como endurecedor, (0,8% de Mg
tem o mesmo efeito sobre a resistência que 1,25% de Mn) e ainda, pode ser
adicionado em quantidades elevadas (~15%).
Ligas desta série possuem boas características de soldagem e resistência à
corrosão em atmosfera marinha.
Aplicações:
Uso em arquitetura e decoração;
embalagens (tampas de latas de Al);
suportes para iluminação pública;
peças de barcos e navios;
tanques para criogenia e
componentes de guindastes e automotores.
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SÉRIE 6XXX
O MAGNÉSIO e o SILÍCIO são os elementos de liga principais.
A proporção de Mg e Si visa a formação da fase Mg2Si, formando ligas tratáveis
termicamente. As ligas da série 6xxx apresentam boa ductilidade, boas
características de soldagem e de usinagem e boa resistência à corrosão.
Aplicações:
Uso em arquitetura e decoração;
quadros de bicicletas ;
estruturas soldadas
SÉRIE 7XXX
O ZINCO é o elemento de liga principal, adicionado em quantidades entre 1 e
8%. Adições em conjunto com Mg resultam em ligas tratáveis termicamente com
resistência mecânica elevada. Normalmente, Cu e Cr também são adicionados em
pequenas quantidades.
Aplicações:
componentes da indústria aeronáutica como estruturas, peças móveis e
componentes de alta resistência.
SÉRIE 8XXX
As ligas da série 8xxx envolvem um grande número de composições com uma
miscelânea de elementos de liga. As ligas conformadas contendo Li (2,4% a 2,8%)
foram desenvolvidas para uso aerospacial e criogenia.
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NOMENCLATURA
ALUMÍNIO
DOS
ESTADOS
DE
ENDURECIMENTO
DAS
LIGAS
9
DE

F - como fabricado – Refere-se a condição resultante após qualquer tipo de
processamento (laminação a frio, laminação a quente, fundição e etc.) em que
não 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 redução do limite de resistência e aumento de
ductilidade. Nos produtos fundidos, indica um recozimento para alívio de
tensões e estabilidade dimensional.

H – endurecido por encruamento – Refere-se a produtos endurecidos por
encruamento, podendo ou não apresentar tratamentos térmicos. O sulfixo H é
seguido por dois pi mais dígitos:
H1- produtos conformados que apresentam encruamento e não sofreram
nenhum tratamento suplementar.
H2- produtos encruados e parcialmente recozidos para um determinado
valor de dureza. Os dígitos seguintes a H2 indicam a quantidade de
encruamento residual após 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
térmicos visando aumento de resistência. O sulfixo T é seguido por dois pi
mais dígitos:
T1 – produtos resfriados a partir da temperatura de conformação mecânica
a quente e envelhecidos naturalmente para uma condição de propriedades
mecânicas estáveis.
a quente, encruados e envelhecidos naturalmente para uma condição de
propriedades mecânicas estáveis.
T3 – produtos solubilizados, encruados e envelhecidos naturalmente para
uma condição de propriedades mecânicas estáveis.
T4 – produtos solubilizados e envelhecidos naturalmente para uma condição
de propriedades mecânicas estáveis.
T5 - produtos resfriados a partir da temperatura de conformação mecânica 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.
a quente, encruados e artificialmente.
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TRATAMENTOS TÉRMICOS DE SOLUBILIZAÇÃO E ENVELHECIEMNTO DAS
LIGAS DE ALUMÍNIO
Tomaremos como exemplo, o resfriamento lento de uma liga do sistema Al-Cu
contendo 4,5% de Cu 0u 94,5% de Al.
SOLUBILIZAÇÃO
A solubilização tem como objetivo solubilizar a fase endurecedora, mantendo a
liga em uma condição metaestável.
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ENVELHECIMENTO
O envelhecimento tem como objetivo a precipitação controlada da fase
endurecedora na matriz previamente solubilizada. A temperatura e o tempo de
envelhecimento determinam a mobilidade dos átomos de Cu, que tendem a formar a
fase θ.
Nas ligas de alumínio tratáveis, o envelhecimento é realizado em temperaturas
de até 280ºC (dentro do campo α + θ) por um intervalo de tempo precisamente
determinado. A combinação temperatura e tempo de envelhecimento determinam as
características da dispersão da fase θ. Para uma determinada temperatura existe um
tempo “ótimo” em que a dispersão de precipitados é, na maior parte, coerente
provocando o endurecimento máximo da liga.
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CURVAS DE ENVELHECIMENTO:
A figura abaixo apresenta o aspecto típico de curvas de envelhecimento. Note
que quanto maior a temperatura de envelhecimento, o ponto de resistência máxima
ocorre mais rápido, porém com um valor de resistência menor.
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SUPERENVELHECIMENTO
O superenvelhecimento é caracterizado pela redução da resistência mecânica
com o tempo de envelhecimento. Quando o tempo de envelhecimento é superior ao
ponto de resistência máxima, os precipitados coerentes de fase θ aumentam de
tamanho e tornam-se incoerentes, diminuindo a resistência mecânica.
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Lista de exercícios - ligas de alumínio
1- Especificar os ciclos térmicos (temperatura, tempo e meio de resfriamento) para os
tratamentos térmicos de solubilização e envelhecimento dos seguintes componentes:
a) componente em liga 2014 (%Cu = 4,5%) com ∅ 250mm no qual se objetiva
limite de escoamento mínimo 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 solubilização = 530ºC) com ∅
50mm no qual se objetiva limite de escoamento de 255 ± 20 MPa.
OBS- #1 - utilizar unidades do SI
#2 - o tempo de permanência (tp) na temperatura de tratamento para
que a temperatura do núcleo do componente seja igual a temperatura de sua
superfície é dado pela equação:
tp = 0,5 x eeq [h] - onde eeq = metade da espessura do componente em
polegadas.
2- Por que as ligas tratáveis (solubilizadas e envelhecidas) apresentam resistência
mais elevada que as ligas não tratáveis? Qual o mecanismo de endurecimento e como
ele atua?
3- O que significado das especificações: 2014 T6; 2017T4 e 6063F.
4- O que é o superenvelhecimento e qual o seu efeito sobre as propriedades
mecânicas?
5- Qual o efeito do envelhecimento sobre as propriedades mecânicas de:
a- em um componente resfriado lentamente a partir da temperatura de
solubilização (recozido) e
b- em um componente que acabou de sofrer conformação mecânica e sofreu
resfriamento mais acelerado (condição F).
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