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Texto

(1)UNIVERSIDADE PRESBITERIANA MACKENZIE ESCOLA DE ENGENHARIA MESTRADO ENGENHARIA DE MATERIAIS. JOSÉ FERNANDO PAZ GONZALEZ. ANÁLISE DO COMPORTAMENTO EM FADIGA DA LIGA DE ALUM ÍNIO 7075 SOLUBILIZAD A E ENVELHECID A. São Paulo 2016.

(2) JOSÉ FERNANDO PAZ GONZALEZ. ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DE FADIGA DA LIGA DE ALUM ÍNIO 7075 SOLUBILIZADO E ENVELHECIDO. Dissertação de Mestrado apresentado a Pós-graduação em Engenharia de Materiais da Universidade Presbiteriana Mackenzie, como requisito parcial obtenção do título de Mestre.. ORIENTADOR: PROF. DR. ANTÔNIO AUGUSTO COUTO. São Paulo 2016.

(3) G643a Gonzalez, José Fernando Paz Análise do comportamento em fadiga da liga de alumínio 7075 solubilizada e envelhecida / José Fernando Paz Gonzalez – 2016. 85f.: il., 30 cm Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) – Universidade Presbiteriana Mackenzie, São Paulo, 2016. Orientação: Prof. Dr. Antônio Augusto Couto Bibliografia: f. 81-83 1. Alumínio. 2. Liga 7075. 3. 7075 T651. 4. Fadiga. 5. Solubilização. 6. Envelhecimento análise. 7. Metalografia. 8. Micrografia. 9. Materiais metálicos. 10. Curva de Wöhler. 11. Tratamento térmico. 12. Flexo rotativa. I. Título. CDD 673.722.

(4) JOSÉ FERNANDO PAZ GONZALEZ. ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DE FADIGA DA LIGA DE ALUM ÍNIO 7075 SOLUBILIZADO E ENVELHECIDO. Dissertação de Mestrado apresentado a Pós-graduação em Engenharia de Materiais da Universidade Presbiteriana Mackenzie, como requisito parcial obtenção do título de Mestre. Aprovado em:. BANCA EXAMINADORA. __________________________________________________ Prof. Dr. Antônio Augusto do Couto Universidade Presbiteriana Mackenzie. __________________________________________________ Prof. Dr. Jan Vatavuk Universidade Presbiteriana Mackenzie. __________________________________________________ Prof. Dr. Nelson Batista de Lima Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares.

(5) Acima de tudo dedico Deus por tudo o que eu alcancei. Dedico este trabalho ao meu pai José Paz Pereira e a minha família pela grande ajuda na minha jornada..

(6) AGRADECIMENTOS. Ao Prof. Dr. Antônio Augusto do Couto pelas orientações e grande ajuda durante o desenvolvimento deste trabalho. Ao Prof. Dr. Jan Vatavuk pela grande ajuda no desenvolvimento deste trabalho. Aos professores da pós graduação pelo apoio. Ao colega de graduação e pós graduação, Guilherme Bruno Barroso Bonfitto pela grande ajuda no retrofit da máquina flexo rotativa. Aos meus colegas de trabalho pela grande ajuda para a realização deste trabalho..

(7) Se enxerguei mais longe é porque me apoiei sobre ombros de gigantes. Isaac Newton.

(8) RESUMO. Nas últimas décadas o alumínio teve uma grande evolução, desde o começo da sua história em que chegou a ter um valor superior ao ouro, até os dias atuais em que ele é empregado no nosso dia a dia, desde uma lata de refrigerante até partes fundamentais de um avião. Com a crescente necessidade em vários seguimentos industriais, principalmente nas industrias aeronáuticas e automobilísticas, em que se tem a preocupação com a redução de peso, um estudo desse material se torna importante. Este trabalho tem como intuito o estudo da liga de alumínio 7075 solubilizada e envelhecida artificialmente em que foram estudados os principais comportamentos mecânicos desse material. Para esse estudo foi realizado os ensaios de dureza, tração e fadiga, foco deste trabalho, em que se obteve uma dureza de 230 Hv e um limite de resistência médio de 676 MPa e um limite de escoamento de 615 MPa. O estudo do comportamento em fadiga em que se realizou ensaiados de fadiga em uma máquina flexo rotativa de ciclo de tensão reversa tração-compressão à temperatura ambiente levantando a curva de Wöhler também conhecida como curva S-N (tensão x Nº de ciclos), que apresentou característica de material não ferroso. Um dos corpos de prova chegou a atingir um número de ciclos superior à 8,4x106 com uma tensão aplicada no corpo de prova de 135 MPa. As superfícies de fratura apresentaram as características típicas de propagação de trincas e ruptura dúctil por sobrecarga em que se observou diferenças no tipo de propagação da trinca no baixo ciclo com relação as propagações no médio e alto ciclo, além de se verificar a presença de marcas de catraca e estrias de fadiga observadas no MEV. Além de se observar a presença de microcavidades associadas aos precipitados e possíveis precipitados.. Palavra-chave: Alumínio, liga 7075, 7075 T651, fadiga, solubilização, envelhecimento análise, metalografia, micrografia, materiais metálicos, curva de Wöhler, tratamento térmico, flexo rotativa..

(9) ABSTRACT. In recent decades the aluminum had a great evolution since the beginning of his story that came to have a greater value than gold, to the present day that it is used in our days from a tin of soda to key parts of an airplane. With the growing need in various industrial segments, especially the aeronautical and automobile industries, wherein the weight reduction is a concern, the study of this material becomes important. This work has as objective the study of aluminum alloy 7075 solubilized and artificially aging were studied in which the main mechanical behavior of this material. It was performed the hardness, tensile tests and the focus, fatigue test, in which was observed a hardness of 230 HV and mean tensile strength of 676 MPa and yield strength of 615 MPa. The study of fatigue behavior was done in a rotating bending testing machine at ambient temperature to developing the Wöhler curve also known as S-N curve (tension x No. of cycles), who showed the characteristic of non-ferrous materials An specimen reached number of cycle greater than 8,4x106 with the stress of 135 MPa. The fracture surfaces showed the typical characteristics of crack propagation and ductile overload fracture and showed differences in the type of crack propagation in low cycle when compared with medium and high cycle, besides that was showed ratchet marks and fatigue stretch when observed with SEM. It was observed the presence of dimples associated with the precipitates.. Key word: Aluminum, alloy 7075, 7075 T651, fatigue, solubilization, aging analysis, metallography, micrograph, metal materials, Wöhler curve, heat treatment, flexo rotary..

(10) SUMÁRIO. 1. INTRODUÇÃO.............................................................................. 14. 1.1. OBJETIVOS................................................................................... 15. 1.1.1 OBJETIVOS GERAIS................................................................... 15 1.1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS......................................................... 15 1.2. JUSTIFICATIVA........................................................................... 15. 2. REVISÃO BIBLIOGRAFICA....................................................... 2.1. O ALUMÍNIO................................................................................ 17. 2.2. LIGAS DE ALUMÍNIO................................................................. 20. 2.2.1 CLASSIFICÇÃO DAS LIGAS...................................................... 21. 17. 2.2.2 TRATAMENTO DAS LIGAS...................................................... 24 2.2.3 SOLUBILIZAÇÃO........................................................................ 25 2.2.4 ENVELHECIMENTO POR PRECIPITAÇÃO............................ COMPOSIÇÃO QUIMICA DO ALUMÍNIO 7075 ................. 2.3. 26 27. 2.4. FADIGA......................................................................................... 28. 3. MATERIAIS E MÉTODOS........................................................... 31. 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO.................................................... 40. 5. CONCLUSÕES.............................................................................. 77.

(11) LISTA DE ILUSTRAÇÕES. Imagem 1 Fluxograma do processo Bayer.................................................... 19. Imagem 2 Redução da Alumina.................................................................... 19. Gráfico 1 Produção de Alumínio Primário................................................... 20. Imagem 3 Elementos de Liga Tratáveis e Não Tratáveis Termicamente..... 21. Imagem 4 Representação solução solida saturada (a) reticulado coerente 27 (b) reticulado do precipitado em equilíbrio (c)............................ Imagem 5 Máquina flexo rotativa.................................................................. 29. Gráfico 2 Tipos de Tensões cíclicas.............................................................. 29. Gráfico 3 Tensão x Nº de ciclos até a ruptura............................................... 30. Imagem 6 Durômetro WPM da UPM............................................................ 31. Imagem 7 Desenho técnico do corpo de prova de tração.............................. 32. Imagem 8 Foto do corpo de prova de tração.................................................. 32. Imagem 9 Torno CNC Centur 30D da UPM................................................. 33. Imagem 10 Desenho técnico do Corpo de Prova de Fadiga............................ 33. Imagem 11 Foto do Corpo de Prova de Fadiga usinado na UPM.................... 34. Imagem 12 Foto do microscópio Olympus BM 60 M..................................... 35. Imagem 13 Alternância de tensão de tração e compressão durante a rotação 36 no corpo de prova........................................................................ Imagem 14 Máquina para ensaio de fadiga flexo rotativa modelo VEB......... 36. Imagem 15 Mancais e embreagem da máquina de flexo rotativa.................... 37. Imagem 16 Projeto da placa de Circuito......................................................... Imagem 17 Foto de uma placa de circuito reprojetada para a máquina........... 38. Imagem 18 Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) JEOL - JSM6510. 39. Gráfico 4 Tensão x Deformação CP 1......................................................... 40. Gráfico 5 Tensão x Deformação CP 2......................................................... 41. Gráfico 6 Tensão x Deformação CP 3......................................................... 42. 38. Imagem 19 Micrografia em corte transversal de Alumínio 7075 T651 44 aumentado 10x............................................................................ Imagem 20 Micrografia em corte transversal de Alumínio 7075 T651 44 aumentado 50x............................................................................ Imagem 21 Micrografia em corte transversal de Alumínio 7075 T651 45 aumentado 100x.......................................................................... Imagem 22 Micrografia em corte longitudinal de Alumínio 7075 T651 46 aumentado 20x.............................................................................

(12) Imagem 23 Micrografia em corte longitudinal de Alumínio 7075 T651 46 aumentado 50x............................................................................ Imagem 24 Micrografia em corte longitudinal de Alumínio 7075 T651 47 aumentado 100x.......................................................................... Imagem 25 Superfície de fratura do Alumínio 7075 T651 CP Tração 1......... 48. Imagem 26 Superfície de fratura do Alumínio 7075 T651 CP Tração 1......... 48. Imagem 27 Superfície de fratura do Alumínio 7075 T651 CP Tração 1......... 49. Imagem 28 Superfície de fratura do Alumínio 7075 T651 CP Tração 1......... 49. Imagem 29 Superfície de fratura Al 7075 T651 CP Tração 2......................... 50. Imagem 30 Superfície de fratura Al 7075 T651 CP Tração 2......................... 51. Imagem 31 Superfície de fratura Al 7075 T651 CP Tração 2......................... 51. Imagem 32 Superfície de fratura Al 7075 T651 CP Tração 3......................... 52. Imagem 33 Superfície de fratura AL 7075 T651 CP Tração 3........................ 52. Imagem 34 Superfície de fratura Al 7075 T651 CP Tração 3......................... 53. Gráfico 7 Curva S-N Alumínio 7075 T651................................................... 55. Imagem 35 Corpo de prova fraturado fora do rebaixo..................................... 56. Imagem 36 Círculo de Mohr............................................................................ 57. Imagem 37 Corpo de prova 11 ensaiado em fadiga sob tensão de 406 MPa 57 de Alumínio 7075 T651............................................................... Imagem 38 Corpo de prova 7 ensaiado em fadiga sob tensão de 203 MPa 58 de Alumínio 7075 T651............................................................... Imagem 39 Corpo de prova 17 ensaiado em fadiga sob tensão de 169 MPa 59 de Alumínio 7075 T651............................................................... Imagem 40 Micrografia de CP 2 de Fadiga em corte longitudinal de Al 59 7075 T651 aumentado 5x............................................................. Imagem 41 Micrografia de CP 2 de Fadiga em corte longitudinal de Al 60 7075 T651 aumentado 10x........................................................... Imagem 42 Micrografia de CP 2 de Fadiga em corte longitudinal de Al 60 7075 T651 aumentado 20x........................................................... Imagem 43 Micrografia de CP 17 de Fadiga em corte longitudinal de Al 61 7075 T651 aumentado 5x............................................................. Imagem 44 Micrografia de CP 17 de Fadiga em corte longitudinal de Al 62 7075 T651 aumentado 10x........................................................... Imagem 45 Micrografia de CP 17 de Fadiga em corte longitudinal de Al 7075 T651 aumentado 20x............................................................ 62. Imagem 46 Marcas de catraca na superfície de fratura por fadiga do Al 63 7075 T651.................................................................................... Imagem 47 Marcas de catraca e propagação das trincas na superfície de 64 fratura por fadiga do Al 7075 T651..............................................

(13) Imagem 48 Steps na superfície de fratura por fadiga do Al 7075 T651.......... 64. Imagem 49 Mudança da propagação da trinca na superfície de fratura por 65 fadiga do Al 7075 T651............................................................... Imagem 50 Dimples superfície de fratura por fadiga do Al 7075 T651.......... 66. Imagem 51 Micro dimples superfície de fratura por fadiga do Al 7075 66 T651.............................................................................................. Imagem 52 Micro estrias na superfície de fratura por fadiga do Al 7075 67 T651............................................................................................ Imagem 53 Início da trinca e estrias na superfície de fratura por fadiga do 68 Al 7075 T651............................................................................... Imagem 54 Final da trinca na superfície de fratura por fadiga do Al 7075 68 T651............................................................................................ Imagem 55 Estrias de fadiga na superfície de fratura por fadiga do Al 7075 69 T651............................................................................................ Imagem 56 Estrias de fadiga mal definidas na superfície de fratura por 70 fadiga do Al 7075 T651............................................................... Imagem 57 Área final da fratura por fadiga do Al 7075 T651. ...................... 70. Imagem 58 Início da trinca por fadiga do Al 7075 T651. ............................... 71. Imagem 59 Mudança de mecanismos de fadiga do Al 7075 T651.................. 72. Imagem 60 Mudanças de mecanismos e trincas intergranular do Al 7075 72 T651.............................................................................................. Imagem 61 Superfície final da fratura por fadiga do Al 7075 T651................ 73. Imagem 62 Mudança de mecanismos de fratura do Al 7075 T651................. 73. Imagem 63 Trinca atravessando o contorno de grão falha por fadiga do Al 74 7075 T65...................................................................................... Imagem 64 Precipitado analisado pelo EDS na amostra de fadiga 17............. 75. Gráfico 8 Elementos de liga encontrados na amostra de fadiga 17.............. 76.

(14) LISTA DE TABELAS. Tabela 1 Composição Química do Alumínio 7075................................. 27. Tabela 2 Comparativo das tensões do Al 7075 T651.............................. 43. Tabela 3 Comparativo dos alongamentos do Al 7075 T651................... 43. Tabela 4 Tensões e Nº de Ciclos dos Ensaios em Fadiga...................... 54 Tabela 5 Elementos de liga encontrados na amostra de fadiga 17........ 76.

(15) LISTA DE ABREVIATURAS E SIMBOLOS.. SÍMBOLO. SIGNIFICADO. Al. Alumínio. Zn. Zinco. Fe. Ferro. Si. Silício. Mg. Magnésio. Cu. Cobre. Mn. Manganês. Cr. Cromo. Ti. Titânio. CP. Corpo de prova. CNC. Controle Numérico Computadorizado. S-N. Tensão x Número de ciclos. mL. Mililitro. HF. Ácido Fluorídrico. HCl. Ácido Clorídrico. HNO3. Ácido Nítrico. H2O. Água. Hv. Dureza Vickers. MPa. Megapascal. σ. Tensão. ε. Alongamento. MEV. Microscópio Eletrônico de Varredura. EDS. Espectrometria de Raio X por Dispersão de Energia. Mf. Momento Fletor. I. Momento de Inércia.

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(17) 14. 1 INTRODUÇÃO. O alumínio é um dos metais mais abundantes da crosta terrestre, mas por volta do ano de 1825, que o alumínio foi isolado como metal puro. Graças as suas características como metal leve, resistência mecânica, resistência a corrosão e com a evolução do processo de obtenção do metal a partir do seu minério, bauxita, o alumínio ganhou mercado (ABAL, 2014). Quando em serviço, muitos materiais estão sujeitos a cargas de tração e ou compressão. Um bom exemplo são os esforços que a liga de alumínio que constitui a asa de um avião ou um aço que constitui o eixo de um carro podem sofrer. Por isso torna-se necessário conhecer as características dos materiais e comportamentos mecânicos para que se possa projetar adequadamente uma determinada peça (CALLISTER, 2008). Hoje em dia com a crescente necessidade de materiais mais leves e resistentes sendo para a melhoria de desempenho devido a relação peso potência e a economia de combustível em um veículo, o alumínio vem substituindo o aço em muitos setores da indústria como por exemplo: automobilística, eletrodomésticos, e principalmente aeronáutica e aeroespacial (UFRGS,2014). O alumínio de alta resistência é largamente usado na indústria aeroespacial devido a sua relação peso e resistência em que se busca um material com boa resistência mecânica e leveza (BENEDITTI, 2008). A análise do alumínio 7075 T651 a fadiga levanta um estudo do material e das suas características podendo levar a uma melhor aplicação desse material na indústria..

(18) 15. 1.1 OBJETIVOS. 1.1.1 Objetivos Gerais. Este trabalho tem o intuito de estudar as propriedades mecânicas como limite de resistência, dureza e principalmente o comportamento desse material em relação a fadiga da liga de Alumínio 7075 T651, solubilizado e envelhecido artificialmente.. 1.1.2 Objetivos Específicos. O objetivo deste trabalho é realizar uma analisar o comportamento com relação a fadiga da liga Al 7075 T651 levantando a curva S-N e analisando as superfícies de fratura e o comportamento da trinca a, bem como as outras propriedades mecânicas importantes como limite de resistência e escoamento e a análise micrográfica de amostras desse material.. 1.2 JUSTIFICATIVA. Devido à crescente necessidade do uso de alumínio e de suas ligas em vários segmentos da indústria e as grandes vantagens desse metal o estudo dele se faz necessário com o intuito de tentar minimizar as desvantagens do alumínio para que ele possa ser empegado em projetos com uma resistência maior, durabilidade e principalmente confiabilidade (UFRGS, 2014). É de grande importância o conhecimento do comportamento mecânico dos materiais e suas propriedades para que um engenheiro passa determinar e dimensionar o uso desse material, ou até mesmo no processo de fabricação do material é necessário fazer ensaios desse material como, por exemplo, tração, dureza, fadiga e etc (CALLISTER, 2008). Como o alumínio é um metal que tem a densidade aproximadamente 1/3 menor do que a densidade do aço ele está sendo cada vez mais utilizado na indústria devido a sua leveza e boa resistência mecânica (ABAL, 2014)..

(19) 16. O ensaio de fadiga é uma das principais ferramentas de análise de um material em que se aplica uma carga cíclica em um corpo de prova segundo uma determinada norma. Materiais metálicos acabam rompendo com tensões inferiores quando submetidos força repetitivas ou tensões flutuantes do que quando submetidos a ensaios estáticos (GARCIA, 2000). Em condições de trabalho de um material os fatores como temperatura, sobre carga e etc, acabam ocasionando tricas no material e o crescimento dessas trincas o que dá importância ao estudo de fadiga (SADAMANDA, 2008). O ensaio de fadiga pode ser usado para o estudo da vida útil de uma peça, em que pode-se determinar o período de manutenção e também o período de troca desse componente..

(20) 17. 2 REVISÃO BIBLIOGRAFICA. O alumínio puro tem uma baixa resistência mecânica, mas com a aplicação de conformação mecânica a sua resistência mecânica quase dobra e com a adição de elementos de liga como cobre, silício, magnésio, manganês, cromo, zinco, ferro, entre outros e tratamentos térmicos o alumínio adquire uma resistência mecânica próxima a do aço. (ASM HANDBOOK, 1998). O ensaio de fadiga junto com outros ensaios e estudos são muito importantes para a determinação das propriedades mecânicas como resistência a fadiga, durabilidade e comportamento mecânico desse metal (GAO, 2011). O que torna importante a análise do alumínio, de suas ligas e tratamento térmico.. 2.1 O ALUMÍNIO. O alumínio é um metal branco acinzentado e dúctil e é um dos elementos metálicos mais abundantes na crosta terrestre. A bauxita (óxido de alumínio, Al2O3), já era usada pelos Persas na fabricação de vasos desse minério. Em 1787, Lavoisier suspeitou que esta substância era um óxido de um metal ainda desconhecido, mas seu nome foi proposto por Davy em 1807 como “Alumium”, posteriormente trocado para “Aluminium” (alumínio). O metal alumínio foi isolado por Hans Christian Oersted em 1825, reagindo cloreto de alumínio (AlCl3) com amálgama de potássio (liga de potássio e mercúrio) e sob aquecimento do amálgama, forma alumínio e mercúrio com pressão reduzida, separando o mercúrio (com menor ponto de ebulição) do alumínio (ABAL, 2014). O alumínio é o terceiro elemento mais abundante no planeta perdendo somente para o oxigênio e silício. Na crosta terrestre, numa profundidade de 16 km, contém cerca de 8,1% de alumínio no formato de óxidos ou silicatos. Quando foi descoberto verificou-se que a sua separação das rochas que o continham era extremamente difícil. Por causa dessa dificuldade e do elevado custo durante algum tempo o alumínio foi considerado um metal precioso chegando a ser mais valioso que o ouro (ABAL,2014). Com o avanço dos processos de obtenção do alumínio os preços caíram continuamente até entrar em colapso no ano de 1889, devido à descoberta de um método mais simples e eficiente de extração do metal..

(21) 18. Em 1859, Henri Sainte-Claire Deville anunciou uma melhoria no processo de obtenção ao substituir o potássio por sódio e o cloreto simples pelo duplo. Posteriormente com a invenção do processo Hall-Héroult em 1886, simplificou e barateou a extração do alumínio a partir da bauxita (BARBOSA, 2014). Este processo juntamente com o processo do químico austríaco Karl Josef Bayer, descoberto no mesmo ano, foi fundamental para a grande produção de alumínio, pois permitiu o refino da bauxita a obtenção do hidróxido de alumínio, possibilitando estender o uso do alumínio para inúmeras aplicações (ASM HANDBOOK, 1998). No processo Bayer, que é o mais utilizado na produção de alumínio, a bauxita é misturada em uma solução de hidróxido de sódio (NaOH) à uma temperatura de aproximadamente 175 ºC onde há a reação: Al2O3 + 3H2O + 2NaOH + calor → 2NaAl(OH)4. [1.0]. Formando assim aluminato de sódio e outros resíduos que são retirados do processo por filtração. Após a filtração o aluminato de sódio é resfriado, junto com alguns cristais de alumina para facilitar a formação da própria alumina, como mostrado na reação abaixo: NaAl(OH)4 → Al(OH)3 + NaOH. [1.1]. Nessa etapa a alumina passa pelo processo de calcinação em que é lavada para a retirada de impurezas e aquecida a 1000 ºC onde a água é eliminada ficando só os cristais de alumina: 2Al(OH)3→ Al2O3 + 3H2O. [1.2]. Na imagem 1 mestra as etapas de uma refinaria (ABAL, 2014)..

(22) 19. Imagem 1: Fluxograma do processo Bayer.. Fonte: ABAL (2014).. No processo Hall-Héroult ou eletrolise da alumina. A alumina é carregada em um eletrodo fundido que contem sais de fluoreto de alumínio e criolita. Com a passagem da corrente elétrica a alumina sofre redução decantando o alumínio metálico o oxigênio reage com o eletrodo de carbono (ânodo) liberando gás carbônico (ABAL, 2014), imagem 2.. Imagem 2: Redução da Alumina.. Fonte: ABAL (2014).

(23) 20. Suas propriedades físico-químicas como por exemplo o baixo peso específico, a resistência à corrosão, a alta condutibilidade térmica e elétrica e reciclagem, tornam o metal não ferroso mais consumido no planeta (ABAL, 2014). O alumínio tem apresentado um dos maiores crescimentos de consumo no mundo, tornando a indústria do alumínio a segunda indústria metalúrgica do mundo, superada apenas pela do aço (ABAL,2014). O gráfico 1, a baixo mostra o volume da produção de alumínio primário no mundo.. Gráfico 1: Produção de Alumínio Primário.. Fonte:International Aluminium Institute.. 2.2 LIGAS DE ALUMÍNIO. As ligas de alumínio podem ser separadas em tratadas termicamente e as não tratadas termicamente, em que as tratadas termicamente podendo ter a sua dureza e resistência mecânica aumentada em função de um determinado tratamento térmico. Já as ligas não tratadas não possuem essa característica mencionada acima (SILVA, 2013)..

(24) 21. Imagem 3: Elementos de Liga Tratáveis e Não Tratáveis Termicamente.. Fonte: SILVA, (2013).. Os elementos de liga como por exemplo: Cu, Zn, Mn e assim por diante, como mostrado na imagem 3, são os que caracterizam a liga e concede as propriedades físicoquímicas desejáveis ao material, exemplo aumento da resistência mecânica, fadiga e etc.. 2.2.1 Classificação das Ligas. As ligas de alumínio trabalhadas são classificas por série de 1XXX até 9XXX. Na série 1XXX trata do alumínio com um grau de pureza de 99% e a partir da 2XXX indica o tipo de liga determinado pelo seu principal elemento de liga (ABAL, 2014). O segundo digito indica o grau de impurezas ou de elementos de liga adicionado ao material, no caso desse número ser 0 representa que não há elementos de liga ou as impurezas estão dentro dos limites toleráveis. Se o segundo digito for um número entre 1 e 9 indica que existe um controle de um elemento de liga ou uma determinada impureza (ABAL, 2014)..

(25) 22. Na série 1XXX os dois últimos dígitos caracterizam a porcentagem acima de 99% de pureza do alumínio como por exemplo o 1050 em que há 99,50% de Al (BARROS, 2013). A partir da série 2XXX o 2º digito continua indicado o grau de impureza ou elemento de liga. Com relação aos dois últimos dígitos isso já muda, sendo que eles indicam as diferentes ligas do mesmo grupo (ABAL, 2014).. - Série 1XXX. Trata-se do alumínio puro, com 99% de pureza, variando o grau de impurezas como Fe, Si entre outras.. - Série 2XXX. Tem-se o cobre (Cu) como principal elemento de liga, podendo ter outros elementos de liga secundário sendo o Mg um dos mais utilizados. Trata-se de uma liga tratável termicamente ganhado assim uma boa resistência e muito utilizado na indústria como por exemplo automobilística e aeronáutica.. - Série 3XXX. O Manganês (Mn) é o principal elemento de liga. Além de pertencer a série de ligas não tratadas termicamente, por causa da baixa solubilidade de Mn no Al (de até 1,8%) existem poucas ligas dessa série. Porem três delas são largamente empregadas na indústria: 3003, 3004 e 3105.. - Série 4XXX. Essa série tem o Silício (Si) como elemento de liga principal. Também pertence a série ligas que não são tratáveis termicamente. O Si pode ser adicionado para diminuir a temperatura de fusão sem que provoque uma fragilidade excessiva. As ligas Al-Si são utilizadas em arames de solda ou processo de brasagem de Al (um tipo de soldagem). Também são empregadas na fabricação de pistões forjados devido ao baixo coeficiente de expansão e sua alta resistência ao desgaste. Ligas que contem entre 3 e 7% de Si são utilizadas em painéis decorativos na construção civil após o processo de anodização..

(26) 23. - Série 5XXX. Tem-se o Magnésio (Mg) como o principal elemento de liga, sendo ele um dos elementos de liga mais efetivos no endurecimento do Al. Ao se utilizar Mg como principal elemento na liga ou em conjunto com o Mn resulta em ligas de Al não tratáveis termicamente, com moderada à elevada resistência mecânica. As ligas da série 5XXX tem como características boa soldagem e boa resistência a corrosão.. - Série 6XXX. Os principais elementos de liga são o Magnésio (Mg) e o Silício (Si). É adicionado uma proporção de Mg e Si visando a formação da fase Mg²Si já que se trata de ligas tratadas termicamente. O Cr e Mn podem ser adicionados a essa liga aumentando a resistência e o controle do tamanho do grão (SILVA, 2013). Essas ligas possuem boa resistência à corrosão, boa ductilidade e boas características de usinagem e soldagem.. - Série 7XXX. O Zinco (Zn) é o principal elemento de liga com a adição de Mg e normalmente Cu e Cr, em pequenas quantidades, são adicionados tem-se uma liga tratada termicamente e com elevada resistência mecânica. Essa liga tem alta resistência mecânica, boa usinabilidade e boa resistência a corrosão (JABBARI TALEGHANI, 2011). Muito usado na indústria aeronáutica, automobilística e outros segmentos industriais (ABREU, 2014).. - Série 8XXX. Essa série possui vários elementos de liga como Li, Sn, Fe, Cu e Mn. Em que pode-se ter como exemplo ligas contendo Li (2,4% a 2,9%) que foram desenvolvidas para o uso aeroespacial e criogenia.. - Série 9XXX. Ainda não usada..

(27) 24. 2.2.2 Tratamento das Ligas. - F (Como fabricado) Caracteriza a condição do material como ele foi fabricado, exemplo: laminação a frio, extrusão, trefilação, fundição e etc, em que não se utilizou nenhum controle de velocidade de esfriamento e ou encruamento.. - O (Recozido) O alumínio sofre um recozimento que tem o intuito de reduzir o limite de resistência e provocar um aumento na ductilidade do material. Já em peças fundidas o intuito de recozimento é o alivio de tensões e estabilidade no dimensional.. - H (Endurecido por encruamento) Trata-se de produtos endurecidos por encruamento podendo ou não passar por um tratamento térmico. Os materiais podem ser divididos em categorias que são: - H1- materiais conformados que sofrem encruamento, mas não passam por nenhum tratamento térmico. - H2- materiais encruados e com recozimento parcial para atingir um determinado valor de dureza. Os dígitos que são colocados após H2 indicam a quantidade de encruamento residual logo após o material ser parcialmente recozido. - H3- materiais que foram encruados e envelhecidos naturalmente para uma determinada dureza.. - T (Tratado termicamente). Os materiais que são tratamentos térmicos visam um aumento de resistência mecânica. Eles são divididos em categorias de acordo com o tipo de tratamento aplicado (ASM HANDBOOK, 1998). - T1 – materiais que são resfriados a partir da temperatura de conformação mecânica a quente e envelhecidos naturalmente para atingir as condições e propriedades mecânicas estáveis..

(28) 25. - T2 – materiais que são resfriados a partir da temperatura de conformação mecânica a quente, encruados e envelhecidos naturalmente para atingir estabilidade nas propriedades mecânicas. - T3 – materiais que são solubilizados, encruados e envelhecidos naturalmente. - T4 – materiais que são solubilizados e envelhecidos. - T5 – materiais que são resfriados a partir da temperatura de conformação mecânica a quente e envelhecidos artificialmente. - T6 – materiais que são produtos solubilizados e envelhecidos artificialmente. No caso do T651 são materiais que após passarem pelo tratamento descrito acima, sofrem alivio de tensões por tração (ALCOA, 2010). - T7 – materiais que são solubilizados e super envelhecidos ou estabilizados. -. T8 – materiais que são solubilizados, encruados e envelhecidos. artificialmente. -. T9 – materiais que são solubilizados, envelhecidos artificialmente e. encruados. - T10 – materiais que são resfriados a partir da temperatura de conformação mecânica a quente, encruados e artificialmente.. 2.2.3 Solubilização. O processo de solubilização é uma preparação para um futuro tratamento de endurecimento por precipitação. Tem o intuito de dissolver as fases microscópicas, intermediarias ou simples, soluto, que estão presentes na matriz de uma liga por meio do aquecimento do campo monofásico inerente. Após um resfriamento rápido em que se matem o estado monofásico (α) e formar uma solução sólida supersaturada. As ligas que apresentam solução sólida com uma razoável diferença nos limites de solubilidade, de acordo linha sólvus entre a temperatura ambiente e o máximo de solubilidade nas curvas isotermas, podem sofre esse tratamento independente das fazes eutéticas, peritéticas, monotéticas ou mesmo eutetóides. As ligas em que a composição situa-se entre os limites citados, são aquecidas a uma temperatura um pouco abaixo da curva isoterma, já no caso da reação eutética, onde passam a ser mantidas por um tempo definido (ASM HANBOOK, 1998)..

(29) 26. 2.2.4 Envelhecimento. O processo de envelhecimento tem como objetivo a formação de compostos intermetálicos (precipitados) compostos pelos átomos dos elementos de liga do material, que formam uma solução sólida supersaturada no processo de solubilização representado na imagem 4 (a). O intuito do processo de envelhecimento é o aumento da resistência mecânica do material. Ele pode ocorre em temperatura ambiente conhecido como envelhecimento natural, ou em temperaturas mais elevadas, envelhecimento artificial (SILVA, 2013). Os átomos de soluto em uma solução sólida, elementos de liga, estão distribuídos ao acaso na estruturados da liga. A solução sólida supersaturada acumula um nível de energia maior que o estado de equilíbrio, que é uma mistura de solução sólida e precipitado, definido pelo diagrama de fases, tendo assim energia livre armazenada para movimentar todo o sistema para entra em equilíbrio. Essa energia da supersaturação causa a difusão dos átomos de soluto na solução para diferentes locais da liga. Quando ocorre áreas com grande densidade de átomos de soluto, tornam-se núcleos potenciais de precipitado, essas áreas são conhecidas de zonas de Guinier-Preston (DOMINGUES JR, 2013). Com a continuação do processo são formadas partículas coerente como a matriz como pode ser observado na imagem 4 (b). Com o aumento da temperatura fornecida ao sistema há um ganho de energia térmica o que implica no aumento da taxa de difusão formando precipitados semi-coerentes e em seguida formando os precipitados, representados na imagem 4 (c) (DOMINGUES JR, 2013)..

(30) 27. Imagem 4: Representação solução solida saturada (a) reticulado coerente (b) reticulado do precipitado em equilíbrio (c).. Fonte: Hains, R. W. (1977). 2.3 COMPOSIÇÃO QUIMICA DO ALUMÍNIO 7075.. O alumínio 7075 tem uma densidade de 2,79 g/cm³ temperatura de solidificação de 476 ºC e de liquefação de 635 ºC e o seu limite resistência a tração pode chegar a 630 MPa (ALCOA, 2010). A composição química pode variar: Alumínio 90%, Silício de 0% à 0,4%, Magnésio de 2,1% à 2,9%, Ferro de 0% à 0,5%, Cobre de 1,2% à 2,0%, Manganês de 0% à 0,3%, Cromo de 0,18% à 0,28%, Zinco de 05,1% à 6,1% e Titânio de 0% à 0,2% como visto na tabela 1 (ALCOA, 2010). Devido a essa composição química a liga 7075 forma precipitados de Mgx(Al,Zn,Cu)y. Alguns exemplo dos precipitados formados são: MgZn2, Al2Cu, Al2Mg3Zn3, Al7Cu2Fe, (ROGAL, 2013). Tabela 1: Composição Química do Alumínio 7075.. Fonte: ALCOA. (2010)..

(31) 28. 2.4 FADIGA. A fadiga se caracteriza por tensões ou cargas cíclicas em que um material é submetido até a sua quebra. Isso ocorre na maioria dos materiais, principalmente nos metais, que devido a vibrações e aos esforços dinâmicos e com o tempo acabam rompendo com uma tensão bem inferior a tensão de tração do mesmo material (MATSUNAGA, 2014). Muito usado na indústria em geral porem com uma maior atenção na indústria aeronáutica o ensaio de fadiga é uma importante ferramenta para a análise dos materiais empregados em projetos de máquinas, carros e aviões (BROWN, 2012). Cerca de 90% de falas em serviço de uma peça é causada uma trinca e ruptura ocasionada por fadiga (SADAMANDA, 2008). O início da trinca tem uma maior probabilidade de acontecer em locais em que possam ocorrer concentração de tensão como por exemplo: furos, ranhuras, porosidades e etc, que é muito comum de acontecer em condições reais do dia a dia (HOOREWEDER, B, V, 2011). No processo de fadiga em que se tem o início da trinca até a quebra total do material, pode ser dividido em três etapas que são: -I Etapa: Nucleação da trinca, ocorre pequenas deformações plásticas localizada na superfície do material e acabam caminhando para o interior da peça. Essa deformação plástica ocorre em uma direção e uma outra deformação acontece na direção contraria da primeira criando assim saliências no material (PAYNE. 2009). Velocidade de crescimento da trinca nessa etapa geralmente é baixa chegando na ordem de ângstrons por ciclo (OLIVEIRA. 2008). -II Etapa: Se caracteriza pelo crescimento da trinca que após a primeira etapa, a trinca cresce na direção perpendicular à direção da tenção principal de tração. Nessa etapa a velocidade de propagação da trinca é maior, por volta de μm/ciclo, e a sua propagação fica bem definida surgindo as estrias de fadiga a medida que a trinca avança. Essas estrias de fadiga surgem na superfície fratura de materiais metálicos com estruturas CCC, CFC e HC e em alguns materiais poliméricos (HERTZBERG. 2013). -III Etapa: Corresponde à ruptura final do material, que ocorre quando a trinca atinge o tamanho crítico necessário para sua propagação instável, uma vez que a seção transversal resistente do componente não mais suporta a carga aplicada (OLIVEIRA. 2008)..

(32) 29. Os primeiros estudos sobre fadiga em materiais metálicos foram feitos no ano de 1850 por August Wöhler, que levantou importes informações dos materiais sobre esse assunto, um dos principais é o ensaio de flexo rotação com uma máquina mostrada na imagem 5. Imagem 5: Esquema de Máquina flexo rotativa.. Fonte: GARCIA (2000).. Os tipos de tensões em que o material é submetido podem ser de três tipos mostrados no gráfico 2.. Gráfico 2: Tipos de Tensões cíclicas.. Fonte: GARCIA (2000)..

(33) 30. No gráfico (A) tem-se a tensão alternada sendo a ideal em que tensão de tração e de compressão são iguais em modulo e um período bem definido, usados nos ensaios em geral. Já no gráfico (B) tem-se a tensão flutuante sendo que as tensões de tração e compressão são diferentes, sendo assim tem-se na análise uma tensão média a ser observada em um período definido. No caso de gráfico (C) tem-se a tensão irregular e aleatória, que é a situação que trata dos reais esforços que podem ocorrer em um eixo de carro ou uma asa de avião onde se inicia a nucleação e propagação de uma trica decorrente de fadiga até chegar ao colapso da peça e ocorrendo a sua ruptura. Esse ensaio traz como resultado uma curva em que tem-se a tensão (ordenadas) x número de ciclos até a ruptura (abscissas em escala logarítmica) também chamado de curva S-N como visto no gráfico 3 (GARCIA, 2000).. Gráfico 3: Tensão x Número de ciclos até a ruptura.. Fonte: GARCIA (2000)..

(34) 31. 3 MATERIAIS E MÉTODOS.. Para esse estudo foi adquirida uma barra de alumínio da liga 7075 T651 solubilizada e envelhecida com 16 mm de diâmetro x 3670 m de comprimento, para a fabricação dos corpos de prova de fadiga, tração e dureza. De acordo com o certificado, a composição química desse material é: Al 90%, Si 0,06%, Mg 2,5%, Fe 0,18%, Cu 1,5%, Mn 0,14%, Cr 0,18%, Zn 5,6% e Ti 0,05%. Com o material em mãos verificou-se a dureza Vickers, com a utilização de um durômetro da Universidade Presbiteriana Mackenzie (UPM), modelo WPM, mostrado na imagem 6. A dureza foi realizada em duas amostras, sendo feita cinco medições em cada uma das amostras onde aplicou-se uma carga de 40 Kgf, em que se mensurou as diagonais (d) de um losango impresso por um penetrador de diamante piramidal. Como o auxílio da fórmula 1.1 e 1.2 obtive-se a dureza desse material. F. Hv = 1,8544 × d2 d=. d1+d2 2. Imagem 6: Durômetro WPM da UPM (Máquina da esquerda).. Fonte: Acervo pessoal.. [1.1]. [1.2].

(35) 32. Após feita a análise descrita acima foram usinados 3 corpos de prova para o ensaio de tração de acordo com o desenho técnico mostrado nas imagens 7 e 8, em um torno de Controle Numérico Computadorizado (Computer Numeric Control) fabricado pela Romi modelo Centur 30D da Universidade Presbiteriana Mackenzie. Os ensaios de tração foram feitos no IPEN em uma máquina de ensaio universal Instron 4400, em que se obteve os resultados do ensaio de tração feito nas amostras do Al 7075.. Imagem 7: Desenho técnico do corpo de prova de tração (Dimensões em mm).. Fonte: Acervo pessoal.. Imagem 8: Foto do corpo de prova de tração de Alumínio 7075 T651.. Fonte: Acervo pessoal..

(36) 33. No mesmo torno CNC Centur 30D da UPM, imagem 9, foram usinados 20 corpos de prova de fadiga conforme o detalhamento mostrado na imagem 10 e uma foto, imagem 11 mostrando um CP de fadiga já pronto e outro com um pedaço do material bruto que foi utilizado para a fixação no torno CNC e depois retirado do corpo de prova.. Imagem 9: Torno CNC Centur 30D marca ROMI da UPM.. Fonte: Catalogo ROMI.. Imagem 10: Desenho técnico do Corpo de Prova de Fadiga (Dimensões em mm).. Fonte: Acervo pessoal..

(37) 34. Imagem 11: Foto do Corpo de Prova de Fadiga de Alumínio 7075 T651 usinado.. Fonte: Acervo pessoal.. Uma análise metalógrafa foi realizada para o estudo da microestrutura do Al 7075 solubilizado e envelhecido artificialmente. Foi feito embutimento de duas amostras, sendo uma dessas amostras em um corte transversal do material de diâmetro 16 mm e a outra em um corte longitudinal para se analisar a microestrutura nessas duas direções. Utilizando as técnicas metalográficas como corte das amostras em uma cortadeira Panambra de disco abrasivo, lixamento com lixas de gramatura 400, 600 e 1200 e polimento com pasta diamantada de 1µm, foram utilizadas para a preparação das amostras. O ataque químico feito nessas amostras foi utilizado o reagente Keller que é composto de 2 mL HF (48%), 3 mL HCl (conc), 5 mL HNO3 (conc), 190 mL H2O. Em um primeiro instante o ataque teve uma duração por 8 segundos e em seguida lavado em água para interromper o processo. Verificou-se o resultado do atraque, sendo necessário um segundo ataque que seguindo o procedimento acima e teve a duração de 15 segundos. Com o auxílio de um microscópio Olympus modelo BM 60 M, imagem 12, e em conjunto com um sistema de digitalização de imagens acoplado ao microscópio e por meio de um software de análise e digitalização chamado Stream Basic foram feitas as análises micrográficas do alumínio em estudo..

(38) 35. Imagem 12: Foto do microscópio Olympus BM 60 M.. Fonte: Acervo pessoal.. Para o início do ensaio de fadiga em que o corpo de prova fica solidário a uma das extremidades de fixação da máquina (mancal) e se aplica uma força (F) na outra extremidade gerando assim uma flexão no corpo de prova. Como o corpo fica rotacionando, ocorre uma alternância de tensões de tração, parte superior do corpo, e compressão, parte inferior do corpo na linha neutra da flexão que se localiza no meio do comprimento do corpo de prova, imagem 13..

(39) 36. Imagem 13: Alternância de tensão de tração e compressão durante a rotação no corpo de prova.. Fonte: GARCIA (2000).. Na imagem 14 pode-se ver a máquina para ensaio de fadiga, flexo rotativa, utilizada nos ensaios em fadiga. Nessa máquina pode-se ensaiar 4 corpos de prova com cargas distintas ao mesmo tempo, só se mantendo constante a rotação para os 4 corpos de prova. A máquina atinge uma rotação máxima de 6000 RPM e em cada mancal pode-se aplicar uma carga a partir de 5 Kgf até 85 Kgf.. Imagem 14: Máquina para ensaio de fadiga flexo rotativa modelo VEB.. Fonte: Acervo pessoal..

(40) 37. Para garantir uma melhor confiabilidade na máquina flexo rotativa da Universidade Presbiteriana Mackenzie foi realizado um retrofit da mesma. Na parte mecânica verificou-se a necessidade de alguns ajustes de espaçamento e concentricidade em todos os mancais e também foi feita a lubrificação rolamentos mostrados na imagem 15. Imagem 15: Mancais e embreagem da máquina de flexo rotativa.. Fonte: Acervo pessoal. Um ajuste mais fino foi feito entre os mancais e a embreagem magnética, pois se trata de uns dos mecanismos de estrema importância, porque é onde ocorre a transmissão de torque para o corpo de prova. No momento da quebra do corpo é acionado um dispositivo que junto com a parte elétrica promove o desligamento da engrenagem magnética, parando assim a transmissão de torque e ao mesmo tempo é interrompia a contagem do número de voltas. Já na parte elétrica era a mais prejudicada, pois havia fios quebrados e uma placa de circuito com defeito o que prejudicava o bom funcionamento da máquina. Foi feito um novo estudo da configuração elétrica mantendo-se algumas partes antigas que estavam em bom funcionamento e refazendo as outras partes. Esse estudo da parte elétrica teve como vantagem o desenvolvimento de um arranjo elétrico que facilita a verificação de um possível defeito e de uma manutenção. Uma peça reprojetada foi a placa de circuito, que tem a função de fazer o chaveamento para o acionamento da embreagem magnética e que também aciona a contagem.

(41) 38. do contador, imagem 16. Com essa nova placa pode-se visualizar a função que está acionada o que não acontecia antes. Imagem 16: Projeto da placa de Circuito.. Fonte: Acervo pessoal. Para facilitar a visualização e a manutenção foram feitas duas placas circuito iguais, uma para a embreagem magnética e outra para o contador em que uma trabalha independente da outra. Essa ideia tem o intuito de verificar o bom funcionamento da máquina e de seus dispositivos bem como facilitar a localização de algum possível defeito, imagem 17. Imagem 17: Foto de uma placa de circuito reprojetada para a máquina.. Fonte: Acervo pessoal..

(42) 39. Além disso foi trocada toda a fiação do conjunto elétrico da máquina para ter uma maior confiabilidade no funcionamento da máquina flexo rotativa. Com o auxílio do MEV (microscópio eletrônico de varredura) imagem 18, fabricado pela JEOL modelo JSM-6510, foram feitas as análises das superfícies de fratura dos corpos de prova de tração e principalmente de fadiga em que foram analisadas as características de fratura em fadiga. Por meio da análise de EDS (Espectrometria de Raio X por dispersão de energia), equipamento acoplado ao MEV. Foram analisadas as superfícies de fratura e os precipitados de Mgx(Al,Zn,Cu)y que compõem a liga 7075. Imagem 18: Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) JEOL - JSM-6510.. Fonte: Acervo pessoal..

(43) 40. 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO. Uma das primeiras análises do Al 7075 foi o ensaio de dureza Vickers em que se obteve uma dureza média de 230,54 Hv com um desvio padrão de 5,8. Para levantar as propriedades mecânicas do material em estudo como limite de resistência, limite de escoamento a 0,2% de deformação plástica e alongamento foram realizados três ensaios de tração em que se obteve os seguintes valores das tensões e gráficos 4, 5 e 6 tensão (MPa) x deformação (%):. - Corpo de Prova 1:. Gráfico 4: Tensão x Deformação CP 1.. Al7075-1 700. Tensão [MPa]. 600 500 400 300 200 100 0 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Deformação [%]. Fonte: Acervo pessoal.. 8. 9. 10. 11. 12.

(44) 41. A01= 28,27 mm²; L01= 52,5 mm; ϕ = 6,0 mm; Ext. max= 5,79 mm; Fmax01= 1966,44 Kgf. x (9,81) = 19290,78 N -Limite de Escoamento =>σEsc0,2%. = 620 MPa. - Limite de Resistência => σ1 =. F01 A01. =. 19290,78 28,27. => σ01 = 682,38 MPa [1.3]. -Alongamento de acordo com o gráfico => ε01 = 7,3%. - Corpo de Prova 2:. Gráfico 5: Tensão x Deformação CP 2.. Al7075-2 700. Tensão [MPa]. 600 500 400 300 200 100 0 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Deformação [%]. Fonte: Acervo pessoal.. 9. 10. 11. 12. 13.

(45) 42. A02= 28,27 mm²; L02= 53,28 mm; ϕ = 6,0 mm; Ext. max= 8,28 mm; Fmax02= 1951,67 Kgf. x (9,81) = 19142,06 N -Limite de Escoamento => σEsc0,2%. = 615 MPa. - Limite de Resistência => σ2 =. F02. =. A02. 19142,06 28,27. => σ02 = 677,25 MPa [1.4]. -Alongamento de acordo com o gráfico => ε02 = 8,4%. - Corpo de Prova 3:. Gráfico 6: Tensão x Deformação CP 3.. Al7075-3 700. Tensão [MPa]. 600 500 400 300 200 100 0 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Deformação [%]. Fonte: Acervo pessoal.. 9. 10. 11. 12. 13.

(46) 43. A03= 27,9 mm²; L03= 52,5 mm; ϕ = 5,96 mm; Ext. max= 5,98 mm; Fmax= 1907,38 Kgf. x (9,81) = 18711,40 N -Limite de Escoamento => σEsc0,2%. = 605 MPa. - Limite de Resistência => σ3 =. F03 A03. =. 18711,40 27,9. => σ03 = 670,66 MPa [ 1.5]. -Alongamento de acordo com o gráfico => ε03 = 8,5%. Pode-se notar que os valores obtidos no ensaio de tração dos três corpos de prova, tabela 2, que tem uma média de 676,75 MPa, é valor maior que tensão desse material descrita na literatura, que é por volta de 630 MPa (ALCOA, 2010).. Tabela 2: Comparativo das tensões do Al 7075 T651. Tensão CP1. 682,38 MPa. CP2. 677,25 MPa. CP3 Fonte: Acervo pessoal. 670,66 MPa. Tabela 3: Comparativo dos alongamentos do Al 7075 T651. Alongamento CP1. 7,30%. CP2. 8,40%. CP3. 8,50%. Fonte: Acervo pessoal. Os resultados das análises micrográficas em um corte transversal podem ser verificadas nas imagens 19, 20 e 21. Onde pode-se observar a microestrutura e os contornos de grão..

(47) 44. Imagem 19: Micrografia em corte transversal de Alumínio 7075 T651 aumentado 10x.. Fonte: Acervo pessoal. Imagem 20: Micrografia em corte transversal de Alumínio 7075 T651 aumentado 50x.. Fonte: Acervo pessoal..

(48) 45. Imagem 21: Micrografia em corte transversal de Alumínio 7075 T651 aumentado 100x.. Fonte: Acervo pessoal.. Já as análises micrográficas em um corte longitudinal podem ser verificadas nas imagens 22, 23 e 24. Onde se observa os grãos bem alongados distribuídos na mesma direção do corte, isso ocorre devido ao processo de extrusão pois o grão se alongam na mesma direção em que o material “empurrado”..

(49) 46. Imagem 22: Micrografia em corte longitudinal de Alumínio 7075 T651 aumentado 20x.. Fonte: Acervo pessoal.. Imagem 23: Micrografia em corte longitudinal de Alumínio 7075 T651 aumentado 50x.. Fonte: Acervo pessoal..

(50) 47. Imagem 24: Micrografia em corte longitudinal de Alumínio 7075 T651 aumentado 100x.. Fonte: Acervo pessoal.. Foram feitas análises das superfícies de fratura pelo MEV (microscópio eletrônico de varredura) nos 3 corpos de prova ensaiados em tração em que se visualizou as micro cavidades das superfícies de fratura.. As imagens 25, 26, 27 e 28 mostram a superfície de fratura dos corpos de prova ensaiados em tração 1..

(51) 48. Imagem 25: Superfície de fratura do Alumínio 7075 T651 CP Tração 1.. Fonte: Acervo pessoal.. Imagem 26: Superfície de fratura do Alumínio 7075 T651 CP Tração 1.. Fonte: Acervo pessoal..

(52) 49. Imagem 27: Superfície de fratura do Alumínio 7075 T651 CP Tração 1.. Fonte: Acervo pessoal.. Imagem 28: Superfície de fratura do Alumínio 7075 T651 CP Tração 1.. Fonte: Acervo pessoal..

(53) 50. No círculo azul pode-se observar uma das muitas microcavidades e nas setas azuis além de se observar outras micro cavidades também nota-se a presença de um possível precipitado Mgx(Al,Zn)y. Nas imagens 29, 30 e 31 abaixo se tem as análises da amostra de tração 2, em que verifica a superfície de fratura.. Imagem 29: Superfície de fratura Al 7075 T651 CP Tração 2.. Fonte: Acervo pessoal..

(54) 51. Imagem 30: Superfície de fratura Al 7075 T651 CP Tração 2.. Fonte: Acervo pessoal.. Imagem 31: Superfície de fratura Al 7075 T651 CP Tração 2.. Fonte: Acervo pessoal..

(55) 52. Pode-se verificar abaixo, nas imagens 32, 33 e 34 a superfície de fratura do terceiro corpo de prova de tração. Imagem 32: Superfície de fratura Al 7075 T651 CP Tração 3.. Fonte: Acervo pessoal. Imagem 33: Superfície de fratura Al 7075 T651 CP Tração 3.. Fonte: Acervo pessoal..

(56) 53. Imagem 34: Superfície de fratura Al 7075 T651 CP Tração 3.. Fonte: Acervo pessoal.. Para os ensaios de fadiga foi utilizado uma rotação constante de 3000 RPM em todos os ensaios, só variando a tensão aplicada em cada corpo de prova. Utilizando a formula da tensão resistência a tração, σ =. Mf x Y I. em que tensão. máxima está no ponto externo do diâmetro 8 mm do corpo de prova pode-se calcular o momento fletor (Mf). Para se dar início ao ensaio de fadiga utiliza-se 70% a 20% do valor da tensão de resistência (σres) do Al 7075.. Para o cálculo da carga: σ= Y= I= b=. Mf x Y. [1.6]. I d 2. 8. => Y = 2 = 4,00 mm. π x d4 64 L 2. => I =. => b =. π x 84. 160 2. Mf = F x b => F =. 64. = 201,06 mm. = 80,00 mm Mf b. .. Onde F é a carga inicial é (70% limite de resistência).. [1.7] [1.8] [1.9] [1.10].

(57) 54. Na tabela 4 estão relacionadas as amostras ensaiadas em fadiga onde se verifica a tensão aplicada no ensaio e o número de ciclos até romper o corpo de prova. No gráfico 7 observa-se a curva S-N gerada pelos pontos da tabela 4 em que apresentou uma curva que possui características de materiais não ferrosos. Os dados assinados (*) ocorreu um problema, em que o corpo de prova fraturou fora do rebaixo em que deveria ocorrer a fratura como pode-se observa na imagem 35.. Tabela 4: Tensões e Nº de Ciclos dos Ensaios em Fadiga. CP Tensão (MPa) CP1 467,92 CP2 467,92 CP3 336,90 CP4 271,39 CP5 203,03 CP6* 135,35 CP7 203,03 CP8 406,06 CP9 338,38 CP10 270,71 CP11 406,06 CP12* 169,19 CP13 203,03 CP14 169,19 CP15* 169,19 CP16 270,71 CP17 169,19 CP18 186,11 CP19 186,11 CP20 467,92 Fonte: Acervo pessoal.. Nº Ciclos 2100 6000 17400 92000 352100 8463800 1244900 4200 17100 43300 4400 2658500 1180300 751200 2220800 118300 6463500 4433200 4962400 3200.

(58) 55. Gráfico 7: Curva S-N Alumínio 7075 T651. 550 500 450. Tensão [MPa]. 400 350 300 250 200 150 100 3,0. 3,5. 4,0. 4,5. 5,0. 5,5. 6,0. 6,5. 7,0. 7,5. Log Número de Ciclos Fonte: Acervo pessoal.. Ocorreu em alguns casos nos ensaios de fadiga a quebra do corpo de prova fora do rebaixo em que a ruptura deveria acontecer, imagem 35. Notou-se que essa situação ocorria em alguns ensaios de alto ciclo, em que a tensão aplicada no corpo de prova era mais baixa. Outro aspecto que se notou foi que a fratura era por cisalhamento. Isso se deve pelo motivo de que o material em estudo é muito resistente e não sofre muitas deformações plásticas, o que alivia as tensões nas regiões de micro trincas, não deixando essa situação ocorrer..

(59) 56. Imagem 35: Corpo de prova fraturado fora do rebaixo.. Fonte: Acervo pessoal.. Devido a tensão de tração que é ocasionada pela flexão aplicada ao corpo de prova (σ1) para o ensaio e uma tensão de compressão (σ2) que é aplicada na fixação da peça na máquina. De acordo com estado plano de tensão visualizado pelo círculo de Mohr, imagem 36, tem-se uma condição de alto cisalhamento que em conjunto com as características do Al 7075, de pouca deformação plástica, faz com que ocorra a quebra do corpo de prova por cisalhamento fora do rebaixo. Por isso tomou-se o cuidado com os outros ensaios para que essa situação fosse minimizada..

(60) 57. Imagem 36: Círculo de Mohr.. Fonte: Acervo pessoal. Na imagem 37 observa-se o corpo de prova 11 em que se aplicou uma tensão 406 MPa e obteve 4400 ciclos até o seu rompimento. Imagem 37: Corpo de prova 11 ensaiado em fadiga sob tensão de 406 MPa de Al 7075 T651.. Fonte: Acervo pessoal..

(61) 58. Pode-se observar marcas de catraca nas bordas externas da fratura e a fratura final no centro da superfície de fratura.. Já na imagem 38 pode-se observar o corpo de prova 7 sofreu uma tensão de 203 MPa e suportou 1244900 ciclos até o seu rompimento.. Imagem 38: Corpo de prova 7 ensaiado em fadiga sob tensão de 203 MPa de Al 7075 T651.. Fonte: Acervo pessoal.. Observa-se marcas de catraca nas bordas externas da fartura e o início da trinca que pode ser observada na indicação da seta.. Na imagem 39 observa-se o corpo de prova 17 em que se aplicou uma tensão 169 MPa e obteve 6463500 ciclos até o seu rompimento. Pode-se observar poucas marcas de catraca e observa-se uma fratura dúctil..

(62) 59. Imagem 39: Corpo de prova 17 ensaiado em fadiga sob tensão de 169 MPa de Al 7075 T651.. Fonte: Acervo pessoal. Na micrografia analisada nas imagens 40, 41 e 42 feita no corpo de prova 2 em que se aplicou uma tensão de 467,92 MPa e rompeu com 6000 ciclos, pede-se observar que a trajetória da trinca é transgranular pois percebe-se que a trinca se propagou através do grão e não se percebeu a ocorrência de trinca intergranular.. Imagem 40: Micrografia CP 2 de Fadiga em corte longitudinal de Al 7075 T651 aumentado 5x.. Fonte: Acervo pessoal..

(63) 60. Imagem 41: Micrografia CP 2 de Fadiga em corte longitudinal de Al 7075 T651 aumentado 10x.. Fonte: Acervo pessoal.. Imagem 42: Micrografia CP 2 de Fadiga em corte longitudinal de Al 7075 T651 aumentado 20x.. Fonte: Acervo pessoal..

(64) 61. Já na análise micrográfica do corpo de prova 17, imagens 43, 44 e 45, em que se aplicou uma tensão de 169,20 MPa e obteve 6463500 ciclos até a sua ruptura também se verificou que a trajetória da trinca é transgranular e não se percebeu a ocorrência de trinca intergranular. Isso pode ocorrer devido à pouca deformação plástica do material.. Imagem 43: Micrografia CP 17 de Fadiga em corte longitudinal de Al 7075 T651 aumentado 5x.. Fonte: Acervo pessoal..

(65) 62. Imagem 44: Micrografia CP 17 de Fadiga em corte longitudinal de Al 7075 T651 aumentado 10x.. Fonte: Acervo pessoal.. Imagem 45: Micrografia CP 17 de Fadiga em corte longitudinal de Al 7075 T651 aumentado 20x.. Fonte: Acervo pessoal..

(66) 63. Após feitas as análises de micrografia foram feitas analises na superfície de fratura de três corpos de prova, baixo, médio e alto ciclo, no MEV.. No corpo de prova, amostra 20, submetido a uma tensão de 467,9 MPa e rompeu com 3200 ciclos (baixo ciclo) pode-se ver algumas marcas de catraca onde se deu o início de várias trincas e a propagação delas para o interior da peça.. Imagem 46: Marcas de catraca na superfície de fratura por fadiga do Al 7075 T651.. Fonte: Acervo pessoal.. Nas imagens 46 e 47 em que a fratura final ocorreu no centro do corpo de prova como pode-se verificar na imagem 47 as marcas de catraca em que se deram o início de algumas trincas..

(67) 64. Imagem 47: Marcas de catraca e propagação das trincas na superfície de fratura por fadiga do Al 7075 T651.. Fonte: Acervo pessoal.. Imagem 48: Steps na superfície de fratura por fadiga do Al 7075 T651.. Fonte: Acervo pessoal..

(68) 65. Pode-se verificar na imagem 48 a presença de steps, região de propagação da trinca e logo após a mudança do mecanismo de fratura.. Imagem 49: Mudança da propagação da trinca na superfície de fratura por fadiga do Al 7075 T651.. Fonte: Acervo pessoal.. Na imagem 49 observa-se a mudança do mecanismo de fratura, após a linha, em que a trinca se propaga rapidamente até o colapso da peça (LEE, 2008). Pode-se verificar ao longo de toda a superfície de fratura que a trajetória da trinca é transgranular.. Na imagem 50 pode-se observar dimples de pequena dimensão nucleados a partir de partículas de precipitados, região onde podem ser encontrados possíveis precipitados. Nesta amostra 20 nota-se que a trinca é transgranular em que se pode verificar uma trinca atravessando o grão como pode-se verificar na imagem 50..

(69) 66. Imagem 50: Dimples superfície de fratura por fadiga do Al 7075 T651.. Fonte: Acervo pessoal.. Imagem 51: dimples superfície de fratura por fadiga do Al 7075 T651.. Fonte: Acervo pessoal..

(70) 67. Imagem 52: Micro estrias na superfície de fratura por fadiga do Al 7075 T651.. Fonte: Acervo pessoal.. Na imagem 51 observa-se a presença de micro dimples, com um aumento de 2000x em que se nota a presença de possíveis precipitados dentro das micro cavidades. Podese observar estrias de fadiga na imagem 52, região em que ocorreu a propagação da trinca em uma determinada direção.. Já o corpo de prova, amostra 4, que foi submetido a uma tensão de 271,4 MPa e sofreu ruptura aos 92000 ciclos pode-se observar poucas marcas de catraca, porem a partir de uma delas ocorreu a nucleação e o início da trinca e o surgimento de estrias de fadiga, imagem 53..

(71) 68. Imagem 53: Início da trinca e estrias na superfície de fratura por fadiga do Al 7075 T651.. Fonte: Acervo pessoal.. Imagem 54: Final da trinca na superfície de fratura por fadiga do Al 7075 T651.. Fonte: Acervo pessoal..

(72) 69. Na imagem 54 pode-se observa steps, a transição de mudança de mecanismos na região final trinca e a área de ruptura. Nesta amostra de médio ciclo pode-se verificar uma mudança de propagação da trinca com relação a amostra 20 (baixo ciclo). Na amostra 20 ocorreu várias nucleações constatadas a partir das marcas de catraca e se propagaram para o centro da peça até a ruptura. Nesta amostra a nucleação da trinca ocorreu em uma extremidade e se propagou longo da superfície de fratura até a ruptura final.. Imagem 55: Estrias de fadiga na superfície de fratura por fadiga do Al 7075 T651.. Fonte: Acervo pessoal.. Pode-se observar na imagem 55 as estrias de fadiga, isso ocorre devido a trinca se propagar um pequeno comprimento até encontra uma resistência, esse processo ocorre várias vezes ao longo do processo de fadiga até uma mudança do mecanismo em que há um aumento da velocidade de propagação da trinca (NEWMAN JR, 2012)..

(73) 70. Imagem 56: Estrias de fadiga mal definidas na superfície de fratura por fadiga do Al 7075 T651.. Fonte: Acervo pessoal. Observa-se na imagem 56 as estrias de fadiga mal definidas, em que a trinca se propagou em várias direções. Na imagem 57 tem-se a superfície de fratura final onde se pode verificar a presença de dimples. Imagem 57: Área final da fratura por fadiga do Al 7075 T651.. Fonte: Acervo pessoal..

(74) 71. Já na amostra 17 (alto ciclo), imagem 58 em que o corpo de prova foi submetido a uma tensão de 169,2 MPa e rompeu com 6463500 ciclos pode-se ver algumas marcas de catraca e a partir de uma delas se deu o início da trinca. Observa-se uma quantidade maior de estrias de fadiga que a amostra 4, médio ciclo. Diferente das amostras de baixo ciclo em que a fratura ocorreu no centro da peça as amostras de médio e alto ciclo a trinca se inicia em uma extremidade da superfície e se propaga ao longo da superfície de fratura. Outro ponto é que a área da fratura final, fratura rápida, tem a tendência de ficar menor devido a carga aplica na peça (LEE, 2008).. Imagem 58: Início da trinca por fadiga do Al 7075 T651.. Fonte: Acervo pessoal.. Observa-se a mudança do mecanismo de fadiga na imagem 59 e 60 em que a parta inferior mostrada na imagem 59 ocorreu a mudança de velocidade da trinca. Na área superior da imagem pode-se notar a trinca que ocorreu foi transgranular, porem em alguns pontos parece ter ocorrido algumas trincas secundarias, apresentando sinais de propagação intergranular como se pode verificar na imagem 60..

(75) 72. Imagem 59: Mudança de mecanismos de fadiga do Al 7075 T651.. Fonte: Acervo pessoal.. Imagem 60: Mudanças de mecanismos e trincas intergranular do Al 7075 T651.. Fonte: Acervo pessoal..

(76) 73. Imagem 61: Superfície final da fratura por fadiga do Al 7075 T651.. Fonte: Acervo pessoal. Na imagem 61 nota-se a área em que a propagação da trinca foi mais rápida e pode-se notar a presença de dimples. Imagem 62: Mudança de mecanismos de fratura do Al 7075 T651.. Fonte: Acervo pessoal..

(77) 74. Na imagem 62 ocorreu uma possível mudança de mecanismos de fratura e também pode-se observar mudança na direção de propagação da trinca.. Imagem 63: Trinca atravessando o contorno de grão falha por fadiga do Al 7075 T651.. Fonte: Acervo pessoal.. Observa-se na imagem 63 uma trinca, estrias mais profundas, atravessando o contorno de grão o que pode caracterizar que a propagação de trinca é transgranular pois a trinca se propagou de um primeiro grão para o próximo grão..