Ligas Al-Cu: características e propriedades

A adição de pequenas quantidades de cobre a uma liga de alumínio pode resultar, segundo Zhou e coautores (Zhou et al., 2016), em resistências mecânicas próximas às de alguns aços. Além disso, o cobre como soluto em ligas de alumínio resulta em aumento de dureza, melhora de resistência à fadiga, fluência e aumento da usinabilidade. Contudo, o cobre geralmente reduz a resistência à corrosão generalizada (Zolotorevsky et al., 2007; Rooy, 1988).

O diagrama de equilíbrio do sistema Al-Cu é complexo e apresenta a formação de inúmeros compostos intermetálicos. No entanto, ligas Al-Cu ricas em Al (incluindo as de composição hipoeutética), solidificadas em condições de equilíbrio, têm, de acordo com as fases previstas no diagrama parcial de equilíbrio do sistema Al-Cu apresentado na Figura

2.16, sua microestrutura final composta por Al e Al2Cu (θ). Sendo que, em condições que se

afastam do equilíbrio termodinâmico, o intermetálico Al2Cu (θ’) também pode ser formado.

Ambos os compostos, θ e θ’, aprimoram as propriedades mecânicas da liga, pois quando dispersos na matriz de alumínio, são responsáveis pelo endurecimento por precipitação e aumento de resistência mecânica (Zhou et al., 2016).

Figura 2.16 – Diagrama parcial de equilíbrio do sistema Al-Cu (Software Thermo-Calc).

Segundo Osório e coautores (Osório et al., 2007B), conforme esquematizado na Figura 2.17, diante de taxas de resfriamento semelhantes durante o processo de solidificação, ligas Al-Cu de composições hipoeutéticas (Al-5%Cu, Al-10%Cu e Al-15%Cu) apresentam microestruturas compostas essencialmente por uma matriz dendrítica de alumínio (fase-α) envolvida por uma mistura eutética interdendrítica (β) composta por lamelas de αE (fase-α da

mistura eutética) e Al2Cu. Cada uma das três ligas Al-Cu estudadas por Osório e coautores

teve sua fração de mistura eutética estimada através da equação de Scheil sendo constatado que, embora a fase-α (FCC_Al) seja predominante na microestrutura de todas as ligas, o aumento da quantidade de cobre na liga resulta em maiores frações de mistura eutética na região interdendrítica: 10% de mistura eutética para a liga Al-5%Cu, 24% para a liga Al- 10%Cu e 40% para a liga Al-15%Cu.

Figura 2.17 – Representação esquemática das microestruturas observadas em ligas Al-Cu hipoeutéticas. (Adaptado de Osório et al., 2007B).

Rocha e coautores (Rocha et al., 2003A) verificaram a influência dos parâmetros térmicos no espaçamento dendrítico de ligas Al-Cu hipoeutéticas (Al-5%Cu, Al-8%Cu e Al- 15%Cu) solidificadas uniderecionalmente em regime transitório. Foi constatado que a quantidade de cobre na liga tem pouco efeito sobre o espaçamento dendrítico primário (λ1), já

que com apenas uma lei é possível representar a variação do espaçamento em relação a taxa de resfriamento. No entanto, o espaçamento dendrítico secundário (λ2) diminuiu com o

aumento da quantidade de cobre na liga. Os espaçamentos primários (λ1) experimentais

(regime transitório) apresentaram bom nível de concordância com os modelos teóricos (regime estacionário).

Eskin e coautores (Eskin et al., 2005) verificaram a influência de diferentes taxas de resfriamento e teores de cobre na formação da microestrutura de ligas binárias Al-Cu. Os resultados evidenciam a ocorrência de refinamento microestrutural com o aumento de ambos, taxa de resfriamento e porcentagem de cobre na liga. A fração de eutético também aumenta para maiores concentrações de cobre.

Quaresma e coautores (Quaresma et al., 2000) analisaram a relação entre condições de solidificação, espaçamentos dendríticos e propriedades mecânicas de ligas Al-Cu hipoeutéticas (Al-4,5%Cu e Al-15%Cu). Conforme apresentado nas Figuras 2.18 e 2.19, foram propostas equações do tipo Hall-Petch, correlacionando a escala dos espaçamentos dendríticos primários (λ1) e secundários (λ2) aos resultados dos ensaios mecânicos de tração.

Sendo que, menores valores de λ1 (liga Al-4,5%Cu) e de λ2 (ligas Al-4,5%Cu e Al-15%Cu),

ou seja, uma microestrutura mais refinada, possibilitou maiores valores de resistência à tração. É interessante ressaltar que, conforme pode ser verificado na Figura 2.19, o refino microestrutural parece possuir maior influência sobre σu do que a quantidade de Cu, já que

ambas as ligas, Al-5%Cu-1%Ni e Al-15%Cu-1%Ni, apresentam valores próximos de σu para

Figura 2.18 – Tensão limite de resistência à tração em função de λ1 para a liga Al-4,5%Cu

(Quaresma et al., 2000).

Figura 2.19 – Tensão limite de resistência à tração em função de λ2 para as ligas: (a) Al-

Comportamento semelhante foi observado por Osório e coautores (Osório et al., 2011) em relação ao limite de escoamento e limite de resistência à tração de uma liga Al-5%Cu, como mostrado na Figura 2.20. A melhoria dos níveis de resistência concomitante à diminuição de λ2 parece resultar de fatores como o grau de desorientação, a presença de soluto

segregado, a precipitação de outras fases nas regiões interdendríticas e a distribuição mais homogênea da mistura eutética αE + Al2Cu para menores escalas de λ1 e λ2.

Figura 2.20 – Limite de escoamento e limite de resistência à tração para a liga Al-5%Cu (Osório et al., 2011).

Os compostos intermetálicos apresentam módulo de elasticidade elevado, excelente resistência à corrosão e oxidação e boa resistência mecânica. Os intermetálicos formados entre Al e metais de transição são conhecidos por sua boa resistência em altas temperaturas, baixa densidade e altos pontos de fusão, o que os torna candidatos a aplicações estruturais de temperaturas elevadas. A dureza de sete compostos intermetálicos, AlCu, AlCu3 (cúbica),

AlCu3 (ortorrômbica), Al2Cu (ortorrômbica), Al2Cu (tetragonal), Al3Cu2 e Al9Cu11.5, foi

intermetálicos estudados, o AlCu (HV entre 9,25 e 10,43 GPa) é o que apresenta maior dureza.

A microestrutura das ligas Al-Cu influencia diretamente suas propriedades mecânicas (Quaresma et al., 2000) e sua resistência à corrosão (Osório et al., 2007B). A resistência à corrosão de ligas Al-Cu hipoeutéticas (Al-5%Cu, Al-8%Cu e Al-15%Cu) foi estudada por Osório e coautores (Osório et al., 2009). As curvas obtidas através de testes de polarização potenciodinâmica são apresentadas na Figura 2.21. Os resultados sugerem que as ligas binárias analisadas possuem maior suscetibilidade à corrosão no eletrólito NaCl, Figura 2.21 (a), que apresenta maiores densidades da corrente de corrosão (Icorr), do que na solução

H2SO4, Figura 2.21 (b), com menores valores de Icorr.

Figura 2.21 – Curvas de polarização potenciodinâmica das ligas Al-5%Cu, Al-10%Cu e Al- 15%Cu em soluções 0,5M (a) NaCl e (b) H2SO4 (Osório et al., 2009).

De maneira geral, aumentos na quantidade de cobre nas ligas foram acompanhados por decréscimos na resistência à corrosão para ambos os eletrólitos utilizados. Segundo os autores, a fase αE (fase-α da mistura eutética) envelopa as partículas de Al2Cu, agindo como

uma proteção contra corrosão. Espaçamentos dendrítico menores e, consequentemente, uma morfologia eutética mais refinada possibilitam que a “barreira proterora” seja extensivamente distribuída. Nas Figuras 2.22 (a) e 2.22 (b) são apresentadas as imagens obtidas através de

MEV de uma área não corroída e de uma região após teste com a solução 0,5M H2SO4. A

corrosão ocorreu na mistura eutética localizada na região interdendrítica, sendo preservada a matriz rica em Al. Os autores atribuíram os resultados a dois fatores principais: 1) a diferença de potenciais de corrosão entre a fase rica em Al e as partículas de intermetálico pode ter iniciado o processo corrosivo; 2) as taxas de corrosão foram influenciadas pela morfologia da microestrutura e pelas taxas de resfriamento.

Figura 2.22 – Imagens obtidas por MEV evidenciando (a) a matriz rica em Al e (b) a corrosão da mistura eutética após testes de polarização em solução 0,5M H2SO4 (Osório et al., 2009).

Amin e coautores (Amin et al., 2008) utilizaram técnicas potenciostáticas e polarização potenciodinâmica para verificar a resistência à corrosão do Al puro e das ligas Al-2,5%Cu e Al-7%Cu à diversas concentrações de NaClO4. Sendo que, em todas as amostras, a corrosão

por pites mostrou-se mais pronunciada para soluções de NaClO4 mais concentradas. Em

contrapartida, a adição de Cu ao Al e o aumento de seu teor na liga promoveu aumento na resistência à corrosão.

Estudos sobre corrosão de ligas Al-Cu conduzidos por Song e coautores (Song et al., 2011) e Osório e coautores (Osório et al., 2012A) demonstraram que o maior refinamento do intermetálico Al2Cu (θ) reduziu a susceptibilidade à corrosão por pites através do mecanismo