Propriedades Mecânicas do Alumínio e suas ligas

Os elementos de liga típicos das ligas de alumínio são o cobre, magnésio, manganês, silício e zinco. Existem dois processos principais pelos quais componentes à base de ligas de

alumínio são obtidos, isto é, fundição e forjamento, sendo ambos subdivididos nas categorias de não tratável termicamente e tratável termicamente. Cerca de 85 % do alumínio é usado para produtos forjados, por exemplo, laminados de placas, folhas e extrusões. Ligas de alumínio fundido são geralmente associadas a produtos com custo de fabricação menor devido ao ponto de fusão relativamente baixo, embora eles geralmente tenham menor resistência à tração do que componentes forjados. O sistema binário mais importante no que diz respeito às ligas fundição é o Al-Si, com silício geralmente na faixa de 4,0% a 13%. As ligas de alumínio são largamente utilizadas em estruturas de engenharia civil e componentes onde há exigência de alta resistência mecânica específica (razão resistência mecânica / massa específica) ou resistência à corrosão (Polmear, 1996).

Os elementos que são geralmente mais presentes nas ligas comerciais de alumínio comercial, como cobre, magnésio, manganês, silício e zinco, são adicionados para proporcionar maior resistência, em especial o endurecimento por deformação a frio, e tratamento térmico. Estes elementos têm boa solubilidade no alumínio, aumentando com o acréscimo da temperatura (Suker, 2013). A Figura 2.20 mostra um esquema elencando os principais elementos formadores das principais ligas de alumínio comerciais (binárias, ternárias e quaternárias) assim como algumas características de aplicação.

Figura 2-20 – Combinação entre o alumínio e os principais elementos de liga, adaptado de

O desenvolvimento contínuo de ligas de alumínio tem como um dos objetivos principais de estudo o desenvolvimento de ligas mais resistentes. Para se alcançar este objetivo, têm sido pesquisados composições químicas inéditas das ligas e estabelecimento de novos parâmetros de tratamentos térmicos assim como de processamentos termomecânicos e consequentemente, a influência dessas modificações sobre as propriedades mecânicas. De uma forma geral, os métodos mais comuns utilizados para se aumentar a resistência mecânica das ligas de alumínio são (Askeland e Phulé, 2008):

i) no caso de ligas não tratáveis termicamente: o ganho de resistência mecânica se dá por meio de constituintes de segunda fase, elemento de ligas em solução sólida e trabalho mecânico por deformação a frio;

ii) no caso de ligas tratáveis termicamente: o mecanismo de endurecimento é resultado da dissolução dos elementos de liga em uma solução sólida supersaturada, com a posterior precipitação como partículas coerentes submicroscópicas.

Neste sentido, na literatura são encontradas em boa quantidade, pesquisas relacionadas aos dois tópicos mencionados anteriormente. Por outro lado, de forma inversa, há poucos trabalhos que correlacionam microestruturas, resultantes de processos de fundição, com propriedades mecânicas, tornando-se um nicho a ser mais explorado. A possibilidade de se produzir uma microestrutura fundida com propriedades mecânicas que atendam os níveis de tensões em serviço, pode então eliminar trabalhos posteriores como tratamento térmico e trabalho mecânico, levando-se a uma redução de custos.

A literatura apresenta alguns estudos nos quais são desenvolvidas correlações entre parâmetros de microestruturas de solidificação e propriedades de ligas de Al, principalmente dureza, resistência à tração e resistência ao desgaste. Quaresma (Quaresma et al., 2000) desenvolveram leis experimentais correlacionando limite de resistência à tração e espaçamento dendrítico secundário para ligas Al-4,5%Cu e Al-15%Cu solidificadas no regime transitório em um dispositivo de solidificação unidirecional e horizontal. Cruz (Cruz

et al., 2010) também desenvolveram estudos com solidificação unidirecional transitória, desta

vez num dispositivo de solidificação unidirecional ascendente, em ligas dos sistemas Al-Si e Al-Sn, nos quais foram obtidas expressões experimentais relacionando propriedades mecânicas de tração (tensão de escoamento, limite de resistência à tração e alongamento específico) com espaçamentos dendríticos primários e secundários e também leis de

correlação entre resistência ao desgaste e espaçamento dendrítico primário. As correlações estabelecidas, nestes dois trabalhos mencionados, entre microestrutura e as propriedades obtidas pelo ensaio de tração e volume de degaste, são de equações no formato tipo Hall- Petch. Para estas ligas, quanto maior o grau de refino da estrutura, maior a resistência mecânica, fato explicado pela distribuição mais homogênea de segundas fases que provoca um bloqueio ao deslocamento de discordâncias. A mesma conclusão pode ser obtida para o caso da resistência ao desgaste somente para sistemas em que a fase eutética atua como reforço da fase dúctil rica em alumínio, como o sistema Al-Si. De forma contrária, ligas Al-Sn apresentam uma fase eutética (estanho) com efeito lubrificante potencializado quando está distribuído em uma estrutura dendrítica mais grosseira. Uma análise semelhante foi realizada em outros sistemas de interesse tribológico por Feitosa (Feitosa et al., 2013; 2014) como Al- In, Al-Bi e Al-Pb correlacionando espaçamentos interfásicos e distribuição dos glóbulos da fase minoritárias com resistência ao desgaste.

Goulart (Goulart et al., 2010C e 2009) com o estudo das ligas Al-0,5%Fe, Al-1,0%Fe e Al-1,5%Fe usadas, por exemplo, em embalagens, placas de arquitetura e litografia, analisaram a influência da taxa de resfriamento e seus efeitos na formação da fase metaestável Al6Fe e seus efeitos sobre a resistência mecânica. Os autores concluiram que, quanto mais refinado o conjunto de estrutura celular e a presença da fase metaestável, maior é a resistência à tração e a ductilidade. Canté (Canté et al., 2010) relacionaram limites de escoamento e resistência à tração e alongamento específico com espaçamentos dendríticos primários e secundários de ligas Al-1%; 3% e 5% Ni a partir de amostras solidificadas unidirecionalmente em condições transitórias de fluxo de calor. Complementando o trabalho de Canté, Bismarck (Bismarck et

al., 2011) analisaram a influência dos intermetálicos (α e β) presentes na liga Al-Nie sua

correlação com a dureza da liga. Segundo os autores, a relação entre os espaçamentos dendríticos primários (λ1) e a microdureza segue uma lei do tipo Hall-Petch e a microdureza aumenta com a diminuição de λ1 e com a adição de mais soluto à liga, o que provoca o aumento da formação do intermetálico Al3Ni (β).

Mais recentemente, devido ao interesse comercial por ligas multicomponentes, a análise de microestruturas de solidificação e propriedades decorrentes tem sido estendida para sistemas ternários. Evidentemente a complexidade é maior devido ao aumento de número de fases formadas normalmente fora do equilíbrio, tornando a análise do caminho de

solidificação mais difícil mesmo com o apoio de pacotes de termodinâmica computacional como o Thermocalc. Canté (Canté et al., 2013) estudaram o efeito da adição de 1,0% de Ni na liga Al-1,0%Fe com relação a microdureza . Contrariando a teoria da solidificação de ligas binárias em que o acréscimo de soluto instabiliza a frente de solidificação, a microestrutura da liga Al-1,0%Fe com o acréscimo de 1,0%Ni manteve-se celular, lembrando ainda que a liga Al-1,0%Ni possui estrutura dendrítica. Os autores verificaram que ocorreu um incremento na microdureza com o acréscimo de Ni na liga, este aumento de dureza se deve a diminuição do espaçamento celular associado com os intermetálicos Al9FeNi e Al3Fe formados na nova liga ternária. De forma semelhante, Brito (Brito et al., 2015) analisaram a variação de microdureza da liga Al-3,0%Mg-1,0%Si e níveis mais elevados de microdureza estão relacionados também à estrutura mais refinada, no caso uma estrutura dedrítica reforçada com as fases Mg2Si e AlFe(Si), sendo o Fe proveniente da composição inerente ao alumínio de pureza comercial.

2.7 Ligas de Al-Ag - (Cu)

As ligas do sistema alumínio-prata e alumínio-cobre são alvo de muitos estudos na literatura devido à sua capacidade de alterar as propriedades mecânicas do alumínio, aumentando sua resistência à tração, ao escoamento, alongamento específico, dureza e tenacidade, além de serem ligas termicamente tratáveis e resistentes à corrosão.

Os estudos dos sistemas Al-Ag e Al-Cu foram iniciados por Guinier-Preston na década de 30 (Duparc, 2010) para explicar o endurecimento ocorrido com estas ligas com o passar do tempo, à temperatura ambiente ou quando tratada termicamente. Este processo ocorre, segundo os autores, em função da migração dos átomos do soluto para os vértices da rede cristalina, criando distorções/defeitos nesta rede e, com isto, promovendo o endurecimento da liga. Quanto maior a diferença entre o tamanho atômico do soluto e do solvente, mais evidente e acentuado é o processo. O tratamento térmico de precipitação ou envelhecimento pode ocorrer de forma natural ou artificial, com objetivo de produzir uma fina dispersão de precipitados endurecedores submicroscópicos na matriz, a partir da solução sólida supersaturada por meio de mecanismos de difusão favorecidos pela alta concentração de

lacunas resultantes do tratamento de solubilização. A precipitação pode ocorrer na temperatura ambiente (natural) ou durante o aquecimento acima da temperatura ambiente (artificial) que é a forma mais comum pois no envelhecimento natural a difusão em baixas temperaturas é muito lenta exigindo tempos de tratamento muito longos (Duparc, 2010;

Senapati, 2006; Preston, 1938; Guinier, 1938).

Os mecanismos de precipitação podem ocorrer de forma homogênea ou heterogêna. O estágio inicial do processo de precipitação homogênea envolve: uma redistribuição de átomos de soluto por difusão na solução sólida supersaturada; a segregação desses átomos em vários pontos da matriz; a formação de pequenos aglomerados de concentração maior do que a concentração média da solução sólida (cluster); o crescimento destes clusters dá origem às zonas de Guinier-Preston (zonas GP). A precipitação heterogênea se dá pela presença de contornos de grão, contornos de subgrão e discordâncias ocorrendo em temperaturas acima de um certo valor, dada como temperatura solvus da zona GP. No estágio inicial, as zonas GP formam interfaces coerentes que conforme o processo de envelhecimento evolui com o tempo, as zonas GP vão sofrendo um rearranjo atômico até que as transformam numa fase metaestável e semicoerente com a matriz. Com o crescimento das partículas de transição, as deformações na matriz aumentam até que as ligações interfaciais entre partículas e a matriz se rompam, resultanto na perda total da coerência entre precipitado e matriz. (Santos, 2006). O tamanho da zona GP é muito pequeno, menor do que alguns nanômetros e a determinação da sua composição é muito difícil utilizando técnicas tradicionais de caracterização.(Osamura et

al., 1987).

A seqüência típica de decomposição em ligas Al-Cu mostra uma variedade de estados metaestáveis: α(cúbica de face centrada) → zona GP θ”→ zona GP θ´ → θ (CuAl2)

(Kashyap, 2011). Para o caso das ligas Al–Ag a seqüência é dada por: α(cúbica de face

centrada)→ zona GP de formato esférico→fase metaestável γ′ (AlAg2)→fase de equilíbrio γ (hexagonal compacta) (Nada, 2011). A Figura 2.21 apresenta, no diagrama de fases, a localização da zona GP para o sistema Al-Ag. Osono (Osono et al., 1978) estudaram a variação da resistividade elétrica da liga Al-1,03at%Ag, variando a temperatura e o tempo de aquecimento da liga e a temperatura de resfriamento da zona GP. Lourdjane e Raho (Lourdjane e Raho, 2015) estudaram a correlação existente, para a liga Al-10at%Ag, entre a matriz da zona GP com o seu endurecimento via tempera e a variação da resistividade,

estabelecendo uma correlação linear entre o endurecimento da zona GP e resistividade da liga. Rosalie e Bourgeois (Rosalie e Bourgeois, 2012) analisando a segregação de Ag na interface

θ´(Al2Cu)–Al em ligas do sistema Al–Ag-Cu alloys após o processo de envelhecimento, concluíram que a segregação de Ag age como uma barreira à difusão do Cu, impedindo ou prevenindo o crescimento lateral dos precipitados θ´. De acordo com Mondolfo (Mondolfo,

1976) duas zonas GP são formadas: uma com formato esférico rica em prata e outra lamelar

rica em cobre, sendo que as zonas GP ricas em prata são formadas antes das de cobre mas com uma taxa 2 a 3 vezes mais lenta se comparadas com as correspondentes nas ligas binárias. Nenhum intermetálico com os três elementos é previsto no estado de equilíbrio,sendo somente as fases: CuAl2, Ag2Al e Al.

Figura 2-21 – Diagrama de fases mostrando o campo das fases metaestáveis que

correspondem a zona de Guinier-Preston, adaptado de Baur (Baur e Gerold, 1962).

Como apresentado, os trabalhos relacionados aos sistemas Al-Cu, Al-Ag e Al-Ag-Cu presentes na literatura correlatos às propriedades mecânicas, se referem basicamente à tratamentos térmicos. Trabalhos relativos à microestrutura no estágio anterior ao processo de tratamento térmico, isto é, o estágio de transformação líquido→sólido são poucos na

Líquido Zona GP Solvus Te m p e ra tu ra º C

Alumínio percentual atômico Alumínio percentual em massa

literatura. Dentre os três sistemas mencionados, o único sistema com trabalhos publicados a respeito da correlação entre microestrutura bruta de fusão e propriedades mecânicas solidificadas sob regime transitório foi o Al-Cu (Faria et al., 2015; Barros et al., 2015; Dias

et al., 2015; Faria, 2015; Rosa, Spinelli e Garcia, 2006B;Spinelli et al., 2004; Sá et al., 2004; Rocha, Siqueira e Garcia, 2003B; Rocha, 2003C). Para os demais sistemas, não

foram localizados este tipo de trabalho. À título de aplicação prática, fora do campo da solidificação, seguem alguns exemplos de trabalhos encontrados na literatura sobre as ligas Al-Ag e Al-Ag-Cu.

Liu (Liu et al., 2009) publicaram um estudo no qual a liga Al-33%Ag é aplicada na forma de um filme fino para comutar sinais em conjunto com substrato de cerâmica La0,7Ca0,3MnO3 e platina, formando uma estrutura em forma de sanduíche (Al-Ag/ La0,7Ca0,3MnO3/Pt) para uso em memórias RAM, com a vantagem de consumir menos energia e manter as informações gravadas mesmo após o corte de energia. Binggang (Binggang et al.,

2011) realizaram experimentos com a aplicação da prata como elemento de junta de solda, por

feixe de elétron, entre o alumínio e aço, e relataram a melhora das propriedades mecânicas da área soldada, diminuição das tensões na peça de alumínio e redução da porosidade.

Segundo Yang (Yang, Sun e Zhou, 2011), os filmes de Al-Ag estão sendo estudados nos últimos anos com maior intensidade em função do desenvolvimento da plasmônica, que é uma das áreas da fotônica e estuda como o campo magnético pode ser confinado em dimensões de mesmo tamanho de comprimento de onda ou menores. Os autores aplicaram um filme fino de Al-Ag (Al-10%Ag e Al-20%Ag) na variação da resposta da frequência ótica do substrato após o recozimento, onde descobriram que a transição interbanda, cerca de 1,5 eV, pode ser deslocada através de uma temperatura de recozimento variável em conjunto com a variação da porcentagem de prata na liga. Auer (Auer et al., 2011) também estudaram as propriedades óticas dos filmes finos de alumínio e prata, porém o foco foi na aplicação do filme sobre um substrato de silício e seu posterior tratamento térmico de recozimento. Os autores realizaram os experimentos com várias concentrações de prata do sistema Al-Ag e concluíram que a abertura dielétrica entre os grãos, após o tratamento térmico, pode ter uma influência significativa nas propriedades óticas da liga. A aplicação das ligas metálicas para o uso plasmônico é crescente em função do potencial de condução e armazenamento de dados eletrônicos (Yang et al., 2013).

Lee e Horita (Lee e Horita, 2013) analisaram o efeito da aplicação da torção de alta pressão, em temperatura ambiente, sobre as propriedades mecânicas das ligas de alumínio e prata (Al-5%Ag, Al-11%Ag e Al-20%Ag), obtendo o refinamento do grão para aproximadamente 300 nm, após a torção, e realizaram medições de microdureza, testes de tração, medições com microscópio eletrônico de varredura e microscopia de força atômica. Os autores relataram que a resistência à tração aumentou, mas a liga manteve a ductilidade. Em artigo recente, Sordi e colaboradores (Sordiet al., 2015) aplicaram o processo de extrusão em canal angular (ECA) na liga Al-17%Ag. O processo ECA é um método de deformação mecânica severa capaz de produzir grãos ultrafinos em materiais metálicos. Após o processo ECA, os autores submeteram as amostras ao envelhecimento a 400ºC em diferentes períodos de tempo com objetivo de quantificar a cinética de precipitação e o crescimento competitivo da fase Al2Ag. Utilizando a mesma técnica ECA na liga Al-10.8%Ag, Ohashi (Ohashi et al.,

2006) submeteu as amostras trabalhadas em ECA ao processo de envelhecimento a 100ºC a

períodos de 3, 100 e 300 h e comparou suas curvas de tensão deformação com o caso de amostras solubilizadas e envelhecidas nas mesmas condições de tratamento térmico. A Figura 2.22 mostra o ganho em resistência mecânica proporcionado pelo processo ECA mas com certa perda em ductilidade.

Figura 2-22 – Curvas de tensão x deformação liga Al-10,8%Ag a) condição solubilizada com

e sem envelhecimento subsequente b) processada por ECA e com e sem envelhecimento subsequente (adaptado de Ohashi, 2006)

A investigação das ligas ternárias Al-Ag-Cu tem interesse na indústria e na pesquisa por ser uma liga que simula muito bem o comportamento eutético de ligas ternárias (Horita et al.,

2005; Hutchinson et al., 2001). Drevermann (Drevermann et al., 2005) propuseram um

experimento sob microgravidade, com a liga ternária Al-15,60at.%Cu-4,96at.%Ag, onde combinou cálculos termodinâmicos, experimentos e simulações de microestrutura para obter a microestrutura eutética formada durante a solidificação unidirecional que resultaram em uma estrutura lamelar eutética composta pelas duas fases, α ( Al ) e Al2Cu. Os cálculos termodinâmicos forneceram todas as informações sobre o equilíbrio de fases necessárias para a experiência e análise e estão diretamente acoplados à simulação da microestrutura. FuPing e Bingbo (FuPing e BingBo, 2009) com o estudo da liga Al-30%Cu-18%Ag, solidificada rapidamente, sobre a correlação entre a taxa de resfriamento e a formação de microestruturas previstas e estruturas anômalas formadas na fase eutética (θ= Al2Cu, α= Al e ξ= Ag2Al). Benedetti (Benedetti et al.,1995) estudaram a influência dos elementos de liga sobre a corrosão, em ligas de Cu, Cu-Al e Cu-Al-Ag, onde obtiveram como resultado o melhoramento da resistência à corrosão com a adição do alumínio ao cobre e, quando se adicionou prata à liga alumínio-cobre, foi a melhor combinação em termos de resistência a corrosão.