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σ SL = Energia superficial, também representado por 

2 Diagramas de Fases

Os metais são geralmente utilizados na forma de ligas, ou seja; consistem em “misturas” de dois ou mais elementos químicos. Nas ligas metálicas, pelo menos um dos elementos é metal e a liga resultante apresenta características metálicas. Os diagramas de fase permitem obter informação sobre uma liga como:

 Temperatura de fusão

 Fases presentes em função da temperatura  Composição química das fases

 Proporção das fases  Limite de Solubilidade  Distribuição de fases

As fases em um diagrama são na realidade soluções sólidas substitucionais e soluções sólidas intersticiais, a figura 14 mostra esquematicamente em (a) uma solução sólida substitucinal e em (b) uma solução sólida intersticial.

(a) (b)

Figura 14 – (a) Solução sólida substitucinal (b) Solução sólida intersticial.

Construção de um Diagrama de Equilíbrio

1. Tomemos os elementos A e B, no exemplo os elementos são insolúveis. 2. Determinam-se as temperaturas de fusão dos elementos A e B.

3. Determinam-se as temperaturas de início e de fim de solidificação de misturas de A + B. A Figura 15 ilustra as curva de fusão de cada uma das Misturas de A+B e posteriormente o diagrama de equilíbrio para o sistema AB.

Os diagramas de equilíbrio podem ser constituir de elementos que se solubilizam mutuamente, ou seja, atende as 4 Regras de Hume-Rothery e formam os sistemas isomorfos conforme ilustrado na figura 16.

Figura 16 – Diagrama Cobre-Níquel, sistema isomorfo.

A Figura 1.17 mostra um diagrama Cobre-Prata com solubilidade parcial entre os elementos e com um Eutético.

A Tabela 01 mostra as várias reações dos diagramas de fases

Tabela 01 – Reações dos invariantes em Diagramas de Fases

A Figura 1.18 ilustra esquematicamente as transformações de fase durante a solidificação de uma liga 60Pb40Sn.

3 O envelhecimento

As zonas GP responsável pelo endurecimento

A precipitação de uma nova fase.

O primeiro estágio de precipitação é a formação de pequenas regiões contendo principalmente átomos de soluto, conhecidas como zonas GP (Guinier-Preston) na rede da matriz, seguida da formação de uma fase de transição (como θ”) estruturalmente semelhante ao precipitado de equilíbrio θ. Uma importante característica da fase de transição e sua coerência.

Zonas Guinier-Preston (GP): homenagem aos cientistas que revelaram a estrutura dessas zonas através de estudos de difração de raios-x. Por exemplo, no sistema Al-Cu, os átomos de Cu precipitam paralelos aos planos {100} da matriz de alumínio, então o contraste entre as fases depende muito da espessura da amostra

O mecanismo de endurecimento por precipitação envolve a formação de conjuntos coerentes de átomos de soluto (os átomos de soluto estão unidos em um conjunto que ainda tem a mesma estrutura cristalina como a fase solvente). Isto causa uma grande deformação devido ao desencontro entre os átomos de solvente e do soluto. Consequentemente, a presença de partículas precipitadas e mais importante ainda os campos de tensão na matriz circundando as partículas coerentes, fornecem altas resistências por obstrução e retardo do movimento das discordâncias.

A Figura 1.19 mostra uma sequência de tratamentos de solubilização e envelhecimento para uma liga de Alumínio.

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, a figura 1.20 ilustra o tratamento de Superenvelhecimento.

Figura 1.20 – representação do tratamento de superenvelhecimento.

Alumínio e suas ligas

O alumínio é um metal caracterizado por sua baixa densidade, baixa resistência mecânica, embora tratamentos térmicos e mecânicos, particularmente para certas ligas de Al, possam levar a níveis razoavelmente elevados de resistência mecânica, boa resistência à corrosão e elevadas condutividades térmica e elétrica.

Existe um grande número de ligas de alumínio que podem apresentar um amplo espectro de propriedades. Estas ligas são classificadas geralmente por um sistema de quatro dígitos desenvolvido pela Aluminum Association:

 Alumínio comercialmente puro (>99,0%Al) 1XXX

 Cobre 2XXX  Manganês 3XXX  Silício 4XXX  Magnésio 5XXX  Magnésio/Silício 6XXX  Zinco 7XXX  Outros elementos 8XXX

As ligas de alumínio, principalmente dos grupos 1XXX, 3XXX, 4XXX e 5XXX, não são tratáveis termicamente enquanto as dos grupos 2XXX, 6XXX e 7XXX podem ser tratadas termicamente.

As ligas não endurecíeis por tratamento térmico podem ser endurecidas por solução sólida e por encruamento.

Para as ligas tratáveis termicamente, o principal tratamento é o de solubilização e envelhecimento para causar endurecimento por precipitação. Este tratamento pode ser combinado com um encruamento antes do envelhecimento para maximizar o ganho de resistência mecânica.

A condição ou estado da liga de alumínio pode ser indicado por um conjunto de letras e números colocados ao final de sua classificação. A designação da condição para ligas não tratáveis termicamente é mostrada, de forma resumida, na tabela 2.

Tabela 2 – Designação da condição de ligas não tratáveis termicamente.

A designação para ligas tratáveis é mostrada de forma resumida, na tabela 3. Tabela 3 – Designação da condição de ligas tratáveis termicamente.

A seguir será apresentada a relação de classificação de tipos de tratamentos, adotada pela Aluminum Association:

F = como fabricado: aplica-se aos produtos resultantes de conformação mecânica (laminação, extrusão e outros)

O = recozido: aplica-se aos produtos inicialmente trabalhados e depois recozidos para obter a resistência mecânica mais baixa, e aos produtos fundidos que são recozidos com o objetivo de aumentar a dutilidade e a estabilidade dimensional. A letra O pode ser seguida por um número diferente de zero.

W = solubilizado: uma têmpera instável aplicável somente às ligas que envelhecem espontaneamente na temperatura ambiente (envelhecimento natural) após solubilização. Esta designação é especificamente usada quando o período de envelhecimento natural é indicado, como por exemplo no caso de W ½ h.

T = termicamente tratado para produzir têmperas estáveis diferentes de F, O ou H: aplica-se aos produtos que são termicamente tratados, com ou sem deformação suplementar, para produzir têmperas estáveis.

A letra T é sempre seguida por um ou mais dígitos. Um período de envelhecimento natural pode ocorrer entre as operações relacionadas para as têmperas T. Sempre que for necessário do ponto de vista metalúrgico, deve haver um controle rigoroso desse período. Números de 1 a 10 indicam sequências de tratamentos específicas:

T1 = resfriado de uma temperatura elevada em um processo de conformação e envelhecido naturalmente até uma condição substancialmente estável. Aplica-se a produtos que não são trabalhados a frio após resfriamento de uma temperatura elevada em um processo de conformação a quente, ou nos quais o efeito do trabalho a frio no endireitamento ou na planificação é reconhecido nos limites de propriedades mecânicas.

T2 = resfriado de uma temperatura elevada em um processo de conformação, trabalhado a frio e envelhecido naturalmente até uma condição substancialmente estável. Aplica-se a produtos que são trabalhados a frio para aumentar a resistência mecânica após resfriamento de uma temperatura elevada em um processo de conformação, ou nos quais o efeito do trabalho mecânico no endireitamento ou na planificação é reconhecido nos limites de propriedades mecânicas.

T3 = solubilizado, trabalhado a frio e envelhecido naturalmente até uma condição substancialmente estável. Aplica-se a produtos que são trabalhados a frio para aumentar a resistência mecânica após solubilização, ou nos quais o efeito do trabalho mecânico no endireitamento ou na planificação é reconhecido nos limites de propriedades mecânicas.

T4 = solubilizado e envelhecido naturalmente até uma condição substancialmente estável. Aplica-se a produtos que não são trabalhados mecanicamente após solubilização, ou nos quais o efeito do trabalho a frio no endireitamento ou a planificação pode não ser reconhecido nos limites de propriedades mecânicas.

T5 = resfriado de uma temperatura elevada em um processo de conformação e envelhecido naturalmente. Aplica-se a produtos que não são trabalhados a frio após resfriamento de uma temperatura elevada em um processo de conformação a quente, ou nos quais o efeito do trabalho a frio no endireitamento ou a planificação pode não ser reconhecido nos limites de propriedades mecânicas.

T6 = solubilizado e envelhecido artificialmente. Aplica-se a produtos que não são trabalhados a frio após solubilização, ou nos quais o efeito do trabalho a frio no endireitamento ou a planificação pode não ser reconhecido nos limites de propriedades mecânicas.

T7 = solubilizado e estabilizado. Aplica-se a produtos que são estabilizados após solubilização para levá-los além do ponto de máxima resistência mecânica, de modo a permitir o controle de alguma característica especial.

T8 = solubilizado, trabalghado a frio, e então envelhecido artificialmente. Aplica-se a produtos que são trabalhados a frio para aumentar a resistência mecânica, ou nos quais o efeito do trabalho mecânico no endireitamento ou na planificação é reconhecido nos limites de propriedades mecânicas.

T9 = solubilizado, envelhecido artificialmente e trabalhado a frio. Aplica-se a produtos que são trabalhados a frio para aumentar a resistência mecânica.

T10 = resfriado de uma temperatura elevada em um processo de conformação, trabalhado a frio e então envelhecido artificialmente. Aplica-se a produtos que são trabalhados a frio para aumentar a resistência mecânica, ou nos quais o efeito do trabalho mecânico no endireitamento ou

na planificação é reconhecido nos limites de propriedades mecânicas.

O tratamento de solubilização consiste em aquecer um produto, fundido ou trabalhado mecanicamente a uma temperatura adequada, manter a liga nessa temperatura por tempo suficiente para que os átomos de soluto se difundam de modo que se dissolvam na matriz, e resfriar rapidamente o material de modo a manter os elementos de liga dissolvidos na matriz. Algumas ligas da séria 6XXX atingem as mesmas propriedades quando solubilizadas em forno ou resfriadas de uma elevada temperatura de trabalho a quente, desde que o resfriamento seja rápido o suficiente para manter todo soluto em solução sólida. Neste caso as denominações de têmpera T3, T4, T6, T7, T8 e T9 podem ser mantidas e podem ser aplicadas em ambos os casos.

As denominações seguintes, envolvendo dígitos adicionais são usadas para o caso de materiais submetidos a alívios de tensões de produtos trabalhados:

T-51 = submetido a alívio de tensões por estiramento. Aplica-se aos seguintes produtos quando estirados, sendo indicado o grau de estiramento (em %), após solubilização ou resfriamento a parir de trabalho a quente:

Placas: 1,5 a 3 % de ajuste permanente. Vergalhões, barras, perfis e tubos extrudados: 1 a 3 % de ajuste permanente. Tubos trefilados: 0,5 a 3 % de ajuste permanente. Aplica-se diretamente a placas e barras e vergalhões laminados ou acabados a frio. Esses produtos não sofrem nenhum endireitamento adicional após o estiramento. Aplica-se a vergalhões, barras, tubos e perfis extrudados e também tubos trefilados, quando denominados de maneira mostrada a seguir:

T-510: produtos não sofrem endireitamento adicional após estiramento.

T-511: produtos que podem sofrer um pequeno endireitamento após o estiramento, de modo a se enquadrar nas tolerâncias padronizadas.

T-52 = submetido a alívio de tensões por compressão. Aplica-se aos produtos que foram submetidos a alívio de tensões por compressão após solubilização ou resfriamento a partir do trabalho a quente de modo a produzir um ajuste permanente de 1 a 5 %.

T-54 = submetido a alívio de tensões por combinação de estiramento e compressão. Aplica-se a produtos forjados que são submetidos a alívio de tensões ao serem repassados a frio pela matriz de acabamento.

Os mesmos dígitos (51, 52 e 54) podem ser adicionados à designação W para indicar um produto solubilizado instável e submetido a alívio de tensões. As seguintes designações são usadas para classificar produtos trabalhados e termicamente tratados das têmperas O ou F, para manifestar resposta a tratamentos térmicos:

T42 = solubilizado a partir das têmperas O ou F para demonstrar resposta ao tratamento térmico e envelhecido naturalmente até uma condição suficientemente estável.

T62 = solubilizado a partir das têmperas O ou F para demonstrar resposta ao tratamento térmico e envelhecido artificialmente.

As denominações de têmpera T42 e T62 também podem ser aplicadas a produtos trabalhados e termicamente tratados a partir de qualquer têmpera, quando esses tratamentos resultam em propriedades mecânicas compatíveis com essas têmperas.

A seguir são apresentadas temperaturas consideradas ideais para alguns tipos de tratamento térmico de algumas ligas de alumínio:

Tabela 4 – Temperaturas de recozimento completo

Liga Temperatura (ºC) 1060, 1100, 1350 345 2014, 2017, 2024, 2117, 2124, 2219 415 2036 385 3003, 3004, 3105 345 5005, 5050, 5052, 5056, 5083, 5086, 5154, 5182, 5254, 5454, 5456, 5457, 5652 345 6005, 6009, 6010, 6053, 6061 6063, 6066 415 7005 345 7001, 7049, 7050, 7075, 7079, 7178, 7475 415

Obs: No caso das ligas endurecíveis por precipitação (séries 2XXX, 6XXX e 7XXX) recomenda-se como tempo de tratamento (na temperatura indicada) 2 a 3 h. No caso das demais ligas apenas o suficiente para o atingimento da temperatura de tratamento.

Tabela 5 – Temperaturas de solubilização e envelhecimento (série 2XXX).

Liga T solubilização (ºC) T envelhecimento (ºC)

2011 525 160 2025 515 170 2219 535 175 2018 495 170 2024 495 190 2036 500 190 2038 540 205 2218 510 170 2008 510 205 2014 500 160 2017, 2117 500 170 2618 530 200 2090 540 165 2091 530 120

Tabela 6 – Temperaturas de solubilização e envelhecimento (série 6XXX).

Liga T solubilização (ºC) T envelhecimento (ºC)

6005 530 175 6009 555 205 6010 565 205 6053 520 170 6061 530 175 6063 520 175 6013 570 190 6066 530 175 6070 545 160 6111 560 175 6151 515 170 6262 540 175 6463 520 175 6951 530 160

Tabela 7 – Temperaturas de solubilização e envelhecimento (série 7XXX).

Liga T solubilização (ºC) T envelhecimento (ºC)

7001 465 120 7050 475 120 e 160 (2 etapas) 7075 480 120 7175 470 120 7475 510 120 Alclad 7475 495 120

Tabela 8 – Temperaturas de solubilização e envelhecimento (ligas fundidas).

Liga T solubilização (ºC) T envelhecimento (ºC)

201.0 525-530 155 204.0 530 140-180 206.0 525-530 155 222.0 510 155 295.0 515 155 296.0 510 155 328.0 515 155 333.0 505 155 336.0 515 155 355.0 525 155 356.0 540 155 Ligas de titânio

Comparação do Ti com aços:

 A densidade deste metal é de aproximadamente 56% da maioria dos aços liga.  Módulo de elasticidade e expansão térmica do Ti é de aproximadamente 50% dos

aços.

 A condutividade térmica do Ti é aproximadamente a mesma do aço inox.  Possui elevada resistência a corrosão comparada com os aços em geral.

Três principais razões para aplicações:

 Alta resistência mecânica e baixa densidade: motor a jato, estrutura aeronáutica, componentes tubulares, válvulas de pressão, transporte automotivo, presilhas, equipamentos esportivos, construção civil, ligas com memória de forma;

 Alta resistência a corrosão: indústria química e petroquímica, tubulações marinhos, reatores, trocador de calor, estação nuclear, relógios, computadores, sistemas ópticos;  Biocompatibilidade: implantes cirúrgicos.

Classificação das ligas de Ti conforme a microestrutura

Conforme a presença das fases α e β na microestrutura, as ligas são classificadas em cinco tipos conforme mostra quadro 01.

Quadro 01 – Classificação das ligas de titânio conforme microestrutura.

Bibliográfica

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UNIDADE III

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