Resultados e discussões:

Jornadas SAM - CONAMET - AAS 2001, Septiembre de 2001
99-108
ESTUDOS SOBRE A INFLUÊNCIA DE TRATAMENTOS
TERMOMECÂNICOS NA MICROESTRUTURA DE LIGAS AL-CU NO
ESTADO SEMI-SÓLIDO
E. de Freitas. M. Ferrante
Departamento de Engenharia de Materiais, Universidade Federal de São Carlos, 13565-905
São Carlos-SP
RESUMO
Variações no método de condicionamento empregados em materiais a serem
processados no estado semi-sólido (ESS), foram feitas visando observar sua influência sobre
a microestrutura das ligas Al-4%Cu e AA2024 após a sua refusão parcial. Resultados
mostraram que o tamanho de partícula inicial já pode ser reduzido significativamente com
graus de deformação próximos à 20%. A liga comercial apresenta uma microestrutura semisólida mais refinada e com maior estabilidade (taxa de crescimento menor) em relação à liga
Al-4%Cu. Foi verificado também uma relação direta entre o tamanho de partícula e o nível
de textura, evidenciando o favorecimento da atuação do mecanismo de coalescimento em
materiais com partículas cristalograficamente orientadas.
Palavras chaves
Liga Al-Cu, Semi-sólido, Tratamento termomecânico, textura
INTRODUÇÃO
No processo de conformação de ligas metálicas no ESS o aspecto microestrutural
exerce um papel fundamental, tanto nas condições de escoamento do material
(conformabilidade), assim como na microestrutura do produto acabado. Na rota do
processamento semi-sólido (PSS), uma etapa importante é o condicionamento do material de
partida. Basicamente, objetiva-se modificar a estrutura dendrítica, indesejável neste tipo de
conformação [1]. Em processos que utilizam a refusão parcial do material para atingir o ESS,
caso do tixoforjamento, o condicionamento é feito através de tratamentos termomecânicos,
em que são obtidas microestruturas adequadas para o PSS através de mecanismos de
recristalização [2,3]. O aspecto microestrutural adequado, no atual contexto, significa
partículas pequenas de fase sólida, com geometria aproximando-se da forma esférica e bem
isoladas umas das outras por um contínuo filme de líquido. Alguns parâmetros podem ser
modificados durante a etapa de condicionamento, afim de otimizar a microestrutura semisólida a ser estabelecida. São eles: modo de deformação (laminação, extrusão), grau de
deformação, temperatura de trabalho, presença de partículas insolúveis no líquido
(dispersóides) e distribuição de precipitados. O presente trabalho analisa o efeito desses
parâmetros no desenvolvimento microestrutural das ligas Al-4%Cu e AA2024 quando
colocadas no ESS.
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E.R. Freitas, M. Ferrante
EXPERIMENTAL
Duas ligas foram utilizadas no presente estudo: (i) Al-4%Cu → preparada a partir de
Al comercial e Cu eletrolítico; (ii) AA2024 → obtida na forma de perfis extrudados, sendo
que, posteriormente, uma parte deste material foi novamente refundido. Ambas as ligas
foram inoculadas com TiB.
Na liga Al-4%Cu, quatro tipos de tratamentos térmicos foram empregados antes da
sua refusão parcial: Solubilização (S) à 530°C por 24 horas ; precipitação de curta duração
(Pc) à 200°C por 2 horas; precipitação de longa duração (Pl) à 200°C por 72 horas e
envelhecimento natural (H) durante 10 dias.
Os métodos de deformação utilizados para o condicionamento do material de partida
foram: laminação, realizada à 350°C e com graus de deformação variando de 10 à 90%;
extrusão, realizada à 400°C e com fator de redução igual à 1:16. O processo de extrusão foi
empregado somente para a liga Al-4%Cu, seja tanto no estado bruto de fusão como após os
diversos tratamentos descritos anteriormente. Já a liga AA2024 refundida foi submetida
apenas ao processo de laminação, entretanto, comparações também foram feitas com o perfil
extrudado recebido inicialmente.
Após os diferentes métodos de condicionamento aqui utilizados, as ligas foram
refundidas parcialmente em várias temperaturas no intervalo SS. O cálculo da fração sólida
correspondente a cada temperatura de ensaio, baseou-se em medidas de DSC.
A caracterização microestrutural das amostras refundidas parcialmente foi feita via
microscopia ótica e, através de um software de análise de imagem, foram realizadas medidas
quantitativas principalmente quanto ao tamanho de partícula destas amostras. No que diz
respeito à textura, esta foi quantificada por difratometria de raios-X (com radiação de CuKα), sendo construídas figuras de pólo referentes ao plano cristalográfico (002). Em todas as
amostras, o feixe de raios-X incidiu sobre o plano de laminação (ou extrusão). A
quantificação da textura se deu através da medida de densidade de pólo (I/Io), que é a
intensidade medida no plano (002) da amostra deformada, normalizada em relação à um
padrão randômico.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Na figura 1 estão apresentados valores de tamanho de partícula referentes às ligas Al4%Cu e AA2024, laminadas com diferentes graus de deformação na etapa de
condicionamento.
Observa-se que o tamanho de partícula é reduzido significativamente com apenas
20% de deformação, principalmente para a liga AA2024, e com aproximadamente 50 à 60%
de redução o tamanho de partícula já está próximo ao patamar mínimo. Impondo altos níveis
de redução, as curvas tendem a se estabilizar. Nesta fase, a texturização da microestrutura do
material laminado provavelmente passa a contribuir contra a diminuição do tamanho de
partícula. Constata-se através da figura 1, que são bastante diferentes os valores de tamanho
de partícula medidos nas ligas Al-4%Cu e AA2024. Desde o início, a liga comercial
apresenta uma microestrutura mais refinada no ESS em relação à liga binária. Os fatores
responsáveis por esta diferença são: a presença de dispersóides na liga comercial e a estrutura
de solidificação. Devido à diferença de composição entre as ligas, a AA2024 possui uma
estrutura de solidificação mais refinada e com dendritas bastante equiaxiais, apresentando
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assim uma microestrutura SS relativamente fina, mesmo sem deformação prévia. A figura 2
mostra as estruturas típicas de solidificação referentes à ambas as ligas.
120
115
2024
A l4 C u
110
105
T . G . µ( m )
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
0
20
40
60
80
100
G r a u d e d e fo r m a ç ã o ( % )
Figura 1 – Tamanho de partícula medido após 10 minutos na temperatura de 615°C.
(a)
(b)
Figura 2 – Microestruturas apresentadas pelas ligas (a) Al-4%Cu e (b) AA2024 no
estado bruto de fusão.
A partir de amostras condicionadas com diferentes modos e graus de deformação,
foram realizadas medidas de textura buscando maiores evidências sobre a real influência
deste parâmetro na microestrutura das ligas SS. A figura 3 apresenta dois exemplos de
figuras de pólo obtidas para a liga AA2024, laminada com 45 e 90% de redução,
respectivamente. Na figura 4 é mostrado um gráfico contendo os resultados relativos à
densidade de pólo (representando o nível de textura) juntamente com o tamanho de partícula
das diversas amostras analisadas. Nesta figura, foi incluído também um ensaio
complementar, onde as amostras foram laminadas em duas direções ortogonais.
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(a)
(b)
Figura 3 – Figuras de pólo referente ao plano cristalográfico (200) obtidas para a liga
AA2024 laminada com redução de: (a) 45% e (b) 90%. As letras M e T indicam a direção de
deformação e a direção transversal, respectivamente.
5.0
60
4.5
1 direção
2 direções
Símbolo aberto : Textura (I/Io)
Símbolo fechado : Tamanho de partícula (D)
30
20
3.5
I/Io
40
4.0
Extrudado : 15,0
Extrudado and Recristalizado : 10,2
D (µm)
50
3.0
2.5
2.0
10
30
40
50
60
70
80
90
Grau de Deformação (%)
Figura 4 – Relação entre tamanho de partícula (D), textura (I/Io) e grau de
deformação obtida para a liga AA2024 laminada à 350°C numa única direção e em duas
direções ortogonais.
Dos resultados de textura podem ser feitas quatro importantes observações:
- A evolução da densidade de pólo (aumento da textura) com o grau de deformação
começa a ser mais acentuada após reduções da ordem de 65 à 75%, justamente na faixa em
que é atingido o máximo refinamento na microestrutura semi-sólida. Portanto, tem-se que
acima deste patamar, a textura tende a impedir o controle no tamanho de partícula das ligas
refundidas parcialmente;
- Comparando os níveis de textura apresentados por amostras laminadas e pela
amostra extrudada, confirma-se o alto grau de texturização provocado pelo segundo processo;
- A avaliação da densidade de pólo feita na amostra extrudada e recristalizada serviu
para mostrar o já conhecido fato de que ligas de alumínio, em geral, apresentam forte textura
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de recristalização, a qual possui grande dependência com o modo de deformação [4]. Essa
textura que produzirá o aparecimento de contornos de baixa energia quando do material no
ESS, facilitando a atuação do mecanismo de coalescimento e, consequentemente, acelerando
o crescimento da partículas;
- As amostras laminadas em duas direções apresentaram índices de textura menores
que aquelas laminadas numa única direção, considerando-se obviamente o mesmo grau de
redução. Isto refletiu diretamente sobre a mais acentuada redução de tamanho de partícula
neste caso. Estes resultados novamente evidenciam que a presença de textura influencia
negativamente no controle do tamanho de partícula de ligas refundidas parcialmente, pois
quando se consegue impor uma grande deformação na material sem que haja uma grande
texturização da sua microestrutura, obtém-se melhores resultados.
A Tabela 1 apresenta outros resultados obtidos nas análises de textura enfocando
agora amostras da liga Al-4%Cu tratadas termicamente e extrudadas.
Tabela 1 – Valores de densidade de pólo (I/Io) referentes às amostras tratadas e extrudadas.
Material
Procedimento
I / Io
T.P. (µm)
Pré-extrusão
625°C / 10 minutos
Al-4%Cu
Fundida
6,5
103,0
Al-4%Cu
Fun. + Solubilizada
7,5
108,8
Al-4%Cu
Fun. + Sol. + Env.
9,2
145,4
Natural
Al-4%Cu
Fun. + Sol. + Prec.
10,8
148,2
Curta Duração
Al-4%Cu
Fun. + Sol. + Prec.
8,1
126,6
Longa Duração
Analisando os índices de textura juntamente com os valores de tamanho de partícula
mostrados na Tabela 1, constata-se relação direta entre estes dois parâmetros, entretanto, não
parece ser adequado estabelecer uma correlação simples para este caso (os valores estão
dispostos de modo muito irregular), mas apenas dizer que há uma tendência de, o aumento da
textura produzir microestruturas SS grosseiras.
Comparando os tamanhos de partícula apresentados pela liga Al-4%Cu previamente
laminada (figura 1) com aquelas extrudadas na etapa de condicionamento (Tabela 1),
observa-se o estabelecimento de microestruturas SS mais grosseiras com o emprego do
processo de extusão, seja naquelas amostras tratadas termicamente antes da conformação ou,
então, deformadas no estado bruto de fusão. Quanto aos tratamentos térmicos, tem-se que as
amostras contendo fina dispersão de precipitados (H → envelhecida naturalmente e Pc →
precipitada por curta duração) foram aquelas que apresentaram maior tamanho de partícula.
Tal fato está relacionado com a atuação de mecanismos de recristalização e crescimento,
sendo que este tipo de dispersão de precipitados ocasionou uma microestrutura recristalizada
mais grosseira e também foi menos eficiente no sentido de dificultar o coalescimento da fase
sólida. Contudo, apesar das diferenças microestruturais relativas aos tratamentos térmicos,
pode-se dizer que, de certa forma, os efeitos decorrentes do processo de extrusão tiveram
maior relevância que estes tratamentos, ou seja, a forte textura promovida por este modo de
deformação é que foi determinante no aspecto microestrutural da liga Al-4%Cu quando no
ESS.
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Além do tamanho de partícula, outros dois parâmetros microestruturais importantes
são: a contigüidade (grau de conectividade) e o formato da fase sólida. Ferrante e Freitas [5]
mostraram curvas referentes à evolução da contigüidade e do formato das partículas ocorrida
na liga Al-4%Cu (condicionada por laminação) refundida parcialmente em diferentes
temperaturas. Nestas curvas ficou evidenciado que: (i) a contigüidade apresenta queda
acentuada nos primeiros 10 - 20 minutos de permanência do material no SS, estabilizando-se
depois num patamar mínimo; (ii) a globularização da fase sólida tende a acontecer também
nos instantes iniciais da refusão parcial; entretanto a evolução das partículas neste sentido
apresenta algumas instabilidades, principalmente em sistemas com altas frações sólidas, pois
devido à frequëntes encontros sólido-sólido, estas partículas apresentam dificuldades de
acomodação na forma esférica. Estas observações feitas em amostras da liga Al-4%Cu
previamente laminada, foram estendidas para a liga AA2024 e também para os outros
métodos de condicionamento aqui empregados. Verificou-se que, independente do modo de
formação ou do emprego de tratamentos térmicos, a evolução microestrutural relativa à
forma e ao grau de conectividade das partículas foi bastante semelhante em todos os casos,
denotando que tal comportamento é típico de ligas no ESS. Uma observação importante diz
respeito à uma amostra da liga Al-4%Cu tratada (homogenizada à 530°C por 24 horas) e não
extrudada: esse material apresentou uma microestrutura SS inicial praticamente com o
mesmo nível de globularização daquelas amostras deformadas previamente, ver figura 5. Isto
implica que pode ser considerada a possibilidade de condicionar o material de partida apenas
utilizando tratamentos térmicos, sem a necessidade de deformação plástica, visto que a
estrutura bruta de fusão (prejudicial na conformação semi-sólida) é modificada com o uso
destes tratamentos.
(a)
(b)
Figura 5 – Microestruturas referentes à liga Al-4%Cu refundida parcialmente após: (a)
solubilização e extrusão, e (b) solubilização e envelhecimento natural (não-extrudada). A
temperatura empregada foi de 625°C e o tempo utilizado foi de 10 minutos.
Relacionando o comportamento da contigüidade com o crescimento de partículas,
verifica-se que este crescimento é mais acelerado nos primeiros 10 - 20 minutos de refusão
parcial e coincide com o intervalo de tempo em que o grau de conectividade diminui
acentuadamente, portanto, ainda não atingido seu valor mínimo. Tal fato indica que,
enquanto a fase sólida ainda está bastante conectada, o crescimento de partícula é acelerado
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em decorrência da atuação do mecanismo de coalescimento, facilitado pelos freqüentes
contatos sólido-sólido. Por outro lado, a medida que a penetração da fase líquida entre as
partículas sólidas vai sendo mais eficiente, diminui a influência do coalescimento,
desacelerando o crescimento destas.
Por fim, tem sido analisado também a presença de líquido aprisionado no interior da
fase sólida, que é uma característica marcante das amostras tratadas termicamente na etapa de
condicionamento. A figura 6 mostra a distribuição da fase líquida durante o tempo de
permanência de diferentes amostras da liga Al-4%Cu no ESS.
70
70
Amostras Tratadas e Extrudadas
Amostras Fundidas e extrudadas
Amostras Fundidas
Amostras Tratadas
50
40
Amostras Tratadas e Extrudadas
Amostras fundidas e Extrudadas
Amostras Tratadas
60
% Relativa de Lapr
% Relativa de Lapr
60
o
T Refusão = 625 C
30
20
10
50
o
TRefusão = 640 C
40
30
20
10
0
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
0
Tempo (s)
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Tempo (s)
(a)
(b)
Figura 6 – Distribuição da fase líquida na microestrutura semi-sólida de diferentes amostras
submetidas à ensaios de refusão parcial. As temperaturas utilizadas foram: (a) 625°C e (b)
640°C.
Com quaisquer dos tratamentos térmicos aplicados, a quantidade de líquido
aprisionado é muito grande, chegando inicialmente ocupar ~ 60% do total de fase líquida
presente no material. Apesar de ocorrer rápida migração deste líquido para as regiões de
contornos, basicamente para diminuir a área de interface sólido-líquido [6], a quantidade que
fica aprisionada no material tratado ainda é relativamente alta. Isto pode ocasionar prejuízos
para a conformabilidade da liga, já que haverá menor quantidade de fase líquida nos
contornos das partículas e, assim, a movimentação de uma em relação à outra se tornará mais
difícil. A fase líquida pode ficar aprisionada de duas maneiras: (i) refusão parcial dentro da
partícula ou, (ii) coalescimento de duas ou mais partículas (aprisionamento dentro dos
aglomerados). No caso da liga Al-4%Cu, como mostrou a figura 6, ficou constatado que uma
boa parte do líquido aprisionado advém da dissolução dos precipitados, isto porque todas as
amostras tratadas, sejam elas extrudadas ou não, apresentaram inicialmente grande
quantidade de líquido no interior da fase sólida (nas amostras sem tratamento, observa-se
partículas mais “limpas”). O fator textura, que poderia auxiliar no aprisionamento de líquido
devido ao coalescimento das partículas alinhadas, tem certa influência, mas parece não ser
tão decisivo neste caso, principalmente à 625°C. Entretanto, a contribuição do coalescimento
começa a ser maior também neste aspecto, a medida que eleva-se a temperatura de refusão
parcial. Pela figura 6, observa-se que a quantidade inicial de líquido aprisionado na amostra
fundida e extrudada (sem tratamento) é maior para 640°C.
A figura 7 apresenta micrografias da liga Al-4%Cu refundidas parcialmente,
previamente extrudadas, com e sem tratamentos térmicos. Além de diferenças significativas
quanto ao aprisionamento de líquido, outras características interessantes, particularmente
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relacionadas ao processo de extrusão, podem ser também verificadas, como: (i) alinhamento
dos pontos contendo líquido aprisionado, os quais são produtos da dissolução de precipitados
rearranjados durante o processo de deformação; (ii) heterogeneidade no tamanho da fase
sólida, observando-se a presença de grandes partículas alinhadas segundo à direção de
extrusão em determinadas regiões do material. Isto torna-se prejudicial para as ligas semisólidas, pois haverá maior dificuldade para obtenção de um fluxo homogêneo durante o seu
processamento.
(a)
(b)
Figura 7 – Microestruturas referentes à liga Al-4%Cu refundida parcialmente após: (a)
solidificação e extrusão, e (b) precipitação de curta duração e extrusão. A temperatura
empregada foi de 625°C e o tempo utilizado foi de 10 minutos.
CONCLUSÕES
-
-
-
-
Reduções da ordem de 20% empregadas na laminação do material de partida,
foram suficientes para promover uma microestrutura refinada e globularizada na
liga AA2024. Na liga Al-4%Cu, torna-se necessário o uso de graus de
deformação maiores, acima dos 40%, para o um eficiente condicionamento.
A texturização microestrutural decorrente dos processos de deformação
empregados na etapa de condicionamento, é prejudicial para o refinamento da
microestrutura a ser estabelecida no ESS, sendo verificado uma relação direta
entre textura e tamanho de partícula.
O condicionamento realizado através do processo de extrusão produziu
microestruturas semi-sólidas relativamente grosseiras e com altas taxas de
crescimento de partícula, especificamente para a liga Al-4%Cu. Além disto,
foram observadas heterogeneidades em termos de forma e tamanho das
partículas, as quais tendem a ser prejudiciais no comportamento reológico destes
materiais.
A realização de tratamentos térmicos promoveu grande quantidade de líquido
aprisionado na microestrutura das ligas semi-sólidas. Quanto ao tamanho de
partícula, este parâmetro foi influenciado muito mais pelo método de deformação
utilizado na etapa de condicionamento, no caso a extrusão, do que propriamente
pelo uso destes tratamentos.
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-
A utilização de tratamentos de homogenização pode modificar a estrutura bruta
de fusão de ligas a serem processadas no ESS, de modo a promover um bom
nível de globularização da fase sólida quando estas ligas forem refundidas
parcialmente, sem a necessidade de deformação prévia.
REFERÊNCIAS:
1, Kirkwood, D. H., Int. Mat. Reviews, 39, 1994, p.173.
2. Young. K. P., Kyonka, C.P., Courtois, J. A., U. S. Patent 4,415,374, 1983.
3. Kirkwood, D. H., Sellars, C. M., Boyed, L. G. E., U. S. Patent 5,133,811,
1992.
4. Weiland, H., Recrystallization of Aliminun Alloys: The Current State of
Understanding and Modeling, Alcoa Report n° 97-481-009, 1997.
5. Ferrante, M., de Freitas, E., Mat. Sci. Eng., A271, 1999, p.172.
6. Valer, J., Ménéses, P., Saint-Antonin, F., Suéry, M., Mat. Sci. Eng., A272,
1999, p.342.
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