Influência da temperatura e do pH do meio sobre a resistência à corrosão das ligas Al(20204-T3), Al(7010-T7) e Al(7050-T7) utilizadas na indústria aeronáutica

INFLUENCIA DA TEMPERATURA E DO pH DO MEIO SOBRE A RESISTENCIA

A

CORROSAO DAS LIGAS AI(2024-T3), AI(7010-T7)

E AI(7050-T7) UTILIZADAS NA IND(JSTRIA AERONAUTICA

Disserta91lo apresentada it Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratingueta, Universidade Estadual Paulista, para a obten9fio do titulo de Mestre em Engenharia Mec&nica na 3rea de Projetos e Materiais

Oricntador: Prof Dr. Roberto Zenhei Nakazato Co-Orientador: Prof. Dr. Eduardo Norberta Codaro

Guaratingueta 2002

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Balducci, Ivan

B 179i Intluencia da temperatura e do pH do meio sobre a resistencia

a

corrosao das Iigas AI (2024-T3), AI(7010-T7) e AI (7050-T?)

utilizadas na indUstria aeromiutica I Ivan Balducci- Guaratingueta: [s,n,], 2002

178f : iL Bibliogratia: f

Dissertayao (mestrado)- Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Engenharia de Guaratingueta, 2002

Orientador: Prof. Dr. Roberto Zenhei Nakazato Co-orientador: Prof Dr. Eduardo Norberta Codaro

1 .Corrosao 2. Ligas de aluminio I. Titulo

"INFLuENCIA DA TEMPERATURA E DO pH DO MillO SOBRE A RESISTENCIA A CORROSAO DAS UGAS AI (2024-TJ), AI (7010-T7)

E AI (7050-T7) UTILIZADAS NA INDUSTRIA AERONAUTICA"

IVAN BALDUCCI

ESTA DISSERTA('..\0 FOI JULGADA ADEQUADA PARA A OBTEN('AO DO TiTULO DE

"MESTRE EM ENGENHARIA MECANICA"

ESPECIALIDAOE: ENGENHARIA MECANICA

AREA DE CONCENTRA(AO: PROJETOS E MATERIAlS

APROVADA EM SUA FORMA FINAL PELO PROGRAMA DE P6S-GRADUA(:'A.O

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BANCA EXAMINADORA:

Prof. Dr. Jose Luz Silveira Coordenador

Prof.Q£fUJj~lo

_{Orientador I Unesp-Feg}

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Prof.c;..

7

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TON DEtLIPE

Unesp-Feg

IV AN BALDUCCI

NASCIMENTO 09.0l.l955- SAO PAULO I SP FILIA<;:Ao Piero Balducci

1973-1977

1991-Elvira Mirian ColO Balducci

Curse de Gradua9ao em Engenharia MetalU.rgica Escola de Engenharia Mau:i, Silo Caetano do Sui - SP Professor de Bioestatistica

Assessor de Estatistica FOSJC, UNESP

Aos Professores Orientadores: Roberto Z. Nakazato e Eduardo N. Codaro, pela paciencia, dedica~ao e principalmente o incentive a auto estima ao me orientar, que no decorrer dos trabalhos, da simples relac;ao orientador e orientado, tomou-se admira~ao e respeito de minha parte, resultando em s6lida amizade;

Aos professores da UNESP/FEG pela dedica~tfto demostrada durante a convivencia nos curses por eles administrados.

Aos atmgos do curso de P6s Gradua~ilo, Amaral, Ana, Andre Luis, Claudete, Conceiyfto, F:ibio, Ivanira, Luciola, Pastor, Rando, Rosinei e Silmara pelo incentive em todas as fases da pesquisa.

A

seyao de p6s-graduayao, as funcion:irias Elisa Mara C. Nunes, Maria Auxiliadora Neves C.A. da Silva e Regina Celia Galvao F. Alves pela amabilidade e diligencia nos periodos de matriculas e tennino dos trabalhos;

As funcionarias das Bibliotecas: UNESP/FEG e UNESP/FOSJC, pela dedica~iio e paciencia nos trabalhos de pesquisa dos peri6dicos;

A EMBRAER pelo tomecimento das Iigas de AI 2024-T3, AI 7010- T7 e AI 7050--T7;

Ao Pedro Paulo Campos. pesquisador, Mestre em Engenharia Mecdnica, da Divisao de Materiais do Instituo de Atividades Espaciais IAE-CTA, pelo apoio na area de microscopia eletr6nica de varredura;

Agradecirnento a todas as pessoas que de uma forma direta ou indireta, atraves de urn simples sorriso, au mesmo urn born dia, a troca de informa~Oes e discuss6es, contribuiram com o enriquecimento deste trabalho.

Processo n" 98/14969-1

os avi6es de a<;:o ndo cram mais pesados que o alumfnio; eram mais duniveis, eram mais resistentes a corrosao, enquanto 0 aluminio da epoca, a disposir;:ao da indltstria aeron:iutica, rapidamente se oxidava". (M. Vasilyev, Metals and Man, MIR Publishers, p.l51-62, 1967)

T7) utilizadas na industria aeronautica. Guaratingueta, 2002, 178f.

Disserta.yao (Mestrado em Engenharia Meciinica) -

Faculdade de

Engenharia do Campus de Guaratingueta, Universidade Estadual Paulista

"Julio de Mesquita Filho".

RESUMO

A influencia da temperatura e do pH do meio na corrosao das Iigas de aluminio 2024-T3, 7010-T7 e 7050-T7, em soiul'5es aerada e desaerada de NaCI 5% (m/m), foi investigada atraves de tecnicas eletroquimicas ( ensaios potenciodin3.micos, voltametria ciclica e imped3ncia). Os resultados das medidas pennitiram definir dois comportamentos eletroquimicos nessas Iigas: dissolw;iio ativa para pH 3 e corrosiio por pite para pH entre 6,0 e 8,5, sendo o meio aerado o rnais agressivo nessa faixa de pH. As diferen9as nos comportamentos esHio associadas com (i) as fra~Oes de area coberta pelos filmes; (ii) a dissolw;ao seletiva dos componentes dos substrates; (iii) as caracteristicas condutoras dos filmes. Quando urn filme esta presente em meio aeradoj a velocidade de corrosiio esta controlada pela difusao de oxigenio para os sitios cat6dicos, entanto que em meio desaerado, a velocidade esta controlada pelo processo de dissolm;:iio de urn filme protetor. Nas condi96es estudadas, a liga 2024 apresentou maior resistencia

a

corrosiio e a liga 7050 a menor resistencia. Os mecanismos de corrosao ern solu96es aerada e desaerada de pH 6, niio mudam quando a temperatura de trabalho esti compreendida entre 5° e 50°C. Nesses meios, urn aumento de temperatura leva a urn aumento da velocidade de corrosao. No meio desaerado, devido

a

pres em;: a de urn filme protetor, a influencia do aumento de temperatura sobre a velocidade de corrosao

e

menos acentuada quando comparada com o meio aerado. Em ambos os meios, o comportamento da liga 2024-T3

e

mais sensivel

as

mudantyas de temperatura que as Iigas 7010-T7 e 7050-T7.

PALA VRAS-CHA VE: Iigas de aluminio, materiais aeron:iuticos, corrosiio salina, temperatura, pH.

in aircraft industry. Guaratingueta, 2002, 178f Disserta91io (Mestrado em

Engenharia Mecanica) -

Faculdade de Engenharia do Campus de

Guaratingueta, Universidade Estadual Paulista "Julio de Mesquita Filho".

ABSTRACT

The influence of temperature and environment pH upon 2024-T3, 7010-T? and 7050-T? aluminum alloys corrosion in 5% (m/rn) NaCI solution, aerated and deaerated, was investigated through electrochemical techniques (potentiodynamic tests, cyclic voJtammetry and impedance). The measurements results allowed to determine two electrochemical behaviors in all the studied alloys: active dissolution at pH 3.0 and pitting corrosion at pH between 6.0 and 8.5. The aerated medium was more aggressive in this pH intervaL These differences of behavior were associated with the film conductivity, the covered area and the selective dissolution of substrates. When a film is present in aerated environment, the corrosion velocity is controlled by the diffusion of oxygen to the cathodic sites. In deaerated environment, the velocity is controlled by dissolution process of a protective tilm. In these studied conditions, the 2024-T3 was the most resistant to corrosion and the 7050-T7 alloy the least one. The corrosion mechanisms in aerated and deaerated environment (pH 6.0) do not change over a temperature range of 5°C to 50°C. In both environments, the increases of temperature lead to an increase of corrosion velocity. In deaerated environment, due to the presence of a protective film, the influence of temperature over corrosion velocity is less severe than in aerated solution. In both environments, the behavior of the 2024-T3 was more sensitive to temperature changes than the 7010-T7 and 7050-T? alloys.

LIST A DE FIGURAS LIST A DE QUADROS LIST A DE TABELAS

LIST A DE ABREVIA TURAS LIST A DE SiMBOLOS

1

INTRODU<;AO ... ... ...

22

1.1 CONSIDERA<;OES SOBRE 0 TRABALHO... 22

1.2 OBJETIVO DO TRABALHO ... 26

2

GENERALIDADES ...

27 2.1 0 ALUMiNIO ... 27 2.2 AS GRANDES DATAS ... 28 2.3 AS PROPRIEDADES ... 33 2.4 CLASSIFICA<;AO E DESIGNA<;AO ... 37 2.5 SISTEMA DE DESIGNA<;AO ... 39

2.6 A INFLIJENCIA DOS ELEMENTOS DE LIGA ... 42

2.7 A EVOLU<;Ao DAS LIGAS DE USO AERONAUTICO... 46

3

REVISAO DA LITERATURA...

53

3.1 ALGUNS ASPECTOS DA CORROSAO DO ALUMiNIO ... 53

3.2 ALGUNS ASPECTOS SOBRE A CORROSAO DAS LIGAS DE ALUMiNIO ... 57

3.6 0 EFEITO DA TEMPERATURA SOBRE A CORROSAO ... 80 3.7 ALIGAAI(2024-T3) ... 85 3.8 AS LIGAS AI (7010-T7) E Al(7050-T7) ... 114 3.9 USO DE TECNICAS ELElROQuiMICAS PARA AS LIGAS

DA SERlE 7XXX... 116

4

MATERIAL E METODO ···

118

5

RESULTADOS E DISCUSSAO ...

!24 5.1 MEDJDAS DE POTENCIAL EM CIRCUJTO ABERTO DAS

LIGAS Al(2024-T3), Al(7050-T7) E Al(7010-T7) EM SOLU<;:Ao AERADA DE NaCI 5%, SOB DIFERENTES V ALORES DE pH ... 124 5.2 CURVAS DE POLARIZA<;:AO DAS LIGAS Al(2024-T3),

Al(7050-T7) E Al(7010-T7) EM SOLU<;:OES AERADA E DESAERADA DE NaCI 5%, SOB DIFERENTES V ALORES DE pH... 131 5.3 CURVAS DE POLARIZA<;:Ao DAS LIGAS Al(2024-T3),

Al(7010-T7) E Al(7050-T7) EM SOLU<;:0ES AERADA E DESAERADA DE NaCI 5%, A 5"C, 25" C E 50"C... 140 5.4 VOLTAMOGRAMAS CiCLICOS DAS LIGAS Al(2024-T3),

Al(70 10-T7) E Al(7050-T7) EM SOLU<;:0ES AERADA E DESAERADA DE NaC1 5%, SOB DIFERENTES V ALORES DE pH... 145 5.5 MEDIDAS DE IMPEDANCIA DAS LIGAS SOB DIFERENTES

VALORES DE pH... 153

6

CONCLUSOES ... ... ...

!68 REFERENC1AS ... ... 170

FIGURA I - Teor de elementos de v3rias ligas aeronauucas de aluminio e o ano em que a liga foi pela primeira vez discutida.. ... .... .. . ... .... .... .... .... ... .... ... ... .... ... ... .... .. ... 46 FIGURA 2 - Uso de Iigas de aluminio em aviOes civis e militares.

segundo o limite de escoamento e o ano de

aparecimento... 47 FIGURA 3 - Novas ligas de aiuminio e diferentes tratamentos

termo-mecfuticos utilizados no Boeing 777 ... 52

FIGURA 4- Esquema ilustrativo do metodo de determinayiio do potencial de pile atraves da medi9iio do potencial de

corrosao... 77

FIGURA 5 - Efeito do DO a pH 8,2 e pH na satura9ao do ar sobre o potencial de corrosao da liga 5052 e 99,99% em agua do mar... 81 FIGURA 6 - Efeito da temperatura sob dois valores de pH no

potencial de corrosiio da liga 5052 em agua do mar, saturado dear. ... 82 FIGURA 7- Efeito combinado do pH e DO encontrado no Oceano

Pacifico (900m, profundidade) sobre o Potencial de Corrosiio da liga 5052 em agua do mar... 83 FIGURA 8 - Esquema do circuito equivalente para modelar o

comportamento complexo dos fenOmenos que ocorrem na interface 6xido/meio quando se observam loops

indutivos... 90 FIGURA 9 - Valores de densidades de pite obtidos para a liga

2024-T3 associados com as particulas da fase Al,CuMg, em funyiio do pH da soluc;ao exposta em meio aerado

O,IM NaCl... 92 FIGURA I 0 - llustral'iio esquematica do modelo de dissolul'iio

homogenea modificado para a fase AI,CuMg, tarnbem vcilido para a fase A}zCu, e compostos intennetalicos que ocasionam a liberayiio e redistribuiy3o de cobre... 95

FIGURA 12 - Curva de polarizayao potenciodiniimica da liga AI(2024-T3) em so1uyao aerada de NaC11M, pH 6 ... 101 FIGURA 13- Curva de polarizayao em locais com 4 a 5 inclusoes

para a liga 2024-T3 em NaCI I M... I 06 FIGURA 14- Curva de polarizayilo da inclusao AICuMg e da

inclusao AICuFeMn. Liga AI(2024-T3) em NaCIIM.. 106 FIGURA 15 - Exarne por microscopia e1etronica de varredura (MEV)

da 1iga AI(2024-T3) estado recebido... 119 FIGURA 16 - Exarne por microscopia e1etronica de varredura (MEV)

da liga Al(70 I 0-T7) estado recebido... ... 119 FIGURA 17 - Exarne por microscopia e1etr6nica de varredura (MEV)

da 1iga Al(7050-T7) estado recebido... 120 FIGURA 18- Foto do aparelho para controle de temperatura. (Banbo

Termostatico)... 121 FIGURA 19 - Foto da celula eletroquimica com Ires e1etrodos... 121 FIGURA 20 - Foto da celula e1etroquimica acop1ada com o

potenciostato (EG&G PAR 283) ... 122 FIGURA 21- Foto do microcomputador acoplado com o

potenciostato (EG&G PAR 283) ... 123 FIGURA 22 - Curva Potencial x Tempo para tres diferentes Iigas de

aluminio em solu<;ao aerada de NaCl 5%. Temperatura arnbiente, pH 3... ... ... .... .... ... .... ... ... .. .... ... ... 125 FIGURA 23 - Curva Potencial x Tempo para tres diferentes Iigas de

alwninio em solw;ao aerada de NaCl 5%. Temperatura arnbiente, pH 6... 126 FIGURA 24- Curva Potencial x Tempo para tres diferentes Iigas de

aluminio em solw;ao aerada de NaCI 5%. Temperatura ambiente, pH 8,5... 127

FIGURA 26 - Curva Potencial x Tempo para a liga Al(7050-T7) em solw;ao aerada de NaCI 5%. Temperatura ambiente, sob diferentes pH ... 129 FIGURA 27- Curva Potencial x Tempo para a liga Al(7010-T7) em

solu9ilo aerada de NaCl 5%. Temperatura ambiente, sob diferentes pH ... 130 FIGURA 28 - Curvas de polariza,ao para a liga Al(7050-T7) em

soluyao aerada de NaCI 5%, sob diferentes pH... 131 FIGURA 29 - Curvas de polariza9ilo para a liga Al(7050-T7) em

solu~ao desaerada de NaCl 5%, sob diferentes

pH ... 132 FIGURA 30- Corvas de polariza<;ao para a liga Al(7010-T7) em

solm;ao aerada de NaCI 5%, sob diferentes pH... 132 FIGURA 31- Curvas de polariza<;ao para a liga Al(7010-T7) em

soluc;ao desaerada de NaCl 5% a diferentes pH... 133

FIGURA 32 - Curvas de polariza<;ao para a liga Al(2024-T3) em solu9iio aerada de NaCl 5%, sob diferentes pH... 133 FIGURA 33- Corvas de polariza9ilo para a liga Al(2024-T3) em

solul'iio desaerada de NaCl 5%, sob diferentes pH... 134 FIGURA 34- Curvas de polariza,ao para as Iigas em soluyiio

desaerada de NaC15%, pH 6,0. ... 136 FIGURA 35 - Curvas de polariza<;ilo para as Iigas em solul'iio

desaerada de NaCl 5%, pH 8,5... 137 FIGURA 36- Efeito da temperatura na resposta potenciodinfunica da

liga 2024 em solul'iio aerada de NaCI 5%, pH 6... 140 FIGURA 37- Efeito da temperatura na resposta potenciodinfunica da

FIGURA 39 - Efeito da temperatura na resposta potenciodiniimica da liga Al(2024-T3) em solul'i!O desaerada de NaCI 5%, pH 6 ... 143 FIGURA 40 - Efeito da temperatura na resposta potenciodiniimica da

liga Al(7050-T7) em solul'iiO desaerada de NaCI 5%, pH 6 ... 144 FIGURA 4 I - Efeito da temperatura na resposta potenciodiniimica da

liga Al(70 I 0-T7) em solul'ilo desaerada de NaCI 5%, pH 6. ... 144 FIGURA 42- Voltamogramas ciclicos para liga Al(2024-T3) em

solul'iio NaCI 5%, pH 3... 146 FIGURA 43- Voltamogramas ciclicos para a liga AI(2024-T3) em

solul'iiO NaCI 5%, pH

6...

146 FIGURA 44- Voltamograrnas ciclicos para a liga Al(2024-T3) em

solul'ilo NaC15%, pH 8,5 ... 147 FIGURA 45- Voltamograrnas ciclicos para a liga Al(7010-T7) em

soluyiio NaCI 5%, pH 3. ... 148 FIGURA 46- Voltamogramas ciclicos para a liga AI(7050-T7) em

solu9iio NaCI 5%, pH 3 ... 148 FIGURA 47- Voltarnograrnas cfclicos para a liga A1(7010-T7) em

solu9iio NaCI 5%, pH 6 ... 149 FIGURA 48- Voltamograrnas ciclicos para a liga 7050-T7 em

solul'iio NaCI5%, pH 6 ... 149 FIGURA 49- Voltamogramas ciclicos para a liga Al(7010-T7) em

solu9iio NaCI 5%, pH 8,5 ... 150 FIGURA 50- Voltarnograrnas ciclicos para a liga Al(7050-T7) em

solu9iio NaC15%, pH 8,5 ... !50 FIGURA 51- Diagrarna de Nyquist para a liga AI(7010-T7) em

FIGURA 53- Fase do diagrama de Bode para a liga AI(7010-T7) em solw;ao aerada de NaCI 5%, pH 6 ...

FIGURA 54- Modulo do diagrama de Bode para a liga Al(7010-T7) em soluc;llo aerada de NaCI 5%, pH 6 ...

FIGURA 55- Diagrama de Nyquist pam a liga Al(70 10-T7) em solu9ilo desaerada, NaCI 5%, pH 6 ... FIGURA 56- Diagrama de Nyquist para a liga Al(7050-T7) em

solu9ilo desaerada de NaCI 5%, pH 6 ... FIGURA 57- Fase do diagrama de Bode para a liga AI(7010-T7)

solu9ilo desaerada de NaCI 5%, pH 6 ... FIGURA 58- Modulo do diagrama de Bode para a liga Al(7010-T7)

em solu9ilo desaerada de NaCI 5%, pH 6 ... FIGURA 59- Diagmmas de Nyquist para a liga A1(2024-T3) em

solu9ilo de NaCI 5%, pH 6 ... FIGURA 60- Diagramas de Nyquist para a liga Al(7050-T7) em

soluyao aerada de NaCl 5%, sob diferentes pH ...

FIGURA 61- Diagramas de Nyquist para a liga Al(2024-T3) em solw;:ilo aerada de NaCl 5%, sob diferentes pH ... FIGURA 62- Fases do diagrama de Bode para a liga AI(7050-T7),

em solu9ilo aerada de NaCI 5%, sob diferentes pH ... FIGURA 63- M6dulos do diagrama de Bode para a liga

Al(7050-T7) em solw;:ilo aerada de NaCI 5%, sob diferentes pH.

FIGURA 64- Fases do diagrama de Bode para a liga Al(2024-T3) em solu9ilo aerada de NaCI 5%, sob diferentes

155 155 156 157 158 158 159 160 160 161 162 pH ... 163 FIGURA 65 - M6dulos do diagrama de Bode para a liga

AI(2024-T3) em solu9il0 aerada de NaCI 5%, sob diferentes pH 163 FIGURA 66 - Diagrarnas de Nyquist para a liga Al(7050-T7) em

FIGURA 68- Fases do diagrama de Bode para a liga Al(7050-T7) em solw;:ao desaerada de NaCl 5%, sob diferentes pH. 166

FIGURA 69 - Fases do diagrarna de Bode para a liga Al(2024-T3) em soluyao desaerada de NaCI5%, sob diferentes pH. 166

FIGURA 70 - M6dulos do diagrarna de Bode para as Iigas AI(2024-T3) e Al(7050-T7) em soluyao desaerada de NaCI 5%, sob diferentes pH . ... 170

TABELA 1 - Solubilidade dos principais elementos de liga no allllllinio. ... 35 TABELA 2- Elemento principal das ligas de almninio classificadas

pelo uso em trabalhadas ou fundidas. 36

T ABELA 3 - Sistema de designa91io do almninio e ligas de aluminio, segundo 0 metoda de f3bricayao ... 38

T ABELA 4 - Principais elementos de liga na composh;lio das ligas

de aluminio... 39

T ABELA 5 - Sistema de designa91io de tratamento para o aluminio e suas Iigas. ... ... ... ... 41 T ABELA 6 - Influencia dos elementos de liga nas propriedades das

Iigas trabalhadas... ... ... ... ... ... ... ... .... ... . ... .... ... ... 44 TABELA 7- Intluencia dos elementos de liga nas propriedades das

ligas fundidas. .. .... ... ... ... ... ... .... .... ... ... ... 44 TABELA 8- Heterogeneidades que conduzem ao ataque localizado. 69 T ABELA 9 - Composi9ilo quimica das Iigas de aluminio, segundo

as norm as. . ... ... ... ... .... ... ... .... ... ... ... .... .... ... ... 118 TABELA 10- Valores de potencial de circuito aberto (V, Ag/AgCl)

obtidos em meio aerado, para as Iigas de aluminio de acordo como pH do meio NaCl 5% m/m... 129 TABELA ll- Valores (minimo e maximo) de densidade de corrente

de passiva9ilo (J), potenciais de corrosiio (Eoorr), de pile (Epite), e da tendencia a apassiva~ao (Ecorr-Epite) obtidos a partir das curvas de polariza91io (figuras 34 e 35), referente

as

Iigas de aluminio em soluc;ao desaerada de NaCl5%, sob diferentes pH... 137 TABELA 12- Valores do potencial de corrosiio (mV, Ag/AgCl)

obtidos para as Iigas de aluminio, segundo o aeramento eo pH do meio 5% mlm NaCJ ... 138

QUADRO l - Principais datas do aluminio... 28

QUADRO 2 - Propriedades dos elementos de liga do aluminio... 34

QUADRO 3 - Compara9ao e classifica9i!o das liga segundo a resistencia meccinica... 42

QUADRO 4- Valores de tensao de escoarnento (25"C) para algumas Iigas de aluminio series 2XXX e ?XXX... 42

QUADRO 5 - Potencial de dissolu9ao (Eletrodo de calomelano, O,!N, 25"C, NaCI 53g!L

+

H202 3g!L) de compostos

intermetalicos comumente encontrados em Iigas de

aluminio... 57

QUADRO 6- Potencial (ECS) de dissolu9iio das Iigas de aluminio em NaCl 57 giL a 25"C ... 59

QUADRO 7 - Potencial (ECS) de dissolu91lo das Iigas de aluminio em 3,5% NaCI a 25"C... 59

QUADRO 8 - lnfluencia dos elementos de liga na corrosao do aluminio ... 59

QUADRO 9 - Resistencia

a

corrosfio das Iigas de aluminio frente ao aluminio... 60

QUADRO 10- Potencial (ECS) de pile do aluminio (25"C) detenninado sobre curvas de polariza~ao, segundo diversos estudos... ... ... . ... ... ... . ... ... ... ... ... ... .... ... ... 78

ALCOA CST EDS EMBRAER FEG MEV MET UNESP

Aluminum Company of America Corrosil.o Sob Tensilo

Espectroscopia por dispersffo de energia de raios-X Empresa Brasileira de Aeronautica

F aculdade de Engenharia de Guaratingueta Microscopia EJetrOnica de Varredura Microscopia EletrOnica de Transmissao

E

DO

m/m

s

e

T3 T4 T6 T7 T753 T8 de

z

Zim Zre

RC

Modulo de elasticidade Aproximadamente Tensilo de escoamento ()xigenio dissolvido

Concentrayiio percentual em massa

Al2CuMg (Fase constituinte da liga 2024)

A12Cu (Fase constituinte da liga 2024)

Solubiliza~j:iio, encruamento e envelhecimento natural Solubilizayilo, envelhecimento natural

Solubilizayiio, envelhecimento artificialmente Solubilizayao, estabilizayilo e superenvelhecimento T7 mais aliviamento par tratamento termico

Solubilizay§.o, encruamento e envelhecimento artificial Corrente continua

Impedancia

Componentc da imped§ncia no plano imagimlrio Componente da impedfulcia no plano real

Rcpresentayao de wn circuito eletrico (resistor e capacitor)

CAPITULO I- INTRODU<;:AO

1. 1

Considera~iies

sobre o Trabalho

Estudos sabre a corrosfto e a estabilidade do aluminio e de suas Iigas silo de considenivel interesse devido

a

sua importfulcia tecnol6gica, principalmente, as ligas

2024 e 7050 que sao comumente utilizadas na indUstria aeromiutica.

Nas aeronaves hci dais locais onde prevalece a corrosfto: (i) sob coberturas de

material orgfulico; (ii) nas areas sabre a fuselagem, conhecidas como lap-splice joints.

Nessa.'i areas sabre a fuselagem duas placas do casco do aviao se sobrepOem e sao

rebitadas e/ou soldadas juntas, e a agua e outras especies migram para dentro dessas

regiOes por ac;ao capilar.

Em aviOes antigos

e

maior o custo de manuten~ao com fadiga associada

a

corrosllo presente nas areas {lap-splice joints) da fuselagem (fabricada com a liga

2024-T3) da cabine pressurizada do piloto.

Urn descuido de inspe~ao da fuselagem (lap-splice joints) ftente a sinais de

fadiga e/ou corrosiio pode levar a uma siibita perda do casco da fuselagem, semelhante

ao famoso acidente ocorrido em 28 de abril de 1988 como Boeing 737, com 19 anos

de opera¥lio, daA/oha airlines.

A partir do aluminio, o metal da avia¥30, pode-se obter wna melhoria nas suas

propriedades mecfulicas atraves da adir;:iio de elementos quimicos e sob tratamentos

termo-mecfulicos. Esses processes alteram de forma marcante a estrutura original do aluminio, de uma fase homogenea para uma complexa estrutura polifAsica. 0 crescimento de intermetiilicos na matriz possibilita o processo de endurecimento,

porem, pode ocorrer uma modifica¥iio da resistencia quimica da liga.

A resistencia do aluminio C comumente aumentada por processes de endurecimento obtido pela adi~;ffo de vfuios elementos ( cobre, magnCsio, manganes, etc.). A solubilidade desses elementos

a

alta temperatura pennite a fonnayao de

solu~;Oes s6lidas supersaturadas. A decomposi~;ao dessas produzem precipitados fmamente dispersos na matriz de aluminio e, dependendo do tamanho deles, podem

apresentar-se com coerencia ou nao em rela~ao

a

matriz. Precipitados coerentes (chamadas regiOes de Guinier-Preston) e precipitados finamente disperses conduzem a urn maior efeito de endurecimento sobre o aluminio. Esses precipitados podem atuar como sitios centrais para uma imediata nuclea~o durante o tempo de envelhecimento da liga.

A matriz da liga de aluminio

e

influenciada pela presen'ra dos intermetalicos que exercem uma a~ao despolarizante na celula eletroquimica fonnada sobre a superficie. A diferen~;a de composit;ilo da matriz empobrecida de soluto e os precipitados ricos em soluto formam celulas galvfulicas que conduzem

a

dissolu~ao de Areas menos nobres. Os precipitados crescem em discordclncias, regiOes de Guinier-Preston enos contomos de grilo, pelo fato de encontrarem condiQOes adequadas de potencial ou espa~os vazios para serem preenchidos. Micro-defeitos do 6xido passivo e precipitados aumentam o desenvolvimento de pites quando a liga

e

exposta a meios agressivos.

A composi9ao da liga de aluminio exerce uma consider3vel influencia sobre a resistencia

a

corrosao. Provavelmente, devido a dois fatores decisivos: (i) a prOpria composi9ao da camada de 6xido; (ii)

a

presen9a de heterogeneidades dos graos de aluminio que podem afetar a continuidade da superficie da camada de 6xido. Quando se considera o primeiro fator, a adi9ao de cromo, de tiintalo, de zircOnia e de ni6bio

as

Iigas de alurninio

ha

uma maior resistencia

a

corrosao. Isso ocorre porque eles restringem o acesso do <inion cloreto ao filme, deslocando o potencial de ruptura para valores mais positivos. Urn exemplo para o segundo fator, quanto as heterogeneidades presentes, no caso de ligas Al-Zn-Mg sao as fases intennet<:ilicas endurecedoras MgZn2

e MgZn1,8sCUo,15 • Tais precipitados sao mais facilmente dissolvidos no eletr6lito

permitindo o aparecimento de cavidades onde os pites sao nucleados.

As ligas de aluminio 2024, 70 l 0 e 7050, sao submetidas a urn ciclo controlado de aquecimento e de resfriamento. Tal tratamento termico possibilita urn considerAvei aumento de resistencia medinica, e o comportamento dessas ligas, frente

a

corrosao,

e

sensivel ao tipo de tratamento termico, ou seja, ao procedimento adotado na diferentes possibilidades de ciclo controlado de aquecimento e de resfriamento. Quando essas iigas encontram-se expostas a urn meio aquoso contendo cloretos, sobre

suas

superficies.

ha

0 aparecimento imediato de celulas galvcinicas devido

as

diferen~ nas atividades eletroquimicas entre fases heterogeneas, e, tambem, entre as particulas e a matriz.

Nas Iigas de aluminio, em consequencia da forma~ao de celulas galv<inicas sabre a superficie, verifica-se a corrosao puntual (pites). Esse tipo de corrosao localizada ocorre frequentemente ern clusters (ou aglomerados), estrutura com que se formam as

particulas constituintes. Assim, os aglomerados se estendem sobre a superficie da liga provocando uma diminui<;ilo de espessura. Tal fato represents a quantifica~ao mais relevante do efeito da corrosiio sobre as areas da fuselagem que foram rebitadas (lap-splice joints), porque podem estar diretamente relacionadas a urn awnento de tensOes

sobre o casco da fuselagem.

A liga de aluminio-cobre (2024) geralmente comercializada ap6s urn processo de solubiliza~iio, encruamento e envelhecimento natural (T-3) e, ainda, a liga de aluminio-zinco-magnesio (70 I 0, 7050) tambem em geral comercializada ap6s urn processo de solubiliza9fio, estabiliza9ii0 (superenvelhecimento) (T-7) silo empregadas como materias-prima para a fabrica~ao de componentes aeromiuticos, na fuselagem do aviii.o, por exemplo,

porem,

apresentam baixa

resistencia a corrosao

localizada.

Ligas de aluminio em meio aquoso contendo haletos apresentam a corrosfio por pite, que resulta do efeito combinado da suscetibilidade de cada fase a estes §nions e a outros presentes, pH e concentrac;ao de oxigenio, tomando o mecanisme de iniciac;iio de pite e sua propaga~ao urn tema de continua discussao.

Julga-se conveniente, diante de urn assunto tao complexo quanta este sobre a corrosiio de diferentes 1igas em meios de variada corrosividade, a elaborac;ao de urn capitulo onde

e

apresentada informac;Oes gerais sobre o aluminio e suas Iigas e a sua gradual evolw;:ao tecnol6gica, a fun de centrar o leitor no contexto, na situa~ao em que se encontram as pesquisas.

Na revisao bibliogr<ifica sao apresentados alguns aspectos da corrosao do aluminio e de suas Iigas. Nesta, o leitor pode se surpreender pela enfase dos pesquisadores sobre a liga da s6rie 2XXX frente as da serie 7X:XX. Pode-se ressaltar tres motivos dessa preferencia: (i) a liga 2024-T3 e mais antiga; (ii) a liga 2024-T3

apresentou t3.lhas desde o inicio de sua utilizat;ilo e ate recentemente, par exemplo, com o acidente de com a empresa ALOHA Airlines, em 1988; (iii) o efeito do cobre como elemento de liga

e

contradit6rio, isto

e,

para os pesquisadores nos Estados Unidos

e prejudicial, enquanto na Europa

e tido como benefice em termos de

resistCncia

a

corrosilo •.

Considera-se, nessa dissertat;ilo, o estudo do comportamento da liga de aluminio-cobre, especificada como 2024-T3 e denominada de super duraluminio, em meio aquoso contendo NaCI 5% (m/m), sob condiyOes aerada e nilo aerada, em relayiio its Iigas aluminio-zinco-magnCsio, especificadas como 7010-T7 e 7050-T7, em termos de comportamento eletroquimico.

Na parte de resultados, inicialmente, poder:i se conhecer a resposta dessas Iigas no meio aerado sob condic;ao de medi~ao de potencial nilo controlad~ ou seja, potencial em circuito aberto, ap6s seis horas, e, sob tres diferentes valores de pH (3,0, 6,0 e 8,5).

A seguir, com a tecnica potenciodinllmica, obtem-se a resposta dessas Iigas em meio aerado e desaerado no intervalo de pH 3,0 a 8,5.

Ainda com o experimento de curvas de polariza~ao, foi considerada a influencia da temperatura (valores considerados: 5°C, 25°C e 50°C) sabre 0 comportamento das ligas em meio ievemente acido.

Para as Iigas, tambem, foram realizados ensaios de voltametria ciclica e de impedfulcia eletroquimica.

Com essa disserta~iio, p6de-se estudar o comportamento eletroquimico de tres Iigas de aluminio de uso aeron3.utico expostas comumente as mais severas condi~Oes clim3.ticas e corrosividade do meio.

• ALKIRE, R.C. (Frederick Seitz Materials Research Laboratory - Universidade de Illinois, Urbana, Estados Unidos da America). Comunica~ilo pessoal, 2002.

1.2 Objetivo do Trabalho

0 objetivo deste trabalho

e

estudar o comportamento eletroquimico e a

corrosao

das Iigas de aluminio: 2024-T3, 70 I 0-T7 e 7050-T7 em solu91io aquosa contendo NaCI 5% (rnlm), sob condilyOes de desaeramento e aeramento natural, sob diferentes valores de pH e de temperatura.

CAPITULO II- GENERALIDADES

2.1 0 aluminio

0 aluminio merece sempre urn capitulo especial em qualquer born livro sobre materiais. 0 motivo dessa presen~;a pode ser facilmente justificado, inicialmente, pelo fato de ser o terceiro elemento mais abundante em peso, 8% da crosta terrestre, apenas superado pelo oxigenio e o silicic. Encontra-se na forma de 6xido (alumina) no minerio (bauxita), geralmente em teores de 40 a 60%. H8.. ainda, outros motives para justificar a sua produc;;ao anual, da ordem de 24 milh5es de toneladas, apenas inferior

a

do a«;:o. Possui uma estrutura cristalina cUbico de face centrada que facilita a conforma«;:ilo pl3stica frente aos metais com outras estruturas, especialmente

a

baixas temperaturas. Tern urn baixo ponto de fusilo (proximo a 660°C) facilitando a sua fundi98o; apresenta alta condutividade termica e etetrica.

0 aluminio, sobretudo, apresenta algumas caracteristicas fundamentais para ser considerado urn material estrutural (alem de ser atraente

a

vista, estetico):

e

resistente naturalmente

a

corrosao;

e

urn material leve com densidade (2,7g/cm3) tres vezes

menor que a do a~o;

e

alta a razAo entre a sua resistencia medinica em rela~ao ao seu peso. Exemplificando, urn componente estrutural de aluminio, com a metade do peso do a~o, pode ser tao resistente quanto este, desde que apresente uma espessura 50% maior.

0 aluminio, enfun, apresenta propriedades (micas, que os distinguem dos demais: urn metal resistente e leve.

A tecnica de produ~ao comercial do aJuminio foi estabelecida no final do seculo XIX devido ao processo de redu~ao eletrolitica patenteado, independentemente, sob estranha coincidencia, pelos quimicos: o frances Paul Louis Touissant Herault (1863-1914) e o americano Charles Martin Hall (1863-(1863-1914). Este desenvolvimento fez possivel o uso comercial do aluminio e da explora~ao de muitas de suas propriedades desejaveis possibilitando-o, hoje, a considerA-lo tao importante quanta o ferro e o cobre, e, principalmente, o metal da avia~ao.

2.2 As grandes datas do aluminio

0 aluminio nao passou a ser o principal metal da indUstria aeromiutica de forma imediata. Houve urn percorrer sucessivo de diversas etapas, e julga-se de interesse transcreve-la, parcialmente, ap6s consulta a v8rios textos da literatura tecnica, e, sobretudo, o livro Manual do Aluminio1• No Quadro 1, mostrado a seguir apresenta-se,

entao, a hist6ria do aluminio.

Quadro 1 - Principais datas do aluminio (continua)

DATA I ACONTECIMENTO

1807 0 quimico ing1es Sir Humphry

D""av"i=ex"p::o::e_:::_as~s-uas~-su_s_p_e"itas~-cdc-e-q_u_e---4a

alwnina

e

uma combina~ao do ox.igenio com urn metal que ele, ₁ inicialmente, denomina-o de aluminwn e, depois, de aluminio, semi conseguir sepani-1o por eletr6lise da alumina com uma bateria de 1000 elementos. Nilo obstante, obtem uma liga de ferro e aluminio por meio da eletr61ise usando como catodo urn flo de ferro.

1821 Berthier descobre a bauxita. Esse nome deve-se ao fato de te-la encontrado na aldeia de Les Baux, em Aries, Franc;a meridional.

1825

1827

1829

Estimulado pelos trabalbos de Oersted, o alemilo Friederich Wohler, no I

' dia 22/10/1827, no laborat6rio da escola Industrial Municipal de Ber!im, I

' consegue reduzir 30 g de cloreto anidro deAl com potissio puro, obtendo I urn p6 cinzento, "que observado com cuidado a luz do sol parecia estar fonnado de pequenas escamas met31icas brilhantes". Tratando este p6, obteve umas escamas metRlicas grandes. pepitas de aluminio, na qual p6de observar e defmir as propriedades caracteristicas do Al e seu brilho metilico parecido ao do branco do estanho. No museu da Universidade de Gottingen esta

a

exposic;llo essa primeira pepita de alumfnio.

i

Wohler obtern metais de AI do tamanho de uma cabec;a de alfinete e I

determina as propriedades fisicas do metal. !

Quadro 1. Princi ais datas do aluminio (continua

DATA ACONTEC~TO

1852 Robert Bunsen aperfei9oa em Heidelberg o metodo de Davy para a

separa~iio eletrolitica do aluminio met31ico. 0 investigador

frances

Henry Saint Claire Deville estabelece, financiado entre outros por Napoleiio III,

os fundamentos para a obten9ii0 industrial do AI. Melhora o procedimento de Wohler, reduzindo o cloreto duplo de AI e s6dio com s6dio metalico, mais barato. Deste modo consegue obter o metal em pequenos blocos de 96 a 97% de pureza, e reduzir o pre~o. nos anos sucessivos, de 1200 a 1300 francos. Continua estudando as propriedades do AI e sua aplica9iio pratica. 0 total de AI obtido por Deville com o novo procedimento alcam;ou 200 toneladas. Continua os trabalhos de Bunsen, aplicando o cloreto duplo de AI e s6dio, utilizando pela primeira

vez a criolita da Groelfuldia para abaixar o ponto de fusiio e conseguir que 1

o AI fonnado se aglomere em gotas.

1854 Robert Bunsen eletrolisa uma mistura de cloreto de AI e cloreto de s6dio, com anodo e catodo de carviio separados por urn diafragma de porcelana. Pon!m, este ensaio fracassou por falta de energia apropriada.

1855 Pela primeira vez, e exposto urn bloco de AI obtido por Deville na Exposi9iio Industrial de Paris, como nome de "prata de barro''.

1864 Sao fabricados rel6gios de pulso com caixas de AI fundido.

Werner von Siemens inventa o dinamo, proporcionando assim a m8.quina fundamental para conseguir a corrente eletrica em escala industrial, e 1866 permitindo assim, principalmente, a obtem;ao econOmica em grande 1

1876

1878

1885

1886

escala do AI.

Eletrotecnica: Primeira condu~ao eletrica no AI,

Curley.

realizada por W.L.E.

Arquitetura: Remate de AI fundido, em uns 3 kg de peso, no monumento a Washington (ainda existente).

'

!

I

Os innaos Cowles reduzem a alumina em fomo eletrico em presen~a de ferro ou cobre, obtendo as respectivas Iigas de Fe-Al e de Cu-Al.

Nasce a modema indUstria do AI: Paul T. Herroult na Fran~a e Charles 1 Martin Hall, nos EUA, patenteiam independentemente. a decomposi~ao eletrolitica da alumina dissolvida em criolita, procedimento usado ainda

na metalurgia do AI. Assim, a ideia de Davy (1807) foi realizada. Neste

'

ano come9a a funcionar a primeira fabrica de AI na Alemanha, que

Quadro 1. Princi ais datas do aluminio continua)

DATA ACONTEC~TO

1 886-7 Castner melhora em HemeJingen o procedimento de Deville. Grabau

I

reduz o fluoreto de AI com s6dio em urn cadinho alimentado com criolita.

i

1887-88 Heroult e seu sucessor, Martin Kiliani. realizam o procedimento eletrolitico da recem fundada Schweizerische Metyallurgische Gesellschaft (Neuhausen). Depois mudam o nome para Aluminium-' lndustrie A. G. , devido a participa~ilo de Edison-Gesellschaft ( depois AEG).

1887-92 K.J. Bayer obtem as patentes fundamentais para o procedimento Bayer, que sao: a DRP 43977 (1887) sabre o tratamento das lixivias de aluminato, e a DRP 65604 (1892) sabre o tratamento da bauxita com lixivia de soda.

1889 Vasilhas feitas de AI: Fabrica~ao de pe~as fundidas.

1891-92 Constru~ao naval: Primeira apari~ao de AI em urn iate. Carl Berg come~a a fabricar utensilios (panelas) de aluminio.

'

1892 Aeromi.utica: Sao construidos as primeiros dirigiveis de AI pelo sistema

I

de David Schwarz. 1

1893 Fundi~ao artistica: Estatua de Eros no Piccadilly-Circus, em Londres.

1894-5 Constru~iio de bicicletas: Quadros de AI (EUA).

1895 Constru~iio da primeira rede de condu~iio eletrica em AI (nos EUA). 1896 Estradas de ferro: Estruturas deAl para a rede do norte da Fran~a.

1897 Na Alemanha, inicia a primeira f3brica de eletr61ise para AI pela A. G. 1898 Pollack obtem a primeira patente sobre

oxida~tao

an6dica do AI. Na

I

Alemanha.

e

fundido o primeiro motor (cArter) de AI. I

'

1899 Mach desenvolve a liga "Magnaliurn" deAl-Mg.

1900 Automobiiismo: Comeya a obtencao de pecas fundidas para autom6veis. Ortopedia: "Plantillas" ortopedicas de AI.

1901 IndUstria de autom6veis: Chassis.

Quadro 1. Princi a!s datas do aluminio continua

DATA ACONTEC~TO

1905 Produ9ilo industrial de motores em fun91io do Al.

1906 Alfred Wilm, em Berlim, descobre o duraluminio (hoje designada como liga da serie 2000, ou seja, como 2017), primeira liga tratada de grande

'

resistencia mec3nica, do tipo Al-Cu-Mg. Dai que o AI (ou seja, o

i

duraluminio) passa a ser urn material de constru~ao de mUitiplas 1

aplica~Oes, e, de modo especial, como elemento estrutural de aeronaves. 0 nome duralumfnio se deve

a

indUstria alema Durener Metallwerke que

foi a primeira empresa a fabricA-lo comercialmente.

1907 Acessorios navais: Portas de elevador e mobi1iario de fundi9iio de AI para 1

o vapor "Mauritania".

i

' 1908 Constru91io de aparelhos: primeira cuba de fermenta>iio de AI para

fabricac;ao de cervejas, na Sui~a.

1909 1910 1910-11 1912 1914 1916 1916 1918-22 1919 1919

Comec;a a produ~t8.o comercial das Iigas de duraluminio na Alemanha. 1

Primeiro tanque de annazenar cerveja na Suil;a. Rolamentos de AI para eletroimii de suspensao.

Transportes: Primeira aplicac;ao do duraluminio para dirigiveis e aviOes

1

(patentes pelo procedimento de laminado continuo de folhas de AI)

I

Bailey mostrou que o AI era corroido por solu~5es salinas e de que essa corrosao aumentava com as impurezas de sse AI 2•

Primeira condu~ao eletrica ao ar livre em cabo de AI com nU.cleo de a~o

(EUA).

i

Primeiro aviao todo de AI (projetado por Hugo Junckers, dentre outros). 1

' Este aviao de duraluminio apresentava esfolia~ao. IndUstria textil: Bobinas de AI.

R. Seligman e P. Williams descobriram que o AI era corroido por clcidos 1

orgdnicos (Acido acetico, por exemplo/. 1

Desenvolvimemo da liga temperavel e anti-corrosiva Al-Si-Mg, a partir dos ensaios da Giulini-Werk em Munchenstein (Sui~a). I

I

I

Hoopes obtem pela primeira vez o AI puro.

Merica 4 apresenta a teoria do endurecimento por

precipita~ao

das Iigas de II aluminio.

Quadro 1. Principais datas do aluminio ( conclusiio)

DATA

I

ACONTEC!MENTO

1920 Come~am a ser aplicados em grande escala aos tubos de AI.

1921 Madar Paez descobre a liga eutetica de Al-Si, o siluminio.

1923 Na lnglaterra, Bengough e Stuart estabelecem os fundarnentos para a aplicayiiO tecnica da oxidayiiO anodica (anodizayiio). Comeya a aplicayiiO em grande escala do Al na construc;iio de materiais ferroviarios.

1925 Callendeder5 menciona o papel essencial do 6xido de filme do AI frente a corrosao.

1925 Isolamento com folbas de AL

1927 A ALCOA, sob a coordenayiio de Edgar Dix, desenvolve o metodo CLAD para possibilitar ao aiuminio resistencia it corrosiio por esfoliac;ao. Ap6s 1927, com a cladizac;ao e a anodizac;do, as Iigas de alwninio, estabeleceram urn novo referencial para as estruturas das aeronaves -superaram de vez o ayo.

I 928 Primeiro vagiio cisterna americana realizado em AI, de 2 m de diametro por 9, 75 m de Iargura, com 30,3 m3 de capacidade total.

1931 lntrodul'iio das capsulas de AI para garrafas de Ieite. 1933 Construydo de pontes: Primeira aplicayao nos EUA.

1935 Eleva9iio e Transporte: Dragas e Grllas (EUA).

1945-48 Proibi>ilo na Alernanha it obtenyiio de AI de primeira fusao. 1949-50 Primeiro trern articulado e realizado em AL

1951 Prirneira passarela de AI (na Alernanha).

A inforrnayao apresentada., no Quadro acnna., permite avaliar que houve urn periodo Iongo, que abrange 61 anos (de 1825 a 1886) - no qual trabalhararn numerosos pesquisadores de todos os paises industrializados ocidentais -, entre o descobrirnento do alurninio e todo o desenvolvirnento Iento dos procedimentos de obtenyilo, para chegar a mn metodo industrial econOmico. A melhoria das propriedades mec3.nicas e qulmicas do aluminio e de sua.s Iigas continua sendo urn desafio para os pesquisadores.

2.3 As propriedades

0 aluminio, quando obtido na condi~iio de comercialmente puro e estado recozido,

e

urn metal muito dlltil (por exemplo, em urn ensaio de traciio, o alongamento total deste em relayiio ao seu comprimento inicial

e

da ordem de 60%) e apresenta baixa resistencia mecclnica (tensao de escoamento prOximo a 20 MPa, ou 20N/mm2). 0 seu endurecimento pode ser conseguido por dais modos: pela adi~iio de elementos de liga ou por deforma~iio a frio.

Quanta

a

deformayiio, por exemplo, a conformaciio por laminaciio pode aumentar a densidade de discordlincia ( encruamento) que ocasiona urn aumento de resistencia (tensilo de escoamento igual a 152MPa) e dn\stica redu~ilo na dutilidade (alongamento da ordem de 15% em rela~ao ao aluminio puro).

Quanta it adiyiio, pode-se considerar dais casas: primeiro, os elementos adicionados ficam dentro da matriz de aluminio como atomos de soluto substitucionais e ocasionam urn endurecimento (por exemplo, na adi~ao com manganes a I%, a tensao de escoamento

e

da ordem de 4 2MPa com alongamento igual a 45%). No segtmdo caso, os elementos podem ser dissolvidos no aluminio e depois se precipitarn mediante urn adequado tratarnento tennico para fonnar particulas. Nesse caso

ha

urn acentuado endurecimento, por exemplo, ao compor a liga 7075 (com a adi~ao dos elementos zinco, magnesio e cobre) obtem-se uma tensao de escoamento da ordem de 552MPa com alongamento igual a 10%.

Os principais elementos de liga sao: magnesio, silicic, zmco, cobre e manganes. Como elementos adicionais: o niquel, o cobalto, o cromo , o ferro, o tit§.nio e o zircOnio. As principais propriedades desses elementos sao apresentadas no quadro seguinte:

,

Quadro 2. Pro riedades dos elementos de li a do aluminio6

Mg Reduz o ponto de fusiio a 451°C; aumenta o encruamento e a resistencia

a

corrosiio em ligua salgada.

'

Si Aumenta a resistt!ncia e a dutilidade e reduz o ponto de fusiio. Se i

combinado com magnesia permite a precipitac;iio pori endurecimento.

Zn Aumenta de forma dnistica a resistencia e pennite o endurecimento

por precipita~tiio em qualquer temperatura.

Cu Aumenta a resistencia de forma tao dnistica ou superior que o zinco. Permite o endurecimento por precipitac;ao em baixa 1

' temperatura. Reduz a resistencia

a

corrosao.

a

soldabilidade e

a

I

dutilidade.

Mn Aumenta a tensiio de escoamento e a de ruptura.

Ni Pode aumentar a resistencia sob condic;Oes de alta temperatura.

Ti Diminui o tamanho de griio.

Zr Elemento estabilizador, que influencia na temperabilidade. Cr Aumenta a resistencia ii corrosao sob tensao.

Temos de ressaltar que, em termos de resistencia medinica, do aluminio puro as Iigas h;i urn acrescimo consider<ivel. Exemplificando, para a Iiga 7075 o acrescimo

e

da ordem de 27 vezes. Contudo, nao se pode esquecer o efeito adverso, hli urn decrescimo em termos de resistencia

a

corrosao.

Os elementos de Iiga devem ser considerados com mais detalhe. Uma analise dos diagramas de fase binaria aluminio-elemento permite verificar a solubilidade do elemento de liga no aluminio para os diversos niveis de temperatura. A forma desse diagrama, contudo, sofre alterar;Oes com a presem;a de outros elementos de liga e os valores de solubilidades indicados, devem ser considerados como sendo aproximados para o caso das ligas comuns (vide Tabela 1).

Tabela l. Solubilidade dos principais elementos de liga no a1umlnio7 Elemento Cobre Silicic Manganes Magnesia Zinco Mg2Si M 2Si

Maxima Temperatura Maxima solubilidade em solubilidade de maxima temperatura ambiente (%em massa) solubilidade COC) (%em massa)

5,6 548 <0,1 1,8 658 <0,32 1,6 577 <0,5 14,9 450 <1,0 82,8 400 <4,0 1,8 595 16,9 475

A solubilidade do elemento adicionado arunenta com a temperatura e esse fato

permite aplicar, para algumas ligas, diversos tratamentos termicos. 0 de solubiliza<;ao, por exemplo, consiste num aquecimento para solubilizar ( destinado a provocar a maxima dissolu9ao do elemento de liga, de forma a criar uma so1u9iio s6lida homogenea) seguido de resfriamento brusco para manter em solu<;fio s6lida supersaturada o elemento de liga adicionado

a

temperatura ambiente. Urn outro tratamento eo envelhecimento natural ou artificial (com precipitacao coerente). Esse tratamento

e

efetuado ap6s o tratamento de solubilizar;ao. Ele provoca urn efeito acentuado de endurecimento na 1iga (vide Tabela 2).

As Iigas que sao suscetfveis ao endurecimento por esses tratamentos termicos

{solubiliza~ao e envelhecimento) sao as que tern cobre, zinco e magnesia mais silicio. Os demais elementos adicionados provocam urn efeito de endurecimento por duas vias. A primeira, par forma~ao de solu~ao s6lida com o aluminio. A segunda, por formayao de particulas dispersas. A segunda via ocorre quando a quantidade de elemento adicionado excede o limite de solubilidade em temperatura ambiente.

As Iigas que nao tern a sua resistencia mec3nica elevada por tratarnento termico podem ainda ser endurecidas por urn tratamento mecfulico de conforma~iio pl3stica.

Tabela 2. Elemento principal das Iigas de aluminio, classificadas pelo uso em trabalhadas ou fundidas 7 Li as T rabalhadas Endureciveis Cobre Magnesio + Silfcio Zinco Aluminio Man ganes I Nao Endureciveis Silicio Magnesio Li as Fundidas Endureciveis Cobre Man ganes Zinco Aluminio Silicio Nffo Endureciveis Magnesio Manganes

A ampla diversidade de processamentos possibilita uma ampla faixa de Iigas com elevada resistencia mecfulica para serem selecionadas em aplicar;;Oes estruturais. Essas Iigas sao classificadas e recebem diferentes designa~;Oes, como se vera a seguir.

2. 4

Classifica~ao

e

designa~ao

As Iigas de aluminio

sao

classificadas segWido

tres

categorias principais: 1.

Composi~ao, assim sao divididas em aluminio comercialmente puro e Iigas de aluminio; 2.Tratamento termico, dividem-se em nao trataveis e trataveis; 3.

Fabrica~ao, em Iigas trabalhadas e fundidas. Quando a designa~i!o das Iigas segne a categoria de fabricacao, tanto as Iigas trabalhadas (que recebenio conforma9iio ph\stica) quanta as para a fundiyfto apresentam urn sistema de designac;ao diferente conforme o principal elemento de liga presente.

As Iigas fundidas

sao

aqueias que, ap6s a

fusao, e

vertida em moldes para se obter pe~as ap6s a solidificac;ao.

As Iigas de aluminio trabalhadas sao aquelas que, ap6s passar pelo processo de fundic;ao e de solidificar em moldes, passa por trabalhos mecdnicos: forjamento, laminacao, extrusiio, dobramento, etc.

Os materiais trabalhados podem ser encontrados na forma de laminados pianos (chapas, folhas) extrudados (barras, arames, perfis, tubos) e forjados. As Iigas para fundiQao na forma de lingotes destinam-se principalrnente aos processes de fundiQiiO em areia, em molde permanente por gravidade ou sob pressao.

0 sistema de designar;ao, a nomenclatura, apresentada pela associaQfto americana (Aluminium Association),

e

de uso cada vez mais frequente na Europa, e pode-se dizer que ate aceita na maioria dos paises como lADS (International Alloy Designation System) apresenta os seguintes criterios (vide Tabela 3):

Tabela 3. Sistema de designa~ao do aluminio e Iigas de aluminio, segundo o metoda de fabrica~ao7

Ligas trabalhadas Ligas fundidas

S6rie lndica9ao da composh;:ao

sene

Indic~ao da composic;ao I XXX 99,00% min. AI I XX.X 99,00% min. AI

2XXX Cobre 2XX.X Cobre

3XXX Manganes 3XX.X Silicic e Cobre e/ou magn6sio

4XXX Silicic 4XX.X Silicic

5XXX MagnCsio 5XX.X Magnesia

6XXX Magn6sio e silicic 6XX.X serie nao utilizada

7XXX Zinco 7XX.X Zinco

8XXX Outros elementos 8XX.X Estanho

9XXX serie nao utilizada 9XX.X Outros elementos

Os materiais trabalhados, ou seJa, fabricados para defonnayiio phlstica, sao indicados com quatro digitos: o primeiro digito classifica a liga pela s6rie segundo o principal elemento adicionado; o segundo digito para o aluminio identifica o teor de impurezas, enquanto, o segundo digito para a liga, se diferente de zero indica

modifica~ao na liga bAsica; e o terceiro e quarto digito indicam para o aluminio o teor minimo desse metal, enquanto, o terceiro e quarto digito para as ligas servem somente para identificar a liga. Enquanto os dois primeiros digitos designam a familia da liga; esses dois Ultimos digitos, diferentemente do que ocorre na designa~ao para o a~o

carbono, sao arbitrariamente designados, por exernplo, a liga 2024 contfim cerca de 96% de aluminio e nao 99,24%.

Os rnateriais para fundi~ao sao designados com tres digitos mats urn ponto seguido de urn digito: o primeiro digito indica a liga pela serie segundo o elemento principal adicionado; o segundo e o terceiro digitos caracterizam as Iigas de

composi~ffo especifica; e o quarto, que segue o ponto, indica ~ se for zero - a pe~a

fundida, e - se for um - o material na forma de lingote; a coloca~ao posterior de uma ietra maillscula (A, B, ... ) assinala a modifica~ao da liga b:isica.

2.5 Sistema de

designa~lio

Quando a designayao das ligas segue a categoria do tratamento tennico, com o tim de obtermos o endurecimento das Iigas, pode-se dizer que h8 dais grupos: as trataveis tennicamente e as nao trataveis.

As ligas trataveis sao aquelas que endurecem por meio de urn tratamento termico adequado; enquanto as nilo trataveis silo as ligas que nilo endurecem por meio do tratamento tennico, mas sim por meio da confonnac;:ao plclstica.

0 que determina se a liga pode ou nao ser tratada termicamente silo os elementos ligantes principais que constituem as Iigas.

As Iigas trataveis ou nao termicamente, caracterizam-se por apresentar os seguintes elementos ligantes na sua composic;:ao (vide Tabela 4):

Serle Elemento principal Serle Elemento principal

1000 Aluminio puro 99% 2000 Cobre

3000 Manganes 6000 Magnesio

+

Silicio

5000 Magnesio 7000 Zinco

Para complementar o sistema de designa~ao, segundo a composic;ao, existe o sistema de designa~ao da condi~ao de tratamento, isto

e,

do grau de endurecimento do material obtido por tratamento mec§nico e tennico; o sistema de designa~ao e alfa numerico e segue a designa9ao anterior (por exemplo: 2024-T4). As letras usadas sao F, 0, H, WeT e significam as seguintes condii;Oes:

F - como fobricado: aplica-se aos produtos dllteis que nao tiveram controles

especiais dos tratarnentos (termicos ou mec§nicos); as propriedades mecdnicas nao sao indicadas para os produtos dllteis, mas aparecem nos produtos fundidos;

0 - recozido: utilizada para os produtos diiteis recristalizados e na

condif;ao

de menor dureza, e para os produtos fundidos na condi~ao de maior ductilidade e estabilidade dimensional;

H- encruada: aplicada aos produtos dU.teis endurecidos por tratamento mec§nico de confonnayao pl<istica e com provavel tratamento termico posterior de controle do grau de endurecimento. Essa letra

e

seguida de urn e dois dfgitos para indicar a

condi.yao especifica: o primeiro designa o tratamento b<isico; o segundo, a

tempera

que est3 associada a urn limite de resistencia dependente de cada liga, e o terceiro designa variantes especificos;

W - solubilizada: corresponde a urn tratamento termico de condi9fio instavel que

e

seguido de enveihecimento espontfineo em temperatura ambiente; o tratamento consiste num aquecimento em temperatura de solubilizal(do (cerca de 550°C dependendo da liga) dos elementos de liga no elemento bilsico (aluminio) seguido de resfriamenro brusco para manter, em temperatura ambiente, a solu9ao s6lida supersaturada; essa condi9ao

e

indicada quando

e

especificado o tempo de envelhecimento;

T - termicamente tratada: aplicada aos produtos para obter uma situa9iio esttivel da microestrutura (alem da condi9ao 0 ou F) e pode ser ou nao seguida de tratamento mecftnico; a letra T recebe urn ou mais digitos: o primeiro indica a sequencia de tratamento termico, o segundo indica a modifica~ao do tratamento btisico, e o terceiro, a condil(iio de alivio de tens5es (vide Tabela 5).

Obs.:

Tabela 5. Sistema de designayao de tratamentos para o alumfnio e suas ligas7

Designaydo Significado

Tl

T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9

TlO

Trabalho a quente

+

envelhecimento natural Trabalho a quente + envelhecimento natural

Solubilizayffo

+

encruamento

+

envelhecimento natural Solubilizaydo

+

envelhecimento natural

Trabalho a quente

+

envelliecimento artificial Solubilizal'iiO

+

envelhecimento artificial

Solubilizac;:ao

+

estabilizac;:ao

+

superenvelhecimento Solubilizayao + encruamento + envelhecimento artificial Solubilizar;ao

+

envelhecimento

+

artificial

+

encruamento Trabalho a quente

+

encruamento

+

envelhecimento artificial trabalho a quente:

e

a conformayao phlstica realizada sob alta temperatura para permitir a solubilizai(3.0; envelhecimento natural:

e

0 endurecimento por precipitayao

a

temperatura ambiente; envelhecimento artificial:

e

o endurecimento por precipitar;ao com aquecimento sob baixa temperatura; encruamento: eo endurecimento com trabalho a frio.

2.6 A influencia dos elementos de Iiga

Em geral, elementos de iiga adicionados a urn metal possibilita uma classifica~ao

da liga como urn material de baixa, media ou alta resistencia meciinica. No caso do aluminio, as suas Iigas podem ser comparadas com o ar;o e com o tit§nio, como mostra o Quadro 3.

Quadro 3. Compara~iio e classificac;ao das ligas segundo a resistencia mecfulica8

Material metalico Aluminio A~o Titania Baixa (cr, < E/300) O"e < 30 O'e < 90 O'e <55 Resistencia (ksi*) M6dia Alta

(E/300<cr, <E/150) (cr,> E/150) 30<cre < 60 O'e> 60 90<cre < 180 O'e> 180 SS<cre< 110 O"e> 110

cre-tens3o de escoamento; E-mOdulo de eiasticidade (E AI-70000 N/mm2~ E A\X)-210000

N/mm2; E Ti ~ 110000 N/mm2)

• 1ksi ~ 6,89 MPa ~ 6,89 N/mrn2

Uma comparac;ao mais especifica, por exemplo, entre Iigas serie 2XXX e 7XXX,

e

apresentada no Quadro 4.

Quadro 4. Valores de tensiio alwninio series 2XXX e 7XXX Ligas de aluminio 2024-T3 2024·T861 7010-T7651 7050·T7651 7475-T651

' 1 MPa 1 N/mm ; 1 ksi - 6,89 MPa

de escoamento (25°C) para algumas Iigas de Tensiio de escoamento ( cre)

*

MPa I ksi 296 43 455 66 455 66 462 67 455 66

Urn confronto das infonna~Oes contidas nos Quadros 3 e 4 permite considerar a liga 2024-T3 como urn material de media resistencia mecfuJ.ica para efeito estruturai, enquanto as demais sao de alta resistencia. A iiga 2024 e outras da serie 2XXX (inclusive a 2017, o duraluminio) predominam no uso aeron8utico quando a toleriincia

ao impacto e a fadiga sao o primeiro requisite. A modo de exemplo, atualmente, par motivo de maior resistencia

a

fadiga, elas estao substituindo as ligas 7075 de alguns componentes dos avi6es de transpone miiitar tipo C5 Galaxie. As Iigas da serie 2000

devem a sua resistencia mec:lnica

a

precipitayao das fases Al₂Cu e/ou

a

fase Al₂CuMg, que ocorre durante o seu tratamento tennico.

As ligas da serie 7XXX siio de aplicayao aeromiutica predominante quando o requisite principal

e

a resistencia. Elas devem a sua alta resistencia, que excede

a

do a~o normal estrutural,

a

precipita~iio da fase MgZnCu, que ocorre durante o seu processamento termico.

Pode-se verificar que, em funyao do tipo e tear do elemento adicionado, ter-se-3 ou nao urn material estrutural alternative em relayao ao ayo e ao titfulio, ap6s uma considera9ao de diversos fatores: resistencia mecfulica,

a

corrosiio e de fabrica9fio.

As intluencias de cada elemento adicionado nas propriedades mecdnicas, de resistencia

a

corrosao e de fabrica9ao, sao apresentadas de forma sintetica nas Tabelas 6 e 7, mostradas a seguir:

Tabela 6. Influencia dos elementos de li trabalhadas 7

Elemento _{Resistencia Resistencia}

_a

r Propriedades de. fabrica~o

(teores adicionais) SCrie

mecanica corrosao notAveis

1000 B A Conformabilidade phistica Cobre 2000 A B (2 a 5%) Manganes 3000 M A Conformabilidade pl3stica (ate 1,5%) Silfcio

4000 M A Soldabilidade (como metaJ

(ate 12%) de adic;:!o}

Magnesia

5000 M A Soldabilidade

(ate 5%)

Mg+Si

6000 M+A A Conformabilidade p!Astica

{0,5 a 1%)

Zinco

7000 A A

(I aS%}

Observa~oes: A ~ alta; M - media; B ~ baixa.

Tabela 7. Influencia dos elementos de liga nas propriedades das Iigas fundidas' Elemento

I

_sene

Resistt!ncia Resistencia

a

Fundibilidade (teores adicionais)

_'

medinica corrosiio

Cobre 2XX.X A B B-M (4 aS%) Si+Cu JXX.X M B-M A (ate 17% +ate 4,5%) Silicio 4XX.X M A A (ate 12%) Magnesia

sxx.x

M A B (ate JO%) Zn+Mg 7XX.X M B-M M

(ate 7,5 +ate 0,9"/o)

Sn

sxx.x

B B B

(ate 6 %)

Observa~oes: A ~ alta; M ~media; B ~ baixa.

Mediante as Tabelas 6 e 7, pode-se observar, de forma geral, que o cobre, o zinco e o magnesia combinadas com o silicio provocam acentuada elevac;a:o da resistencia mecdnica por tratarnento t6rmico; o manganes, e o magnesia mais acentuadamente,

eleva moderadamente a resistencia meccinica (sern tratamento termico e apenas com encruamento ); o silicic reduz o ponto de fusao e aumenta a fluidez; e o cobre tern wn efeito negative na resistencia

a

corrosilo, ao contr:irio do magnesia.

As propriedades mecinicas das Iigas trabalhadas dependem da composil'ilo e do tratamento termo-mecfu1ico. 0 alwninio da serie 1XXX apresenta a menor resistencia e a maior dutilidade, no estado recozido, comparado

as

demais Iigas; uma eleva9ffo moderada da resistencia pode ser obtida com a deforma9iio plAstica. As Iigas da serie 3XXX. tern wna resistencia mecdnica maior do que o aluminio (serie lXXX) mantendo elevada a dutilidade; esses fatos tomam as Iigas particularmente adequadas aos processes de fabricacfto por conforma~ao plastica a frio, como na estampagem de chapas. As Iigas com silicic, da serie 4:XXX, nao apresentam componamento fr3gil pela presenca desse elemento adicionado principalmente para abaixar o ponto de fusiio e elevar a fluidez, caracteristicas adequadas

a

utilizar;ao como metal de adi.yao na soldagem; alem disso apresentam elevada resistencia ao desgaste ( associada ao baixo indice de expansao termica). A serie 5XXX contem magnesia e esse elemento eleva a resistencia mecfulica de maneira mais acentuada que o manganes. As Iigas das series 2XXX, 6XXX e 7XXX sao aquelas onde os niveis de resistencia sao maiores e sao obtidos portratamentos termicos (solubilizar;ao e envelhecimento); a serie 7XXX, com pequenos teores de magnesia, atinge niveis de resistencia mais elevados; a sCrie 2XX:X, de uso comum, apresenta elevado nivel de resistf:ncia, na condir;ao tratada tennicamente associado

a

manuten.yao de uma moderada dutilidade.

As propriedades mec:lnicas das per;as fundidas em aluminio dependem do tipo de liga. da forma e dimens6es da per;a e do processo e tecnica de fundir;iio.

2. 7 A

evolu~iio

das Iigas de uso aeromiutico

Tra~ar a hist6ria evolutiva das Iigas aeroniluticas equivale, de alguma forma, a

apresentar a cronologia do aumento de adi~Oes de elementos de liga. Para Iigas serie 2XXX e 7XXX

e

apresentada a Figura 1.

2024 2017 1920

i!

ill(o!clo.ssiio da llga ...

7075~

I

I

I

I

I

1950 7050 7075·T76 1970 1990

Figura l. Teor de elementos de varias Iigas aeronimticas de aiuminio e o ano em que a liga foi pela primeira vez discutida 9.

Com o decorrer dos anos urn aumento de percentuai de elementos em solw;:ao s61ida se fez presente, porem, esse aumento progressive nao tern ocorrido de forma sempre ascendente. Uma combina~ao 6tima em termos de resistencia mecfutica e de tolerdncia ao impacto explicam a variabilidade desse teor percenrual adicionado

a

liga.

Pode-se considerar. tambem. que trat;ar a hist6ria evolutiva dessas Iigas equivale, de aiguma forma, a apresentar a cronologia do emprego dessas na indUstria aeromiutica.

0 Junkers F-13 2017-T4 757-767 C17 707 747 7150-TS51 7150~77751 7178-T651 7074.T651 " " • o \ o

A'ito

o 829 0 0 O MD-11 7076-T651 L 1011 7150-T6151 0 DC3 2024-T3 7075-T651 0

in

7065-17751

Figura 2. Uso de Iigas de aluminio em aviOes civis e militares, segundo o limite de escoamento e o ano de aparecimento 9.

Deve-se iniciar com a serie 2XXX a cronologia do emprego das Iigas de aluminio na indUstria aeron:iutica.

Com certeza, pode-se afmnar que as Iigas Al-Cu tern sua origem hist6rica no ano de 1906 quando o quimico alemao Alfred Wiim descobre, casuaimente, o envelhecimento do aluminio ap6s a tempera, e o ano de 1916 marca o inicio do uso dessa liga na indUstria aeromiutica como material estrutural.

As ligas Al-Zn-Mg, s6rie 7X:XX, foram estudadas pela primeira vez em 1913 e as suas boas propriedades meciinicas, ap6s o tratamento tennico, foram demonstradas em

1926, e a decada de quarenta marca o inicio dessa liga na indUstria aeromiutica.

As Iigas da serie 2XXX sao mais tenazes, enquanto as da serie ?XXX sao mais resistentes. Tenacidade e resistencia sao criterios sempre indispens8.veis quanta aos requisitos de urn material estrutural da indUstria aeromiutica. Contudo, no periodo de 1903 a 1930 o peso minimo era o principal criteria para a sele!Yiio de urn material de uso aeromiutico. segundo STARKE et al. 9.