Transcript TRATAMENTO TÉRMICO EM LIGAS DE

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP
ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E
AERONÁUTICA
TRATAMENTO
TÉRMICO EM LIGAS DE
ALUMÍNIO ENDURECIMENTO POR
PRECIPITAÇÃO
Materiais Aeronáuticos
Prof. Dr. FERNANDO CRUZ BARBIERI
S.J. dos Campos
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ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E
AERONÁUTICA
1 – Introdução
 O tratamento térmico do alumínio refere-se aos processos básicos de aquecimento
e/ou resfriamento controlados do metal, com o principal objetivo de gerar
benefícios e melhorar as características metal-mecânicas das peças produzidas em
alumínio;
 Existem ligas de alumínio que são tratáveis termicamente, geralmente pelos
processos de solubilização e posterior envelhecimento, no entanto, nem todas as
ligas de alumínio são consideradas termicamente tratáveis para aumento de suas
caraterísticas metal-mecânicas;
 Existem ligas de alumínio que só aumentam essas características (dureza e
resistência, por exemplo) após um algum processo de conformação mecânica e
encruamento (laminação é um exemplo de processo);
 Pode-se dizer que as ligas tratáveis termicamente são as dos grupos 2XXX,
6XXX, 7XXX e 8XXX e as que só aumentam suas características metal-mecânicas
após conformação, as ligas dos grupos 1XXX, 3XXX, 4XXX e 5XXX.
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2 – Endurecimento por precipitação
 O objetivo do endurecimento por precipitação é o de promover a formação de
partículas de precipitados no metal alumínio;
 As partículas dos precipitados atuam como obstáculos ao movimento das
discordâncias, e como conseqüência, aumentam a resistência mecânica da liga
tratada termicamente;
 O processo de endurecimento por precipitação envolve três passos:
Planos do solvente
Solubilização;
Têmpera;
Envelhecimento.
Partícula de soluto
Precipitado
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2.1 – Solubilização:
 O tratamento térmico de solubilização consiste em aquecer a liga até uma
temperatura dentro do campo monofásico  e aguardar nessa temperatura até que
toda a fase  que está presente seja completamente dissolvida. Esse procedimento é
seguido de resfriamento rápido, ou têmpera, até a temperatura ambiente, para
prevenir qualquer difusão ou formação da fase  (retida);
Campo monofásico 
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2.1 – Solubilização:
 O objetivo da solubilização é por em solução sólida a maior quantidade possível de
átomos de soluto, deseja-se dissolver ao máximo possível, todos os elementos
presentes na liga de alumínio no próprio alumínio, sendo que este deve permanecer no
estado sólido, onde a fusão ou o super aquecimento, mesmo que sejam parciais ou
localizados, devem ser evitados.
 Essa dissolução dos elementos presentes na liga, leva um determinado 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 metal (estrutura uniforme e
monofásica da solução sólida;
Tempo
1h
 O processo de solubilização é vital para um perfeito envelhecimento posterior e é
um fator preponderante para o atigimento das características mecânicas desejadas.
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2.1 – Solubilização:
92,5 m
 Solubilização a 5000C
92,5 m
e
5900C
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2.2 – Têmpera:
 Logo após a solubilização, em correta temperatura e tempo, o material deve ser
temperado, ou seja, resfriado rapidamente;
 Esta etapa do processo térmico de solubilização é de suma importância e requer
máxima atenção, pois deseja-se que com esse resfriamento rápido, a solução sólida
super-saturada, que anteriormente estava em alta temperatura, permaneça
idêntica em temperatura ambiente (solução sólida supersaturada de elementos de
liga) ;
 O meio usualmente utilizado para temperar (resfriar) o material é a água. O
resfriamento ao ar permite a formação de precipitados descontroladamente, não
proporcionando a melhor resposta possível, quando realizar o envelhecimento.
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2.3 – Envelhecimento:
 Logo após a têmpera, inicia-se o processo de envelhecimento, seja ele natural (a
temperatura ambiente) ou artificial (a uma temperatura mais elevada e controlada);
 O tratamento térmico de envelhecimento consiste em aquecer a liga até uma região
intermediária, localizada dentro da região bifásica  + , onde as taxas de difusão
se tornam apreciáveis. A fase  precipitada começa a se formar na forma de
partículas finamente dispersas com uma composição enriquecida por soluto. Após o
tempo de envelhecimento apropriado, a liga é resfriada até a temperatura ambiente
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2.3 – Envelhecimento:
 Este processo de envelhecimento é realizado em temperaturas bem inferiores e em
tempos superiores, se comparado ao processo de solubilização;
 No processo de envelhecimento natural, além de não se controlar completamente a
formação dos precipitados que endurecem o material, os tempos para a geração
destes precipitados são mais longos, ou seja, a formação dos precipitados é lenta e
demorada, se comparado ao envelhecimento artificial;
 Se o processo de envelhecimento (formação de precipitados) não for corretamente
controlado pode não se formar a quantidade e a distribuição correta dos precipitados,
não se atingindo a resistência desejada, ou também, pode se gerar um excesso no
tamanho dos precipitados, fato que também não proporciona as melhores
características mecânicas. Este segundo caso, é conhecido como superenvelhecimento.
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3 – Liga família 2XXX (2024):
 Essa família é indicada para esse tipo de tratamento, pois como o cobre é o
principal elemento de liga neste grupo;
 Tomaremos como exemplo a liga 2024 (liga do sistema Al-Cu contendo 4,5% de Cu
0u 94,5% de Al);
 Possui cerca de 4% de peso na liga, o cobre se solubiliza no alumínio acima de
5150C.
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3 – Liga família 2XXX (2024):
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4 – Etapas do tratamento térmico:
 A solubilização tem como objetivo solubilizar a fase endurecedora, mantendo a liga
em uma condição metaestável.
 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.
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4 – Etapas do tratamento térmico: tempo de envelhecimento determinam a
mobilidade dos átomos de Cu, que tendem a formar a fase θ.

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4 – Etapas do tratamento térmico:
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4 – Etapas do tratamento térmico:
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5 – Nucleação dos precipitados:
 Os átomos supersaturados tendem a se acumular ao longo de planos craistalinos
específicos. A concentração de átomos de cobre (soluto) nessas posições abaixa a
concentração em outras áreas, produzindo menos supersaturação, e assim sendo,
uma estrutura cristalina mais estável;
 Neste estágio, os átomos de cobre não terão formado uma fase totalmente
distinta, uma coerência de espaçamento atômico existe através de uma fronteira;
 Movimentos de discordâncias ocorrem com maior dificuldade nessas regiões,
consequentemente o metal, sob altas pressões, se torna mais duro e mais
resistente às deformações.
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5 – Nucleação dos precipitados:
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5 – Nucleação dos precipitados:
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6 – 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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7 – Condições do tempo de envelhecimento e tensão de escoamento:
Sub-envelhecimento
0
1
Super envelhecimento
10
100
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7 – Condições do tempo de envelhecimento e tensão de escoamento:
Envelhec 6h CP5
Envelhec 24h CP 6
Envelhec 2h CP4
Alumínio CP1
Envelhec 1/2h CP3
Solubilizado CP2
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8 – Aplicação do envelhecimento
 Um exemplo interessante de utilização do processo de envelhecimento é o modo pelo qual é utilizado na
construção de aviões;
 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;
 Assim sendo, os fabricantes selecionam uma liga de alumínio que possa ser temperada como uma
solução supersaturada, mas que irá envelhecer à temperatura ambiente;
 Os rebites são inseridos nos componentes a ligar, enquanto ainda estão relativamente maiores e
dúcteis, endurecendo após a montagem ;
 Uma vez que eles endurecem muito rapidamente na temperatura ambiente, surge um problema prático
de retardamento do processo de endurecimento se os rebites não forem usados imediatamente após o
tratamento de solubilização ;
 Uma vez que sejam conhecidos os efeitos de temperatura na taxa de ração de envelhecimento, tudo
poderá ser controlados;
 Após o tratamento de solubilização os rebites são guardados num refrigerado, onde a baixa
temperatura irá retardar o endurecimento por um tempo razoável.
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9 - Metodologia
 As amostras sofreram tratamento térmico de solubilização a 540°C por 1 hora,
seguido de resfriamento em água (Têmpera à +/- 200C).
 Após a solubilização e têmpera, o tratamento de envelhecimento foi 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 resfriamento lento. Para efeito de
comparação, uma amostra foi somente solubilizada e uma outra sem tratamento.
1) amostras de liga de alumínio 2024;
 2) amostras solubilizadas a 540ºC e 1h;
 3) amostras solubilizadas a 540ºC e envelhecidas a 190°C por ½ h
 4) amostras solubilizadas a 540ºC e envelhecidas a 190°C por 2 h
 5) amostras solubilizadas a 540ºC e envelhecidas a 190°C por 6 h
 6) amostras solubilizadas a 540ºC e envelhecidas a 190°C por 12 h
 7) amostras solubilizadas a 540ºC e envelhecidas a 190 ºC por 24 h
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10 – Roteiro
Caracterização mecânica: Dureza
 Executar ensaios de dureza Rockweel B para cada amostra indicada (1 a 7);
 Montar um gráfico de dureza em função das amostras estudadas (1 a 7), e
identifique cada amostra e explique os perfis de dureza correlacionando os
tratamentos de cada amostra;
Caracterização microestrutural: Microscopia
 Olhe no microscópico óptico cada amostras indicada (1 a 7):
 Faça uma figura para cada tipo de tratamento térmico e explique a dureza
baseado nas observações feitas no microscópico relacionando 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
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10 – Roteiro
Caracterização mecânica: Dureza
Padrão = 79 HRB
Solubilizado = 72 HRB
E ½ h = 78 HRB
E 2 h = 78 HRB
E 6 h = 82 HRB
E 12 h = 83 HRB
E 24 h = 84 HRB