Aluminio e Suas Ligas
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Ligas de alumnio conformadas 1
Marcelo F. Moreira
ALUMNIO E SUAS LIGAS
O alumnio metlico obtido pela reduo eletroltica da alumina (Al2O3) dissolvida em criolita lquida. O processo,
chamado de Hall-Herolut foi desenvolvido em 1886 de maneira independente por Charles Hall (Estados Unidos) e Paul
Heroult (Frana).
As primeiras aplicaes do alumnio foram objetos de decorao como molduras de espelhos, travessas e utenslios
domsticos. Com o tempo, cresceu a diversidade das aplicaes do alumnio, de maneira que, praticamente todos os
aspectos da vida moderna so afetados diretamente ou indiretamente pelo seu uso. Recentemente os maiores
mercados para as ligas de alumnio so 1:
embalagens para alimentos e medicamentos - 34%;
industria automobilstica e de transportes - 21%;
construo civil (fachadas, pontes, torres, tanques de estocagem) - 17%;
cabos e componentes eltricos - 9%;
bens durveis (8%);
indstria de equipamentos e maquinaria - 7% e outros - 4%.
PRINCIPAIS CARACTERSTICAS DO ALUMNIO
Baixo peso. O alumnio apresenta densidade - 2,7 g/cm3, aproximadamente 1/3 da densidade do ao.
Excelente condutividade eltrica e trmica (de 50 a 60% da condutividade do cobre), sendo vantajoso seu emprego
em trocadores de calor, evaporadores, aquecedores, cilindros e radiadores automotivos.
Resistente corroso atmosfrica, corroso em meio aquoso (inclusive gua salgada), leos, e diversos produtos
solventes.
Ductilidade elevada (estrutura CFC) permitindo conformao de componentes com elevadas taxas de deformao.
No ferromagntico (caracterstica importante para aplicaes eletro-eletrnicas)
No txico e portanto, largamente empregado em embalagens
A resistncia mecnica do alumnio puro baixa (~90Mpa), entretanto, so empregados os seguintes mecanismos
de endurecimento:
Endurecimento por soluo slida (ligas no tratveis)
Endurecimento por disperso de partculas (ligas no tratveis)
Encruamento (ligas no tratveis)
Endurecimento por disperso de partculas coerentes ou sub-microscpicas (ligas tratveis termicamente)
A principal limitao do alumnio a sua baixa temperatura de fuso (660 C), o que, limita a temperatura de
trabalho destas ligas.
1 - ASM Handbook v. 2 Properties and selection: non-ferrous alloys 10th edition ASM International
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Ligas de alumnio conformadas 2
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Relao entre resistncia e peso em diversos materiais
Material Limite de resistncia tpico [MPa]
Densidade [g/cm3] Relao resistncia/peso
7178-T6 607 2,78 218
7075-T6 572 2,75 208
2024-T361 496 2,75 180
5056-H18 434 2,61 166
6066-T6 393 2,67 147
Ao inoxidvel AISI 302 964 7,91 121
6061-T6 310 2,67 116
3004-H38 283 2,67 105
Fibra de vidro 130 1,41 92
1350-H19 186 2,66 70
6063-T5 186 2,70 69
3003-H14 151 2,70 56
Ao carbono AISI 1020 413 7,74 53
Bronze 413 8,26 50
5005-O 124 2,67 46
3003-O 110 2,67 41
PVC 51 1,37 37
1060-O 68 2,65 26
Cobre puro 220 8,78 25
LIGAS DE ALUMNIO 2
Os principais elementos de liga das ligas de alumnio incluem combinaes dos seguintes elementos:
Cobre (Cu);
Magnsio (Mg);
Silcio (Si);
Mangans (Mn) e Zinco (Zn).
De acordo com o produto, as ligas de alumnio podem ser divididas em dois grupos:
LIGAS CONFORMADAS OU TRABALHADAS (wrought alloys) ligas destinadas fabricao de produtos
semi-acabados, como laminados planos (placas, chapas e folhas), laminados no planos (tarugos, barras e
arames) perfis extrudados e componentes forjados. .
LIGAS FUNDIDAS (cast alloys) ligas destinadas a fabricao de componentes fundidos.
Somando-se as ligas conformadas e as ligas fundidas, existem mais de 600 ligas reconhecidas industrialmente.
2- ASM Specialty Handbook Aluminum and aluminum alloys ASM international 1993
Estes dois grupos se subdividem em:
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LIGAS NO-TRATVEIS - No so endurecidas por meio de tratamento trmico
LIGAS TRATVEIS TERMICAMENTE So endurecidas por meio de tratamentos trmicos.
importante destacar que termo tratamento trmico , no seu sentido mais amplo, qualquer operao de
aquecimento ou resfriamento realizada para modificar as propriedades mecnicas, estrutura metalrgica ou estado te
tenses internas de um produto metlico. Nas ligas de alumnio, o tratamento trmico restrito a operaes especficas
utilizadas para aumentar a resistncia e dureza de ligas endurecveis por precipitao (conformadas ou fundidas)
NOMENCLATURA DAS LIGAS CONFORMADAS:
1xxx - Al puro no ligado com 99,00% mnimo de Al
2xxx - ligas contendo COBRE como elemento de liga principal e adies de outros elementos, principalmente
Mg. As ligas da srie 2xxx so largamente empregadas na indstria aeronutica e aeroespacial.
3xxx - ligas contendo MANGANS como elemento de liga principal
4xxx - ligas contendo SILCIO como elemento de liga principal
5xxx - ligas contendo MAGNSIO como elemento de liga principal
6xxx - ligas contendo MAGNSIO e SILCIO como elementos de liga principais
7xxx - ligas contendo ZINCO como elemento de liga principal e adies de Cu, Mg, Cr e Zr.
8xxx Ligas cujas composies apresentam diferentes elementos como Sn ou
Li.
9xxx reservada para uso futuro
APLICAES DAS LIGAS DE ALUMNIO CONFORMADAS
Nomenclatura:
Na srie 1xxx, os dois ltimos dgitos indicam a % de Al acima de 99%. exemplos:
liga 1050 - 99,50% de Al
liga 1060 - 99,60% de Al
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Ligas de alumnio conformadas 4
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O segundo dgito indica modificaes no limite de impurezas ou a adio de algum elemento de liga. Se o 2o dgito
for 0 (zero), indica que o Al no foi ligado e apresenta o limite de impurezas convencional. Os nmeros entre 1 e 9
indicam controle especial sobre uma ou mais impurezas ou a adio de elementos de liga.
Nas sries 2xxx 8xxx, os dois ltimos dgitos no possuem significado numrico, apenas identificam diferentes
ligas do mesmo grupo (nmero seqencial)
O segundo dgito indica modificaes no limite de impurezas ou a adio de elementos de liga.
Ligas experimentais tambm utilizam este sistema de classificao, porm, so indicadas pelo prefixo X.
SRIE 1XXX
Alumnio comercialmente puro, no ligado, com pureza igual ou superior 99% de Al. Fe e Si so as principais
impurezas.
As ligas da srie 1000 so caracterizadas pela excelente resistncia corroso, alta condutibilidade trmica e
eltrica, baixa resistncia mecnica e elevada ductilidade.
Um aumento moderado na resistncia mecnica pode ser obtido por meio de encruamento.
Aplicaes:
equipamentos de industria qumica;
refletores;
trocadores de calor;
condutores eltricos e capacitores;
embalagens (papel alumnio) e
painis decorativos para uso na construo civil.
SRIE 2XXX
O COBRE o elemento de liga principal e, na maioria das ligas, o Mg o elemento de liga secundrio.
So ligas tratveis termicamente, podendo, aps os tratamentos, atingir-se a resistncia de ao baixo carbono (450
MPa). A resistncia corroso das ligas da srie 2xxx inferior a de outras ligas de alumnio. Sob certas condies estas
pode apresentar corroso intergranular. As ligas desta srie apresentam boa usinabilidade e caractersticas de soldagem
limitadas (exceto a liga 2219).
Aplicaes:
componentes com elevada relao resistncia/peso, sujeitos a temperaturas inferiores
130C;
rodas forjadas para a indstria aeronutica e de caminhes ; fuselagem e
componentes estruturais de aeronaves (vide figura); componentes de suspenso de
automveis.
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SRIE 3XXX
O MANGANS o elemento de liga principal.
As ligas desta srie no so tratveis termicamente, entretanto, apresentam resistncia 20% superior que ligas da srie
1xxx. Devido a baixa solubilidade de Mn no Al (de at 1,8%) existem poucas da srie 3xxx. Entretanto trs delas so
largamente empregadas na indstria: 3003, 3004 e 3105.
Aplicaes:
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Ligas de alumnio conformadas 6
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componentes de resistncia mecnica baixa que exijam elevada ductilidade;
latas de bebidas;
utenslios de cozinha;
trocadores de calor;
tanques de armazenamento;
sinalizao rodoviria e
painis decorativos e telhados para uso na construo civil.
SRIE 4XXX
O SILCIO o elemento de liga principal.
A maior parte das ligas desta srie no so tratveis termicamente. O Si pode ser adicionado para abaixar a
temperatura de fuso sem provocar fragilidade excessiva, assim, ligas Al-Si so utilizadas em arames de solda ou como
ligas para brazagem de Al (soldagem de Al).
A liga 4032 empregada na fabricao de pistes forjados devido ao baixo coeficiente de expanso e sua alta
resistncia ao desgaste
Ligas contendo entre 4 e 7% de Si apresentam cores que variam do cinza ao negro aps serem submetidas a
anodizao e assim so utilizadas em painis decorativos na construo civil.
Aplicaes:
uso em arquitetura e construo civil; fios, arames e
ps para brazagem.
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SRIE 5XXX
O MAGNSIO o elemento de liga principal. O Mg um dos elementos mais efetivos no endurecimento do Al.
Quando utilizado como elemento principal ou em conjunto com o Mn, o resultado so ligas no tratveis com resistncia
moderada elevada. O Mg considerado mais efetivo que o Mn como endurecedor, (0,8% de Mg tem o mesmo efeito
sobre a resistncia que 1,25% de Mn) e ainda, pode ser adicionado em quantidades elevadas (~15%).
Ligas desta srie possuem boas caractersticas de soldagem e resistncia corroso em atmosfera marinha.
Aplicaes:
Uso em arquitetura e decorao;
embalagens (tampas de latas de Al);
suportes para iluminao pblica;
peas de barcos e navios;
tanques para criogenia e
componentes de guindastes e automotores.
SRIE 6XXX
O MAGNSIO e o SILCIO so os elementos de liga principais.
A proporo de Mg e Si visa a formao da fase Mg2Si, formando ligas tratveis termicamente. As ligas da srie 6xxx
apresentam boa ductilidade, boas caractersticas de soldagem e de usinagem e boa resistncia corroso.
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Aplicaes:
Uso em arquitetura e decorao;
quadros de bicicletas ;
estruturas soldadas
SRIE 7XXX
O ZINCO o elemento de liga principal, adicionado em quantidades entre 1 e 8%. Adies em conjunto com
Mg resultam em ligas tratveis termicamente com resistncia mecnica elevada. Normalmente, Cu e Cr tambm so
adicionados em pequenas quantidades.
Aplicaes:
componentes da indstria aeronutica como estruturas, peas mveis e componentes de alta resistncia.
SRIE 8XXX
As ligas da srie 8xxx envolvem um grande nmero de composies com uma miscelnea de elementos de liga.
As ligas conformadas contendo Li (2,4% a 2,8%) foram desenvolvidas para uso aerospacial e criogenia.
NOMENCLATURA DOS ESTADOS DE ENDURECIMENTO DAS LIGAS DE ALUMNIO
F - como fabricado Refere-se a condio resultante aps qualquer tipo de processamento (laminao a
frio, laminao a quente, fundio e etc.) em que no foram realizados controles sobre a velocidade de
resfriamento ou quantidade de encruamento empregados.
O (oh)) recozido Nos produtos conformada, refere-se a produtos que sofreram recozimento visando a
reduo do limite de resistncia e aumento de ductilidade. Nos produtos fundidos, indica um recozimento
para alvio de tenses e estabilidade dimensional.
H endurecido por encruamento Refere-se a produtos endurecidos por encruamento, podendo ou no
apresentar tratamentos trmicos. O sulfixo H seguido por dois pi mais dgitos:
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H1- produtos conformados que apresentam encruamento e no sofreram nenhum tratamento
suplementar.
H2- produtos encruados e parcialmente recozidos para um determinado valor de dureza. Os dgitos
seguintes a H2 indicam a quantidade de encruamento residual aps o produto ser parcialmente recozido.
H3 produtos encruados e envelhecidos naturalmente para um determinado valor de dureza.
T tratado termicamente refere-se aos produtos que sofreram tratamentos trmicos visando aumento
de resistncia. O sulfixo T seguido por dois pi mais dgitos:
T1 produtos resfriados a partir da temperatura de conformao mecnica a quente e envelhecidos
naturalmente para uma condio de propriedades mecnicas estveis.
T2 produtos resfriados a partir da temperatura de conformao mecnica a quente, encruados e
envelhecidos naturalmente para uma condio de propriedades mecnicas estveis.
T3 produtos solubilizados, encruados e envelhecidos naturalmente para uma condio de propriedades
mecnicas estveis.
T4 produtos solubilizados e envelhecidos naturalmente para uma condio de propriedades mecnicas
estveis.
T5 - produtos resfriados a partir da temperatura de conformao mecnica a quente e envelhecidos
artificialmente.
T6 produtos solubilizados e envelhecidos artificialmente.
T7 - produtos solubilizados e superenvelhecidos ou estabilizados.
T8 produtos solubilizados, encruados e envelhecidos artificialmente. T9 produtos solubilizados,
envelhecidos artificialmente e encruados.
T10 produtos resfriados a partir da temperatura de conformao mecnica a quente, encruados e
artificialmente.
TRATAMENTOS TRMICOS DE SOLUBILIZAO E ENVELHECIEMNTO DAS LIGAS DE ALUMNIO
Tomaremos como exemplo, o resfriamento lento de uma liga do sistema Al-Cu contendo 4,5% de Cu 0u 94,5% de Al.
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SOLUBILIZAO
A solubilizao tem como objetivo solubilizar a fase endurecedora, mantendo a liga em uma condio
metaestvel.
ENVELHECIMENTO
O envelhecimento tem como objetivo a precipitao controlada da fase endurecedora na matriz previamente
solubilizada. A temperatura e o tempo de envelhecimento determinam a mobilidade dos tomos de Cu, que tendem a
formar a fase .
Nas ligas de alumnio tratveis, o envelhecimento realizado em temperaturas de at 280C (dentro do campo
+ ) por um intervalo de tempo precisamente determinado. A combinao temperatura e tempo de envelhecimento
determinam as caractersticas da disperso da fase . Para uma determinada temperatura existe um tempo timo em
que a disperso de precipitados , na maior parte, coerente provocando o endurecimento mximo da liga.
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CURVAS DE ENVELHECIMENTO:
A figura abaixo apresenta o aspecto tpico de curvas de envelhecimento. Note que quanto maior a temperatura de
envelhecimento, o ponto de resistncia mxima ocorre mais rpido, porm com um valor de resistncia menor.
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SUPERENVELHECIMENTO
O superenvelhecimento caracterizado pela reduo da resistncia mecnica com o tempo de envelhecimento.
Quando o tempo de envelhecimento superior ao ponto de resistncia mxima, os precipitados coerentes de fase
aumentam de tamanho e tornam-se incoerentes, diminuindo a resistncia mecnica.
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Lista de exerccios - ligas de alumnio
1- Especificar os ciclos trmicos (temperatura, tempo e meio de resfriamento) para os tratamentos trmicos de
solubilizao e envelhecimento dos seguintes componentes:
a) componente em liga 2014 (%Cu = 4,5%) com 250mm no qual se objetiva limite de escoamento mnimo
de 400MPa.
b) componente em liga 2024 (% Cu = 4,5%) com 100mm no qual se objetiva limite de escoamento de 435
20 MPa.
c) componente em liga 6061 (temperatura de solubilizao = 530C) com 50mm no qual se objetiva limite
de escoamento de 255 20 MPa.
OBS- #1 - utilizar unidades do SI
#2 - o tempo de permanncia (tp) na temperatura de tratamento para que a temperatura do ncleo do
componente seja igual a temperatura de sua superfcie dado pela equao:
tp = 0,5 x eeq [h] - onde eeq = metade da espessura do componente em polegadas.
2- Por que as ligas tratveis (solubilizadas e envelhecidas) apresentam resistncia mais elevada que as ligas no
tratveis? Qual o mecanismo de endurecimento e como ele atua?
3- O que significado das especificaes: 2014 T6; 2017T4 e 6063F.
4- O que o superenvelhecimento e qual o seu efeito sobre as propriedades mecnicas?
5- Qual o efeito do envelhecimento sobre as propriedades mecnicas de:
a) em um componente resfriado lentamente a partir da temperatura de solubilizao (recozido) e
b) em um componente que acabou de sofrer conformao mecnica e sofreu resfriamento mais acelerado
(condio F).
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