PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA
MECÂNICA
Sandro da Silva Marques
EFEITOS DOS TRATAMENTOS TÉRMICOS DE
SOLUBILIZAÇÃO E ENVELHECIMENTO NA
DUREZA DA LIGA DE MAGNÉSIO AM60
MODIFICADA COM ADIÇÃO DE 5% DE TERRAS
RARAS
Orientador: Prof. Dr. Antônio Luiz Ribeiro Sabariz
São João del-Rei, 26 de março de 2015.
EFEITOS DOS TRATAMENTOS TÉRMICOS DE
SOLUBILIZAÇÃO E ENVELHECIMENTO NA
DUREZA DA LIGA DE MAGNÉSIO AM60
MODIFICADA COM ADIÇÃO DE 5% DE TERRAS
RARAS
Dissertação apresentada ao Curso de
Mestrado da Universidade Federal de São
João del-Rei, como requisito para a
obtenção
do
título
de
Mestre
em
Engenharia Mecânica
Área de Concentração: Caracterização e
Propriedade Mecânica dos Materiais
Orientador: Prof. Dr. Antônio Luiz Ribeiro
Sabariz
São João del-Rei, 26 de março de 2015.
AGRADECIMENTOS
Agradeço à Deus, pela minha existência e por ter me dado forças e saúde para vencer
mais esta etapa da vida.
Agradeço à minha família que sempre acreditou na minha capacidade e luta para buscar
meus objetivos.
À minha esposa, um agradecimento especial, pelo apoio, conselhos, paciência e carinho
em todos os momentos.
Agradeço aos meus colegas de mestrado, principalmente, Marcus e Rogério, pessoas
com quem sempre pude trocar informações e colaboração, proporcionando grande
crescimento em parceria.
Agradeço também, aos meus colegas de trabalho, pela compreensão e pela superação
em suas tarefas nos momentos em que não pude estar presente.
Agradeço ao Professor Doutor Antônio Luiz Ribeiro Sabariz pela orientação, apoio,
confiança e por acreditar na minha capacidade de realização desse trabalho.
Agradeço a todos os professores do programa de pós-graduação em engenharia
mecânica da UFSJ, pelo conhecimento dividido e incentivo.
Agradeço aos técnicos de laboratório e funcionários da UFSJ em especial aos Srs.
Francisco e Emílio que se mostraram sempre muito prestativos, disponíveis e proativos.
Agradeço à Mônica, secretária da PPMEC, pelo seu apoio de sempre.
Aos alunos do Programa de Educação Tutorial (PET) de engenharia mecânica pela
colaboração.
Às empresas RIMA e COLIBRÁS, agradeço pela cessão de matéria-prima, que
contribuíram muito para realização deste trabalho.
Agradeço ao Laboratório de Metalurgia Física da Escola de Engenharia de São Carlos
na Universidade de São Paulo (USP-EESC), na pessoa do Professor Dr. Haroldo Carvalho
Pinto, por possibilitar a produção da liga.
Por fim, agradeço a todas as pessoas que direta ou indiretamente colaboraram para o
planejamento, execução e conclusão deste trabalho.
“A mente que se abre a uma nova ideia, jamais voltará ao seu tamanho original”.
Albert Einstein
RESUMO
Este trabalho apresenta um estudo dos efeitos dos tratamentos térmicos de solubilização e
envelhecimento na dureza da liga AM60 com adição de 5% de Terras Raras produzidas por
fundição sob agitação mecânica no estado semi-sólido. As ligas de magnésio possuem uma
das menores densidades dentre todos os metais de engenharia, podendo ser comparadas até
mesmo com alguns plásticos estruturais. A fabricação de veículos mais leves contribui para a
redução na emissão de CO2 no meio ambiente, e também para a economia de combustível.
Essas ligas também são capazes de melhorar a resistência ao impacto, o que reduz as
vibrações mecânicas de máquinas e equipamentos. Conforme literatura, os tratamentos
térmicos T4 e T6, podem, em ligas similares, causar alterações nas propriedades mecânicas,
como a dureza, alongamento e resistência à corrosão, dentre outras. As amostras que
alcançaram os maiores valores de dureza foram aquelas submetidas ao tratamento térmico de
envelhecimento a 200°C por 6 horas. Observou-se, por meio do mapeamento por
espectroscopia de energia dispersiva (EDS) que com os tratamentos térmicos, ocorreram
alterações na microestrutura das amostras, como o surgimento novas fases e precipitados.
Para todos esses tratamentos foi realizada uma análise estatística denominada análise da
variância de um efeito único e comprovou-se que os tratamentos térmicos influenciaram a
dureza das amostras.
Palavras-Chave: ligas de magnésio, tixofundição, envelhecimento, tratamento térmico,
dureza.
ABSTRACT
This paper presents a study of the effects of aging treatment on the hardness and solution of
AM60 alloy with addition of 5% Rare Earth produced by casting under mechanical stirring in
a semisolid state. Magnesium alloys have one of the lowest densities of all the metals of
engineering and can be compared even with some structural plastics. The manufacture of
lighter vehicles, contributes to the reduction in CO2 emissions in the environment, and also to
fuel economy. These alloys are also capable of improving impact resistance, which reduces
the mechanical vibrations in machines and equipment. According to the literature, heat
treatments T4 and T6 can, in others similar alloys, cause changes in the mechanical
properties, such as, the hardness, elongation, corrosion resistance, among others. The
specimens reached the highest hardness values were those subjected to aging heat treatment at
200°C for 6 hours. It was observed by mapping by energy dispersive spectroscopy (EDS)
which heat treatment, alterations in the microstructure of the samples as the new appearance
phases and precipitates. For all of these treatments was carried out a statistical analysis called
analysis of variance One Way and it was found that heat treatments affect the hardness the
samples.
Keywords: magnesium alloys, thixoforming, aging, heat treatment, hardness
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Peças típicas de produtos de comunicação fabricadas no processo de fundição sob pressão
em câmara quente – (LUO, 2013)......................................................................................................15
Figura 2 – Viga de painel de instrumentos fabricado no processo de fundição sob pressão em câmara
quente – (LUO, 2013). ......................................................................................................................15
Figura 3 – Roda de liga de magnésio do Chevrolet Corvette – (LUO, 2013). .....................................16
Figura 4 - Célula unitária de uma estrutura hexagonal compacta (CALLISTER, 2014). .....................22
Figura 5 - Presença das fases α-Mg e β-Mg17Al12 na liga AM60 (FRIEDRICH; MORDIKE, 2006). ..24
Figura 6 - Presença das fases α-Mg e β-Mg17Al12 na liga AZ91 (FRIEDRICH; MORDIKE, 2006)..25
Figura 7 - Componente Al-Mn em diferentes formatos (FRIEDRICH; MORDIKE, 2006). ................25
Figura 8 - Componente intermetálico Al4RE-Mn (FRIEDRICH; MORDIKE, 2006) .........................25
Figura 9 - Microscopia Ótica da Liga AE42 fundida (RZYCHÓN; KIELBUS, 2006). .......................28
Figura 10 - Microscopia Ótica da Liga AE44 fundida (RZYCHÓN; KIELBUS, 2006). .....................28
Figura 11 - Tamanho médio de grão x adição de mischmetal para ligas Al-Mg (SHUANGSHOU et al.,
2007) ................................................................................................................................................29
Figura 12 - Efeito do conteúdo de Cério na Média de Espaçamento dendrítico das ligas HPDC
(ZHANG et al., 2011). ......................................................................................................................30
Figura 13 - Estrutura do trabalho original de Spencer (FLEMINGS, 1991) ........................................32
Figura 14 - Diagrama de fases hipotético de uma liga endurecível por precipitação (CALLISTER,
2014). ...............................................................................................................................................33
Figura 15 - Esquema de Temperatura x Tempo para tratamentos térmicos de Solubilização e
Precipitação (CALLISTER, 2014).....................................................................................................35
Figura 16 - Microscopia Ótica de uma liga AM50 Fundida – (MA; ZHANG; YANG, 2009) .............36
Figura 17 - Microscopia Ótica de uma liga AM50 com Tratamento de Solução Sólida a 380°C, por
24h – (MA; ZHANG; YANG, 2009). ................................................................................................36
Figura 18 - Microscopia Ótica de uma liga AM50 com Tratamento de Solução Sólida a 410°C, por
24h – (MA; ZHANG; YANG, 2009) .................................................................................................37
Figura 19 - Microscopia Ótica de uma liga AM50 com Tratamento de Solução Sólida a 430°C, por
24h – (MA; ZHANG; YANG, 2009). ................................................................................................37
Figura 20 - Microscopia Ótica de uma liga AM50 com Tratamento de Solução Sólida a 450°C, por
24h – (MA; ZHANG; YANG, 2009). ................................................................................................38
Figura 21 - Fluxograma do Procedimento Experimental ....................................................................41
Figura 22 - Imagem dos lingotes de AM60 recebidos da RIMA. ........................................................44
Figura 23 - Parte interna do forno onde foi realizada a fusão..............................................................45
Figura 24 - Cadinho utilizado nesse processo de fusão.......................................................................46
Figura 25 - Máquina de poli corte Panambra .....................................................................................48
Figura 26 - Amostra montada e preparada para o Ensaio de microdureza Vickers. .............................49
Figura 27 – Politriz Panambra ...........................................................................................................50
Figura 28 - Máquina de ultra-som de limpeza Pantec. ........................................................................50
Figura 29 - Forno com atmosfera protegida por Gás Argônio. ...........................................................51
Figura 30 - Diagrama de fase da liga binária Mg-Al (FRIEDRICH; MORDIKE, 2006). ....................52
Figura 31 - Ampliação da região onde se encontra a composição da liga. ...........................................52
Figura 32 - Ampliação da região onde se encontra a composição da liga para o tratamento T6. ..........53
Figura 33 - Microdurômetro Mitutoyo modelo MVK G1. ..................................................................54
Figura 34 - Ângulo de face do penetrador (α = 136°) - (CALLISTER, 2014) .....................................55
Figura 35 - Diagonais do penetrador (CALLISTER, 2014). ...............................................................55
Figura 36 - Imagem de microscópio ótico da microestrutura da liga na condição de tixofundida. .......60
Figura 37 – Imagem de MEV de uma amostra na condição tixofundida. ............................................61
Figura 38 – Imagem de MEV de uma amostra na condição de Solubilizada a 400°C por 24 horas......61
Figura 39 – Imagem de MEV de uma amostra na condição de Envelhecida a 200°C por 6 horas. .......62
Figura 40 – Imagem de MEV de uma amostra na condição de Envelhecida a 150°C por 6 horas. .......62
Figura 41 – Mapeamento por espectroscopia de energia dispersiva da liga AM60 +5% de terras raras
na condição tixofundida (a) fase lamelar (b) elementos químicos presentes .......................................63
Figura 42 – Mapeamento por espectroscopia de energia dispersiva da liga AM60 +5% de terras raras
na condição tixofundida (a) fase matriz (b) elementos químicos presentes. ........................................63
Figura 43 – Mapeamento por espectroscopia de energia dispersiva da liga AM60 + 5% de terras raras
na condição solubilizada a 400°C por 24 horas (a) fase lamelar (b) elementos químicos presentes. ....64
Figura 44 – Mapeamento por espectroscopia de energia dispersiva da liga AM60 + 5% de terras raras
na condição solubilizada a 400°C por 24 horas (a) fase matriz (b) elementos químicos presentes. ......64
Figura 45 – Mapeamento por espectroscopia de energia dispersiva da liga AM60 + 5% de terras raras
na condição envelhecida a 150°C por 6 horas (a) precipitado rico em terras raras (b) elementos
químicos presentes. ...........................................................................................................................65
Figura 46 – Mapeamento por espectroscopia de energia dispersiva da liga AM60 + 5% de terras raras
na condição envelhecida a 150°C por 6 horas (a) matriz (b) elementos químicos presentes. ...............65
Figura 47 – Mapeamento por espectroscopia de energia dispersiva da liga AM60 + 5% de terras raras
na condição envelhecida a 200°C por 6 horas (a) fase matriz (b) elementos químicos presentes. ........66
Figura 48 – Mapeamento por espectroscopia de energia dispersiva da liga AM60 + 5% de terras raras
na condição envelhecida a 200°C por 6 horas (a) fase lamelar (b) elementos químicos presentes. ......66
Figura 49 – Mapeamento por espectroscopia de energia dispersiva da liga AM60 + 5% de terras raras
na condição envelhecida a 200°C por 6 horas (a) precipitado rico em terras raras (b) elementos
químicos presentes. ...........................................................................................................................67
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Densidade de alguns materiais estruturais (KING, 2007). ..................................................18
Tabela 2 - Designação ASTM de Letras para ligas de magnésio (FRIEDRICH; MORDIKE, 2006). ..19
Tabela 3 - Designações de Tratamento para Ligas de Magnésio (FRIEDRICH; MORDIKE, 2006). ...19
Tabela 4 - Algumas designações da subdivisão de T (Adaptado de CALLISTER, 2014). ...................20
Tabela 6 - Estrutura cristalina para alguns metais (CALLISTER, 2014). ............................................22
Tabela 7 - Propriedades mecânicas das ligas fundidas sob pressão (Adaptado de Friedrich e Mordike,
2006). ...............................................................................................................................................26
Tabela 8 - Tensão de Ruptura para Ligas HPDC – (ZHANG et al., 2011) ..........................................30
Tabela 9 - Tensão de Escoamento para Ligas HPDC – (ZHANG et al., 2011). ...................................31
Tabela 10 - Microdureza da liga AM50 sob diferentes estados – (MA; ZHANG; YANG, 2009) ........39
Tabela 11 - Terminologia Básica para Planejamento de Experimentos. ..............................................43
Tabela 12 - Elementos químicos presentes nas terras raras utilizadas. ................................................44
Tabela 13 - Composição da liga AM60 pela norma ASTM B94-07, (2012) e os resultados da Análise
por Fluorescência de Raios X da liga AM60 + 5% de terras raras. .....................................................47
Tabela 14 - Sequência de lixas utilizadas na preparação das amostras (Adaptado de ASTM E3- 11,
2011). ...............................................................................................................................................49
Tabela 15 - Tratamento Térmico de Solubilização por 24h ................................................................56
Tabela 16 - Análise estatística realizada nos dados obtidos das medições de dureza das amostras
tixofundidas e solubilizadas. .............................................................................................................57
Tabela 17 - Contraste entre os tratamentos térmicos T4 que apresentaram os maiores valores de dureza
.........................................................................................................................................................57
Tabela 18 - Tratamento Térmico de Envelhecimento T6. ...................................................................58
Tabela 19 - Análise estatística realizada nos dados obtidos das medições de dureza das amostras
submetidas aos tratamentos térmicos T6. ...........................................................................................59
Tabela 20 - Contraste entre os tratamentos térmicos T4 que apresentaram os maiores valores de
dureza. ..............................................................................................................................................59
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
AM
Liga de magnésio contendo alumínio e manganês como principais
elementos
As
Área da superfície da penetração
ASTM
Sociedade Americana para Ensaios e Materiais
AZ80
Liga de magnésio contendo alumínio e zinco como principais elementos
D
Medida das diagonais da penetração
EDS
Espectrometria de energia dispersiva de raios –X
EDX
Espectrometria de energia dispersiva de raios –X
ESS
Conformação de ligas em estado semi-sólido
F0
Valor calculado para a Distribuição de Fischer
FRX
Espectroscopia de Fluorescência de Raios X
Ftab
Valor tabelado para a Distribuição de Fischer,
GL
Graus de Liberdade
H0
Hipótese nula
HPDC
High Pressure Die Casting (fundição sob pressão)
HV
Microdureza Vickes
LaMeF
Laboratório de Metalurgia Física do Departamento de Engenharia de
Materiais
MEV
Microscópio Eletrônico de Varredura
MIT
Instituto Tecnológico de Massachussets
MM
Mischmental composto de terras raras
MO
MicroscópioÓtico
P
Força
PVC
policloreto de vinila
RE
Terras raras
µm2
µm
gf
SSE
Soma dos quadrados devido ao erro
SST
Soma corrigida dos quadrados de variáveis aleatórias normalmente
distribuídas
SSTRAT
Soma dos quadrados devido aos tratamentos
T
Temperatura
T4
Tratamento térmico de solubilização
T6
Tratamento térmico de envelhecimento artificial
UFSCAR Universidade Federal de São Carlos
USP
Universidade de São Paulo
EESC
Escola de Engenharia de São Carlos na Universidade de São Paulo
ZK60
Liga de magnésio contendo zinco e zircônio como principais elementos
Α
Designação da matriz daliga – Mg
Α
Ângulo de face do penetrador, 136°.
Β
Designação da segunda fase da liga - Mg17Al12
ϒ
Designação da terceira fase da liga – AlMn
°C
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ..........................................................................................................................................14
1.1 OBJETIVOS GERAIS .................................................................................................................................16
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .........................................................................................................................16
2 REVISÃO DA LITERATURA...................................................................................................................17
2.1 O ELEMENTO MAGNÉSIO ........................................................................................................................17
2.2 AS LIGAS DE MAGNÉSIO .........................................................................................................................17
2.2.1 Características Gerais das Ligas de Magnésio ................................................................................17
2.2.2 Classificação das Ligas de Magnésio ..............................................................................................18
2.2.3 Microestrutura do Magnésio e suas Ligas .......................................................................................21
2.2.4 As Ligas da série AM ......................................................................................................................23
2.2.5 As Terras Raras..............................................................................................................................27
2.3 TIXOFUNDIÇÃO .................................................................................................................................31
2.4 TRATAMENTOS TÉRMICOS..............................................................................................................32
2.4.1 Tratamentos Térmicos em Ligas de Magnésio .................................................................................33
2.4.1.1 Endurecimento por Precipitação ............................................................................................................... 33
2.4.1.1.1 Tratamento Térmico de Precipitação por Solubilização ...................................................................... 34
2.4.1.1.2 Tratamento Térmico de Precipitação por Envelhecimento .................................................................. 34
2.4.2 Efeitos de alguns Tratamentos Térmicos em ligas de Magnésio .......................................................35
2.4 ENSAIOS MECÂNICOS.......................................................................................................................39
2.4.1 Ensaio Mecânico de Microdureza ...................................................................................................40
3 MATERIAIS E MÉTODOS .......................................................................................................................41
3.1 PLANEJAMENTO DE E XPERIMENTOS ........................................................................................................41
3.2 MATÉRIA-PRIMA ....................................................................................................................................43
3.3 PRODUÇÃO DA LIGA AM60+5% DE TERRAS RARAS .................................................................................45
3.3.1 Equipamentos utilizados .................................................................................................................45
3.3.2 Procedimentos na tixofundição .......................................................................................................46
3.3.3 Composição química da liga ...........................................................................................................47
3.4 PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS .................................................................................................................48
3.5 TRATAMENTOS TÉRMICOS T4 E T6 ..........................................................................................................51
3.5.1 Tratamento de Solubilização ...........................................................................................................51
3.5.2 Tratamento de Envelhecimento artificial .........................................................................................53
3.6 ENSAIO DE MICRODUREZA VICKERS ........................................................................................................53
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ...............................................................................................................56
4.1 RESULTADOS E DISCUSSÕES SOBRE OS TRATAMENTOS TÉRMICOS T4 ........................................................56
4.2 RESULTADOS E DISCUSSÕES SOBRE OS TRATAMENTOS TÉRMICOS T6 ........................................................58
4.3 DISCUSSÕES SOBRE AS MICROESTRUTURAS..............................................................................................59
5 CONCLUSÕES ..........................................................................................................................................68
6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS .......................................................................................69
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..........................................................................................................70
14
1 INTRODUÇÃO
A busca pela redução de emissões e uma maior economia de combustível nos veículos
de passageiros contribuem fortemente para a expansão do uso do magnésio. A preservação do
meio ambiente é uma das principais razões para que se foque a atenção no magnésio,
proporcionando a redução do peso dos veículos, redução da emissão de CO2 e um aumento na
economia de combustível. A redução de peso através de aplicações de magnésio na indústria
automotiva é uma opção eficaz para diminuir o consumo de combustível e emissões de CO 2.
As melhorias nas ligas de magnésio e nas técnicas de processamento para a indústria
automotiva tornarão possível a fabricação de carros mais ecológicos, mais seguros, mais leves
e mais baratos (KULEKCI, 2008).
O magnésio foi muito usado na indústria nuclear, militar e aeronáutica, durante a
primeira e a segunda guerra mundial. Depois, este interesse se tornou menor. Hoje, com a
necessidade de redução de peso das peças componentes de automóveis para atender a
legislação que limita as emissões de poluentes, o interesse pelo magnésio se renovou.
(MORDIKE; KAINER, 2000).
Segundo Blawert (2004), esta redução de peso, vem crescendo desde que a indústria
automobilística assumiu o compromisso de alcançar uma redução média de 25% no consumo
de combustível de todos os carros novos (comparando-se os níveis de 1990 aos do ano de
2005). Portanto, surge uma grande competição entre vários materiais, como metais leves,
polímeros e aços. Nesse ambiente, o magnésio se apresenta como forte candidato a material
estrutural leve.
Fortalecendo esta proposição, Kulekci (2007), diz que o magnésio é a liga mais leve
dentre todos os metais de engenharia, com uma densidade de 1,74g/cm3. Isso é equivalente a
ser 35% mais leve do que o alumínio, com densidade de 2,7g/cm3 e quatro vezes mais leve
que o aço que tem densidade de 7,86 g/cm3.
Outra característica importante do magnésio é a boa resistência ao impacto, que reduz as
vibrações mecânicas dos componentes em máquinas e instrumentos e, portanto melhora a sua
estabilidade dinâmica e sua vida útil além de reduzir a radiação do ruído no ambiente. A
madeira e os polímeros apresentam um alto nível de amortecimento e os materiais metálicos
exibem nível de amortecimento muito baixo. Sendo assim, o magnésio e suas ligas se
apresentam com alto potencial para as aplicações onde se exige as propriedades típicas e
15
únicas dos metais juntamente com alto nível de amortecimento (MORDIKE; KAINER,
2000).
As ligas da série AM são as mais largamente usadas dentre as ligas comerciais de
magnésio, devido à sua adequada resistência, boa fusibilidade e melhor resistência à corrosão.
Trabalhos a respeito da microestrutura, fases da liga e efeitos dos tratamentos térmicos são
raros de se encontrar, pois os estudos estão mais focados na tecnologia de fundição,
conformação e a sua aplicação na indústria (Ma; ZHANG; YANG, 2009).
A utilização das ligas de magnésio na indústria engloba pequenas peças automotivas
como volantes, colunas de direção e invólucro de airbag, produtos 3C (como por exemplo,
capas para celular, notebook e projetores de LCD) e ferramentas elétricas (LUO, 2013). As
Figuras 1, 2 e 3 ilustram algumas dessas peças típicas fabricadas com ligas de magnésio.
Figura 1 – Peças típicas de produtos de comunicação fabricadas no processo de fundição sob
pressão em câmara quente – (LUO, 2013).
Figura 2 – Viga de painel de instrumentos fabricado no processo de fundição sob pressão em
câmara quente – (LUO, 2013).
16
Figura 3 – Roda de liga de magnésio do Chevrolet Corvette – (LUO, 2013).
1.1 Objetivos Gerais
Proporcionar melhorias nas propriedades mecânicas, elevando o magnésio a um
patamar ainda mais alto dentre estes materiais estruturais tornando-o mais competitivo e
atraindo interesse para aplicações mais amplas na indústria automotiva, aeronáutica e até
mesmo em outros setores industriais.
1.2 Objetivos Específicos
O objetivo específico deste trabalho é de melhorar as propriedades mecânicas da liga,
por meio de tratamentos térmicos de solubilização e envelhecimento. Observar as alterações
na morfologia da microestrutura com microscópios ótico e eletrônico de varredura e estudar o
comportamento mecânico por meio da realização do ensaio de dureza na liga tixofundida em
seu estado bruto de tixofundição e também sob os efeitos dos tratamentos térmicos.
17
2 REVISÃO DA LITERATURA
2.1 O Elemento Magnésio
Segundo o site (“Tabela Periódica Online”, [s.d.]), o magnésio é um elemento químico
de símbolo Mg, pertencente ao grupo IIA da tabela periódica. Foi descoberto em 1808, por
Humphry Davy em forma de óxido e também como amálgama. A partir de 1852, Robert
Bunsen pôde obter o metal a partir de cloreto de magnésio. Pode ser extraído da água do mar
e também em minerais rochosos, como por exemplo, magnesita, serpentina, olivina e
dolomita. No Brasil, há ocorrências no estado do Ceará e na Bahia em jazidas de Magnesita
(MgCO3). No Paraná e em São Paulo podem ser encontradas grandes reservas de dolomita.
Junto com o potássio, também pode ser encontrado abundantemente na bacia salífera de
Sergipe.
Este elemento está presente com grande disponibilidade na natureza e conforme Peixoto
(2000), o magnésio é o oitavo elemento mais abundante na crosta terrestre, ocupando certa de
2,5% dela.
2.2 As Ligas de Magnésio
2.2.1 Características Gerais das Ligas de Magnésio
O magnésio tem baixa densidade, sendo cerca de 2/3 da densidade do alumínio
(PEIXOTO, 2000). Apresenta densidade de 1800 kg/m3, exibindo pequenas variações de
conforme os elementos presentes na liga. As ligas de magnésio demonstram ser excelente e
atrativa opção na redução de peso, quando comparado ao aço, que tem densidade em torno de
7800 kg/m3. Podem ser comparadas também a outros materiais estruturais como titânio, que
exibe densidade próxima de 2700 kg/m3 e também ao alumínio, com densidade de 4300
kg/m3(SILLEKENS; LETZIG, 2006). A Tabela 1 relaciona a densidade de alguns materiais
estruturais, inclusive o magnésio.
Na forma de ligas com alumínio e cobre, o magnésio tem grande uso na indústria,
principalmente a aeroespacial, especialmente com cobre e alumínio. Essas ligas são usadas
também na fabricação de pernas artificiais, aspiradores de pó, bombas incendiárias,
18
sinalizadores luminosos, etc. Para a produção de uma tonelada de magnésio metálico são
necessárias cerca de 800 toneladas de água do mar (PEIXOTO, 2000).
Tabela 1 - Densidade de alguns materiais estruturais (KING, 2007).
Material
Densidade (g/cm3)
Ligas de Magnésio
1,8
Ligas de Alumínio
2,8
Ligas de Zinco
6,6
Aço
7,2
Titânio
4,5
Plásticos Estruturais
1,0-1,7
2.2.2 Classificação das Ligas de Magnésio
A identificação das ligas de magnésio é feita pelas duas letras iniciais que são
entendidas como os dois principais elementos presentes na liga. Essas letras são seguidas por
números que representam as respectivas composições de porcentagem em peso. Este é um
sistema de classificação introduzido pela ASTM (American Society for Testing and
Materials) que é usado quase universalmente. A Tabela 1 ilustra os elementos e suas
respectivas letras usadas na designação das ligas de magnésio (KING, 2007).
A composição química geral pode ser expandida acrescentando-se outras informações
ou variantes com a adição de uma letra após o último número da composição. Como por
exemplo, AZ91A. Outras informações como detalhes de fabricação podem vir após a inserção
de um hífen, como por exemplo, ZK61A-T5, AM 100A-T61. Na Tabela 2 e 3 são ilustradas
as designações para tratamentos térmicos das ligas de magnésio (MORDIKE; KAINER,
2000).
19
Tabela 2 - Designação ASTM de Letras para ligas de magnésio (FRIEDRICH;
MORDIKE, 2006).
Elemento
Designação
Alumínio
A
Cobre
C
Terras Raras
E
Tório
H
Estrôncio
J
Zircônio
K
Lítio
L
Manganês
M
Prata
Q
Silício
S
Gadolínio
V
Ítrio
W
Zinco
Z
Tabela 3 - Designações de Tratamento para Ligas de Magnésio (FRIEDRICH;
MORDIKE, 2006).
Designações de Tratamento para Ligas de Magnésio
F
O
H
T
W
Como Fabricado
Recozido recristalizado (apenas
produtos forjados)
Encruado
Termicamente tratado para produzir
têmperas estáveis além de F, O ou H.
Solução tratada termicamente
(têmpera instável)
20
Tabela 4 - Algumas designações da subdivisão de T (Adaptado de CALLISTER, 2014).
Subdivisões de T
T2
Recozimento (Apenas para ligas fundidas)
T4
Solubilização e precipitação à temperatura ambiente (envelhecimento natural)
T5
Precipitação artificial sem prévia solubilização
T6
Solubilização e precipitação artificial
T7
Solubilização e estabilização (tratamento de super envelhecimento)
Conforme Friedrich e Mordike (2006), alguns elementos químicos podem promover
alterações nas microestruturas das ligas de magnésio, como:
Alumínio: O alumínio é um dos elementos mais importantes nas ligas de magnésio. É
um dos poucos metais que se dissolvem facilmente no magnésio. Acima do limite de
solubilidade, uma fase intermetálica Mg17 Al12, precipita. O limite de solubilidade do alumínio
na temperatura eutética é de 12%, em massa, e cai para cerca de 1% à temperatura ambiente.
Essa fase, intermetálica Mg17Al12, tem um papel muito importante nas propriedades
mecânicas da liga.
Cálcio: Tem se tornado mais comum a adição do cálcio nas ligas de magnésio no
desenvolvimento de ligas mais baratas resistentes à fluência ao substituir o precipitado
Mg17Al12 por Al12Ca. O cálcio pode também agir como um desoxidante na fusão ou em um
subsequente tratamento térmico. Isto melhora as condições para a laminação de chapas, mas
se a quantidade de cálcio for menor que 0,3% em massa, pode reduzir a capacidade de
soldagem do material.
Lítio: Este elemento é solúvel em até 17% em peso (5,5% em massa) que é retido em
grande parte à temperatura ambiente. A segunda fase é de estrutura cúbica de corpo centrado
(11% em massa) o que permite se produzir peças forjadas com fases α + β ou fase β. A adição
de Lítio diminui a resistência, mas aumenta a ductilidade. As constantes elásticas também são
um pouco melhoradas.
Manganês: Não é empregado sozinho, mas sim, junto com outros elementos de liga,
formando os componentes AlMn, Al4Mn ou Al6 Mn. O manganês reduz a solubilidade do
ferro e também produz compostos relativamente inofensivos, aumenta a tensão de escoamento
e melhora a resistência à corrosão em água salgada nas ligas MgAl e MgAlZn. Ligas binárias
(M1A) são usadas em peças forjadas ou barras extrudadas. A quantidade máxima de
manganês é 1,5-2% em massa.
21
Terras Raras: São adicionadas nas ligas de magnésio para melhorar a resistência em
altas temperaturas e a resistência à fluência. São usualmente adicionadas como Mischmetal
que têm uma porcentagem em massa de Cério ou outras Terras Raras.
Silício: Aumenta a fluidez na fundição das ligas. Quando em presença de ferro, irá
reduzir a resistência à corrosão da liga. É empregado em poucas ligas como AS21 e AS41.
Prata: A Prata aumenta a resposta ao endurecimento por envelhecimento e as
propriedades de alta temperatura do Tório ou Terras Raras contidas na liga como, por
exemplo, QE22 e QH21.
Tório: A adição de Tório confere resistência à fluência – até 350°C. Ele melhora a
fusibilidade e torna as ligas soldáveis. Sua utilização está sendo eliminada devido à sua
radioatividade.
Ítrio: O Ítrio, melhora a resistência a altas temperaturas e a resistência à fluência até
300°C, quando é usado em conjunto com Terras Raras.
Zinco: O Zinco é um dos mais comuns elementos de liga. É utilizado em conjunto com
alumínio, por exemplo, nas ligas AZ91 ou com zircônio, terras raras ou tório.
Zircônio: O zircônio age no refinamento de grão. Ele pode ser usado nas ligas que
contêm zinco, terras raras, tório, ítrio ou na combinação das mesmas. Não é usado nas ligas
que contêm alumínio ou manganês, pois forma compostos estáveis com o zircônio. Ele
também pode formar compostos estáveis com o ferro, silício, carbono, nitrogênio, oxigênio e
hidrogênio na fusão. Apenas o zircônio dissolvido é efetivamente um refinador de grão.
2.2.3 Microestrutura do Magnésio e suas Ligas
Todos os metais possuem a característica de formarem estruturas cristalinas sob
condições normais de solidificação. Essas estruturas cristalinas, chamadas células unitárias,
são onde os átomos estão em um arranjo tridimensional repetitivo ao longo de grandes
distâncias atômicas em que os átomos estão ligados aos vizinhos mais próximos. Algumas
propriedades do metal dependem da estrutura cristalina em conjunto com as características
impostas durante o processo de fabricação (CALLISTER, 2014).
A maioria dos metais encontra-se em três estruturas cristalinas relativamente simples
que são: cúbica de face centrada (CFC), cúbica de corpo centrado (CCC) e hexagonal
22
compacta (HC). A Tabela 6 apresenta alguns exemplos de metais e suas respectivas estruturas
cristalinas (CALLISTER, 2014).
O magnésio possui estrutura cristalina hexagonal compacta (HC). Esta estrutura se
organiza com as faces superior e inferior compostas por seis átomos formando hexágonos
regulares com um único átomo no centro. Entre estes dois planos, encontra-se um plano
intermediário que contribui com três átomos e tem como vizinhos mais próximos os átomos
nos dois planos adjacentes (CALLISTER, 2014). A Figura 4 traz uma ilustração da estrutura
hexagonal compacta.
Figura 4 - Célula unitária de uma estrutura hexagonal compacta (CALLISTER, 2014).
Tabela 5 - Estrutura cristalina para alguns metais (CALLISTER, 2014).
ESTRUTURA
METAL
CCC
Cromo, Ferro-α, Molibidênio e Tântalo
CFC
Alumínio, chumbo, cobre, níquel, ouro, platina e prata.
HC
Cádmio, cobalto, titânio-α, zinco e magnésio.
23
2.2.4 As Ligas da série AM
O alumínio é um dos mais importantes elementos de liga e é um dos poucos metais que
se dissolvem facilmente no magnésio. O limite de solubilidade do alumínio à temperatura
eutética é de 11,5% em peso (12% em massa) e diminui para cerca de 1% em peso à
temperatura ambiente. Acima do limite de solubilidade ocorre a precipitação do Mg17Al12,
que é um intermetálico frágil. Consequentemente, o precipitado Mg17 Al12, desempenha um
papel dominante na determinação das propriedades da liga (FRIEDRICH; MORDIKE, 2006).
No estado líquido, o magnésio e o alumínio são completamente solúveis entre si. A
reação eutética ocorre a 437°C formando uma mistura de α-Mg e β-Mg17Al12. O formato da
fase β depende da presença ou não de zinco. Quando o zinco está presente, é formado um
composto completamente divorciado e, se o zinco não está presente, um composto maciço
com ilhas de uma solução sólida de magnésio se forma. A precipitação ocorrida a partir da
fase β sólida pode ser contínua ou descontínua. Quando acontece a presença do zinco em ligas
que contém alumínio, este zinco é disolvido principalmente na fase β. Quando ocorre a
presença suficiente de ferro, o composto Mn-Al-Fe será formado. A presença do manganês,
juntamente com o alumínio faz surgir o componente Al-Mn. As fases ricas em manganês
podem aparecer em forma de agulhas ou formas irregulares. As Figuras 5, 6, 7 e 8 mostram o
formato dessas microestruturas presentes nas ligas de magnésio. Vide também figura 27.
24
Figura 5 - Presença das fases α-Mg e β-Mg17Al12 na liga AM60 (FRIEDRICH;
MORDIKE, 2006).
25
Figura 6 - Presença das fases α-Mg e β-Mg17Al12 na liga AZ91 (FRIEDRICH;
MORDIKE, 2006).
Figura 7 - Componente Al-Mn em diferentes formatos (FRIEDRICH; MORDIKE, 2006).
Figura 8 - Componente intermetálico Al4RE-Mn (FRIEDRICH; MORDIKE, 2006)
Wang, Eliezer e Gutman (2003), investigaram a liga AM50 fundida sob pressão e a
microestrutura encontrada consistia principalmente nas fases α-Mg, β-Mg17Al12 e Al8 Mn5. Os
precipitados β-Mg17Al12 foram encontrados em estrutura lamelar típica e distribuída na
matriz de forma bastante homogênea. O comprimento do precipitado lamelar β-Mg17 Al12
varia de centenas de nanômetros a vários micrômetros e a largura com dezenas de
nanômetros. Já os precipitados Al8 Mn5 foram encontrados em uma morfologia poligonal
típica que alcançam centenas de nanômetros. Além disso, a distribuição do precipitado
Al8Mn5 foi diferente do Mg17Al12. Em alguns casos, apenas um ou dois precipitados surgiram
na área de observação, enquanto que em outros casos, vários precipitados segregados
puderam ser vistos na área de observação. As interfaces entre a fase Al8Mn5 e a matriz finas e
agudas. Alguns defeitos, como falhas de empilhamento ou maclas também foram encontrados
nas partículas de Al8Mn5.
Os espectros de EDX das fases existentes na liga AM50, realizados no trabalho de
Wang, Eliezer e Gutman (2003), apresentam muitos pontos com diferentes tamanhos que
26
variam de 10 nm até 1 mm de diâmetro e os resultados encontrados são idênticos. A
composição química da matriz, obtida a partir do EDX, foi consistente. Apenas com um
pequeno desvio foi observado.
As ligas AM50 e AM60 são materiais que apresentam maior alongamento e absorção de
energia, alta resistência e vazamento de boa qualidade. Entre as típicas aplicações das ligas
AM50 e AM60 estão peças automotivas de paredes finas que têm necessidade de deformação
e maior alongamento. Como pode ser observado pela Tabela 7, comparando-se as ligas
AM20, AM50 e AM60, percebe-se que, como o teor de alumínio entre as ligas AM20 com
relação às duas outras ligas é menor, resulta no aumento da capacidade de alongamento e
resistência ao impacto com redução da tensão de escoamento como na redução da capacidade
de preenchimento da matriz ou vazamento (FRIEDRICH; MORDIKE, 2006).
A resistência das ligas com baixo teor de alumínio é produzida pelo endurecimento por
solubilização. Nas ligas com alta concentração de alumínio, a resistência é produzida pela
formação dos precipitados Mg17Al12. Com o aumento do teor dos precipitados Mg 17 Al12,
reduz-se a ductilidade. O sistema linear Mg-Al, com adição de 6% em massa de alumínio é
onde a porosidade pode ser evitada, as melhores propriedades mecânicas são observadas e as
ligas podem ser solubilizadas e envelhecidas. Aumentando-se o teor do alumínio, melhora-se
a fluidez e a resistência, diminuindo-se a ductilidade. Os precipitados intermetálicos Mg17Al12
formam-se descontinuamente nos contornos de grão. Eles se fundem a 460°C e amolecem a
110-120°C, temperatura suficiente para permitir deslizamento do contorno de grão quando
sistema de deslizamento adicional também está ativo (FRIEDRICH; MORDIKE, 2006). A
Tabela 7, traz algumas ligas de magnésio fundidas sob pressão e com algumas de suas
propriedades mecânicas, onde o alumínio é o elemento de liga de maior teor (MORDIKE,
2006).
Tabela 6 - Propriedades mecânicas das ligas fundidas sob pressão (Adaptado de
Friedrich e Mordike, 2006).
Al
Mn
Zn
Outros
Resistência
Resistência à
Alongamento
Dureza
ao
Tração
[%]
HB
11
60
escoamento
2
[n/mm ]
2
[n/mm ]
AE42
4,0
0.1
2.5RE
145
230
27
Continuação
AM20
2,1
0,1
90
210
20
45
AM50
4,9
0,26
125
230
15
60
AM60
6,0
0,13
130
240
13
65
AS21
2,2
0,1
1,0Si
120
220
13
55
AS41
4,2
0,2
1,0Si
140
240
15
60
AZ91
9,0
0,13
160
250
7
70
0,7
2.2.5 As Terras Raras
As terras raras compreendem um grupo de 17 elementos químicos que inclui os
elementos ítrio (símbolo químico Y) e o escândio (Sc) e os elementos da série dos lantanídeos
(número atômico entre 57 a 71) começando por lantânio (La) até o lutércio (Lu) (MARTINS;
ISOLANI, 2005).
Conforme Friedrich e Mordike (2006), as terras raras são adicionadas às ligas de
magnésio para melhorar a resistência à alta temperatura e a resistência à fluência. São sempre
adicionadas como mischmetal, portanto, têm uma porcentagem de Cério e outras terras raras,
principalmente lantânio e neodímio ou didímio (85% de Neodímio e 15% de Praseodímio).
Rzychón e Kielbus (2006) estudaram a microestrutura das ligas AE42 e AE44, fundidas
sob pressão. Eles observaram pela análise dos padrões de difração de raios X (EDX) que a
microestrutura da liga AE42 que consiste de solução sólida de α-Mg com a fase eutética
divorciada Mg17Al12 + α-Mg, fases ricas em terras raras e fase rica em Mn. Na imagem da
Figura 9, podemos visualizar a matriz α-Mg e algumas precipitações irregulares. A mudança
de 2% para 4%, em peso, de terras raras, promoveu alteração na microestrutura da liga, como
podemos visualizar na Figura 10. Pela análise da imagem do padrão de EDX, puderam
observar na liga AE44 precipitações das fases Al11RE3 e Al3RE. Em imagens de microscópio
eletrônico de varredura (MEV) com espectrometria de Raios X por energia dispersiva (EDS),
foi encontrada uma fase globular rica em Mn, mas a fase Mg 17Al12 não foi observada. Na liga
AE44, mais átomos de alumínio foram consumidos na formação das fases Al11RE3 e Al3RE.
Isso levou à diminuição do alumínio em solução sólida em α-Mg.
28
Figura 9 - Microscopia Ótica da Liga AE42 fundida (RZYCHÓN; KIELBUS, 2006).
Figura 10 - Microscopia Ótica da Liga AE44 fundida (RZYCHÓN; KIELBUS, 2006).
Em seu trabalho, Shuangshou et al. (2007) indicaram que pequena quantidade de adição
de mischmental, variando de 0,1% à 2%, em massa, não causou refinamento de grão nas ligas
Mg-Al, ao contrário, causou crescimento de grãos. Houve um crescimento de
aproximadamente duas vezes à da liga original. Quando adicionado às ligas Mg-Al, o
mischmetal reagiu preferencialmente com o alumínio para formar a fase Al11MM3. Como
estas fases Al11MM3, são distribuídas, principalmente dentro dos grãos de α-Mg do que nos
contornos de grãos, teve pouco efeito em restringir o crescimento desses grãos. Além disso, o
mischmetal reagiu com Al8(Mn, Fe)5 ou partículas de ε-AlMn para formar compostos de AlMM-Mn, reduzindo assim, a quantidade de núcleos heterogêneos no material fundido e
resultando em notável crescimento de grãos. Este efeito de crescimento de grãos pode ser
observado na Figura 11, abaixo:
29
Figura 11 - Tamanho médio de grão x adição de mischmetal para ligas Al-Mg
(SHUANGSHOU et al., 2007)
ZHANG et al. (2011) investigaram a microestrutura, as propriedades mecânicas e o
comportamento à corrosão da liga Mg-4Al-xCe-0.3Mn (x=0, 1, 2, 4 e 6%, em peso). A Figura
12 mostra que, com as adições de Cério, o espaçamento dendrítico apresentou-se bastante
reduzido. Surgiram também as fases secundárias Al11Ce3 e (Al, Mg)2Ce. A fase Al11Ce3
apareceu em substituição à fase Mg17Al12 e mostrou-se dominante. Os compostos Al-Ce são
formados principalmente nos contornos de grãos, o manganês é distribuído de forma quase
homogênea na matriz. As Tabelas 8 e 9 mostram a resistência à tensão de ruptura e à tensão
de escoamento em temperatura ambiente.
30
Figura 12 - Efeito do conteúdo de Cério na Média de Espaçamento dendrítico das ligas
HPDC (ZHANG et al., 2011).
Tabela 7 - Tensão de Ruptura para Ligas HPDC – (ZHANG et al., 2011)
Tensão de Ruptura (MPa)
Ligas
Temperatura Ambiente
AM40
218
AlCe41
232
AlCe42
247
AlCe44
250
AlCe46
254
AE44
247
31
Tabela 8 - Tensão de Escoamento para Ligas HPDC – (ZHANG et al., 2011).
Tensão de Escoamento (MPa)
Ligas
Temperatura Ambiente
AM40
120
AlCe41
146
AlCe42
148
AlCe44
157
AlCe46
161
AE44
147
2.3 TIXOFUNDIÇÃO
Em sua tese de doutorado, pelo Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT), em
1971, nas suas pesquisas com a liga Sn-15% Pb a respeito de trincas de contração, David
Spencer tomou a decisão de utilizar, em alguns testes, o reômetro. Ao deformar o material,
durante o resfriamento, o material se comportava com um escoamento parecido com o de uma
pasta de baixa viscosidade, ao invés de apresentar trincas. A estrutura deste material não era
dendrítica (FLEMINGS, 1991).
A tixofundição é uma técnica ou processo de obtenção de pastas metálicas que
conquistou espaço como opção aos processos de forjamento e de fundição sob pressão. Sendo
assim, melhores propriedades mecânicas das peças fabricadas puderam ser viabilizadas por
meio desta técnica. Sua estrutura apresenta uma fase primária formada por material esferoidal
e uma fase secundária da matriz líquida que está em uma determinada temperatura da zona
pastosa (KAPRANOS et al., 2000). É a conformação de ligas em estado semi-sólido (ESS),
ou seja, num intervalo de temperatura em que as fases líquida e sólida, estejam presentes ao
mesmo tempo onde, necessariamente a fase sólida deverá ter uma morfologia globular (FAN,
2002). Conforme (BATALHA, 2003), na tixoconformação, a temperatura é escolhida,
geralmente, com uma proporção de aproximadamente 60% de fase sólida e 40% de fase
líquida.
Fan, (2002), considera a tixofundição como uma técnica economicamente viável por
proporcionar alta produtividade, aumento da vida útil das matrizes, menor quantidade de
defeitos no produto, propriedades mecânicas e acabamento final de excelente qualidade. No
32
entanto, apresenta algumas desvantagens, como alto custo da matéria-prima, equipamentos
caros e rigoroso controle da microestrutura, devido à sensibilidade à temperatura.
Durante a solidificação dendrítica de peças fundidas e lingotes, uma série de processos,
como a cristalização, por exemplo, ocorrem simultaneamente na região do semi-sólido. A
estrutura dendrítica que se forma durante as fases iniciais da solidificação é bastante afetada
quando é agitada fortemente. Com esta agitação e o resfriamento lento, os grãos tornam-se
esferoidais. As ligas que têm esta microestrutura possuem propriedades reológicas no estado
semi-sólido, bastante diferentes daquelas das ligas dendríticas. Elas passam a ter um
comportamento tixotrópico e sua viscosidade pode ser bastante variada conforme as
condições de processamento. A estrutura do metal e as suas propriedades reológicas são
mantidas após solidificação e a refusão parcial. As ligas semi-sólidas podem ser conformadas
novamente, sendo o processo chamado de processo de conformação de metais semi-sólidos.
Alguns deles são empregados comercialmente para produzir componentes de metal e também
na produção de compósitos com matriz metálica (FLEMINGS, 1991). A Figura 13 traz a
ilustração da micruestrutura com particulas globulares obtidas no estado semi-sólido.
Figura 13 - Estrutura do trabalho original de Spencer (FLEMINGS, 1991)
2.4 TRATAMENTOS TÉRMICOS
Os tratamentos térmicos são um conjunto de operações que incluem o aquecimento e
resfriamento em condições controladas, que têm por objetivo modificar as propriedades dos
materiais. Assim, é possível a obtenção de materiais mais adequados a cada aplicação, sem
que os custos aumentem muito.
33
2.4.1 Tratamentos Térmicos em Ligas de Magnésio
2.4.1.1 Endurecimento por Precipitação
Segundo Callister (2014), algumas ligas metálicas podem ter a resistência mecânica e a
dureza melhoradas após o tratamento térmico de endurecimento por precipitação, que ocorre
pela formação de partículas muito pequenas e bastante dispersas de uma segunda fase dentro
da matriz. A formação dessas partículas deve ser obtida mediante tratamentos térmicos
apropriados. É chamado endurecimento por precipitação porque as minúsculas partículas de
uma nova fase se denominam "precipitados". Outro procedimento chamado "Endurecimento
por envelhecimento" também é usado, pois a resistência mecânica se desenvolve com o
tempo, ou à medida que a liga se envelhece. A Figura 12 mostra um esquema que
correlaciona a temperatura e o tempo nos tratamentos térmicos de solubilização e
envelhecimento.
Para Callister (2014), muitas ligas endurecíveis por precipitação contêm dois ou mais
elementos de liga e a explicação sobre o procedimento do tratamento pode ser simplificada
fazendo-se referência a um sistema binário. O diagrama de fases deve ter o formato como é
apresentado na Figura 12.
Figura 14 - Diagrama de fases hipotético de uma liga endurecível por precipitação
(CALLISTER, 2014).
34
Para haver endurecimento por precipitação, os diagramas de fases dos sistemas de liga
devem exibir uma boa solubilidade máxima de um componente no outro da ordem de vários
pontos percentuais e haver um limite de solubilidade que diminua rapidamente com a
concentração do componente principal em função da redução na temperatura. Na Figura 14 a
solubilidade máxima corresponde à composição no ponto M. O limite de solubilidade das
fases α e α + β segue diminuindo até atingir um teor muito baixo do elemento B em A que é
indicado pelo ponto N. A composição química das ligas endurecíveis por precipitação deve
ser inferior à solubilidade máxima. Essas condições são necessárias, mas não suficientes para
que ocorra o endurecimento por precipitação em um sistema de ligas onde são necessárias
outras exigências (CALLISTER, 2014).
2.4.1.1.1 Tratamento Térmico de Precipitação por Solubilização
O tratamento térmico de precipitação por solubilização é onde os átomos do soluto são
dissolvidos formando uma solução sólida monofásica. A Figura 15 mostra uma liga com
composição Co. O procedimento consiste em se tratar a liga dentro do campo da fase α como,
por exemplo, no ponto da temperatura T o e aguardar até que toda a fase β seja completamente
dissolvida, fazendo com que neste ponto permaneça apenas a fase α com composição C o. Em
seguida, realiza-se um resfriamento rápido até a temperatura T 1, que para algumas ligas, pode
ser a temperatura ambiente, procedimento no qual se previne a difusão e a formação da fase β.
Assim, impõe-se uma situação de ausência de equilíbrio, onde ocorre a permanência apenas
solução sólida na fase α, supersaturada com átomos de B. Após o tratamento térmico de
solubilização a liga se torna relativamente dúctil e pouco resistente (CALLISTER, 2014).
2.4.1.1.2 Tratamento Térmico de Precipitação por Envelhecimento
O segundo é o tratamento térmico de precipitação ocorre quando a solução sólida α
supersaturada é aquecida a uma temperatura T2, que é uma temperatura intermediária e se
coloca dentro do campo bifásico α + β. Aqui as taxas de difusão são consideráveis. A fase β
se precipita, começando a formar finas partículas dispersas com composição C β. Esta taxa de
resfriamento normalmente não é considerada importante. Muitas vezes este tratamento é
35
conhecido como processo de envelhecimento. A natureza das partículas da fase β e a
subsequente resistência e dureza do material, dependem tanto de T 2 quanto do tempo de
envelhecimento nesta temperatura. O envelhecimento pode ocorrer espontaneamente à
temperatura ambiente durante longo período de tempo, para algumas ligas (CALLISTER,
2014).
Figura 15 - Esquema de Temperatura x Tempo para tratamentos térmicos de
Solubilização e Precipitação (CALLISTER, 2014).
2.4.2 Efeitos de alguns Tratamentos Térmicos em ligas de Magnésio
Em seus estudos com as ligas ZK60 e AZ80, Li; Zhang; Xue, (2011), mostraram que a
temperatura e o tempo no tratamento térmico de envelhecimento podem influenciar
fortemente as propriedades mecânicas dessas ligas de magnésio, tais como, alongamento,
resistência à tração, resistência ao impacto e dureza. Essas influências ou modificações de
algumas propriedades mecânicas são devido às modificações da microestrutura a partir de
alterações nas fases presentes na liga.
A Figura 16 mostra a micrografia ótica da liga AM50 fundida. Aparecem algumas fases
em forma de partículas negras dispersas na matriz. Podem ser observadas algumas áreas mais
claras ao longo do contorno de grão e também as áreas mais escuras da matriz (MA; ZHANG;
YANG, 2009).
36
Figura 16 - Microscopia Ótica de uma liga AM50 Fundida – (MA; ZHANG; YANG,
2009)
A Figura 17 mostra uma grande mudança na amostra com tratamento de solução sólida
a 380°C por 24h. Tem-se a impressão que a diferença entre a área de contorno com a área de
não contorno de grão aumenta com relação à amostra fundida. A principal fase na matriz é AlMn. Ao contrário da amostra fundida, aqui a fase Mg 17Al12 não foi encontrada (MA;
ZHANG; YANG, 2009).
Figura 17 - Microscopia Ótica de uma liga AM50 com Tratamento de Solução Sólida a
380°C, por 24h – (MA; ZHANG; YANG, 2009).
Ma; Zhang; Yang (2009) também realizaram tratamento térmico de solução sólida em
amostras nas temperaturas de 410°C, 430°C e 450°C respectivamente. Obtiveram amostras
com microestrutura nitidamente alterada quando comparadas com as que foram fundidas. As
fases e os contornos de grão foram facilmente observados, o que indica que os elementos da
37
matriz difundiram-se uniformemente, exceto para algumas fases estáveis ao calor. Foi
observado que surge novamente uma diferença de cores ao longo do contorno de grão. Como
esperado, a fase Al-Mn também foi encontrada e pareceu que sua área diminuía
consideravelmente com o aumento da temperatura de 410°C para 430°C e aumentava
ligeiramente quando a temperatura era aumentada para 450°C (MA; ZHANG; YANG, 2009).
Essas alterações na microestrutura das amostras podem ser observadas nas Figuras 18,
19 e 20.
Figura 18 - Microscopia Ótica de uma liga AM50 com Tratamento de Solução Sólida a
410°C, por 24h – (MA; ZHANG; YANG, 2009)
Figura 19 - Microscopia Ótica de uma liga AM50 com Tratamento de Solução Sólida a
430°C, por 24h – (MA; ZHANG; YANG, 2009).
Em seu trabalho que também realizou tratamento térmico de envelhecimento na liga
AM50 a 150°C, 200° e 250°C por 12h, Ma; Zhang; Yang (2009), perceberam que as fases AlMn mantiveram sua forma bastante consistente com as amostras fundidas e de solução sólida
tratada. Entretanto, as mudanças impressionantes aconteceram quando a temperatura foi
38
elevada para 200°C, onde foram observados muitos grãos equiaxiais formados,
principalmente, dentro dos grãos originais e com tamanho menor do que 10 µm. Quando a
temperatura foi aumentada para 250°C, começaram a ser formados precipitados muito finos e
uniformes.
Figura 20 - Microscopia Ótica de uma liga AM50 com Tratamento de Solução Sólida a
450°C, por 24h – (MA; ZHANG; YANG, 2009).
Por meio de análise de difração de Raios-X realizada por Ma; Zhang; Yang (2009),
detectaram a fase Mg17Al12, inicialmente dissolvida na matriz da amostra fundida, em todas as
amostras, exceto naquelas com solução sólida tratada a 410°C, onde a quantia da fase β foi
reduzida enormemente e, em seguida, precipitada novamente, durante o tratamento de
envelhecimento. As fases AlMn e Al8Mn5 foram encontradas em todas as amostras com fortes
picos de difração. Parece que a precipitação da fase Al6 Mn teve relação com o tratamento de
envelhecimento, a qual não foi detectada nas amostras fundidas e de solução sólida tratada.
Com menos de três picos de difração, também foram detectadas Al86Mn14, Al11Mn14 e
Mg32(Al,Zn)49, fases que nunca tinham sido citadas nas ligas AM50.
Ma; Zhang; Yang (2009), realizaram ensaio de micro dureza em suas amostras
submetidas aos vários tratamentos térmicos e os resultados mostraram que a dureza da
amostra fundida é um pouco maior que a da amostra de solução sólida tratada a 410°C, mas
muito menor que a dureza das amostras com solução sólida tratada a 380°C, onde a dureza
alcançou 61 HV. O autor acredita que a redistribuição do Alumínio no contorno de grão,
contribuiu para o endurecimento das amostras com solução sólida tratada a 380°C. Abaixo
desta temperatura a fase α eutética foi dissolvida completamente na matriz, enquanto que a
fase β-Mg17Al12 tornou-se arredondada e menor, aumentando consequentemente a
concentração de alumínio na matriz tornando a microestrutura mais refinada ao mesmo
39
tempo. A dureza das amostras envelhecidas aumentou de 60 HV a 150°C para um valor acima
de 63 HV a 200°C, depois diminuiu para 60 HV novamente. Acredita-se que no tratamento de
envelhecimento a 200°C por 12 h surgiu uma sub microestrutura fina originada do
confinamento da maioria do alumínio na fase Al-Mn, que resistente ao calor, não se dissolveu
na matriz em temperaturas menores que 450°C. Isto conduziu para a redução das fases de
fortalecimento, levando à redução dos efeitos de fortalecimento do tratamento de
envelhecimento. A Tabela 10 mostra um gráfico da microdureza da liga AM50 sob os
diferentes tratamentos térmicos promovidos neste experimento.
Tabela 9 - Microdureza da liga AM50 sob diferentes estados – (MA; ZHANG; YANG,
2009)
CONDIÇÃO
MICRODUREZA (HV)
Fundida
56
Solubilizada a 380°C
61
Solubilizada a 410°C
55
Envelhecida a 150°C
60
Envelhecida a 200°C
63
Envelhecida a 250°C
60
2.5 ENSAIOS MECÂNICOS
Os materiais, muitas vezes, quando em serviço estão sob a influência de forças ou
cargas. O seu comportamento mecânico reflete a relação entre a sua resposta ou deformação a
uma carga ou força aplicada. As propriedades mecânicas podem ser comprovadas por meio de
experimentos de laboratório que reproduzem da forma mais confiável possível, as condições
de serviço. Alguns fatores considerados são: a duração, a natureza e as condições ambientais
da carga aplicada. Essas cargas podem ser de tração, de compressão ou de cisalhamento. Sua
magnitude pode variar continuamente ou ser constante ao longo do tempo. O tempo de
aplicação e a temperatura também são variáveis muito importantes. A consistência dos testes
é alcançada com o emprego de técnicas de ensaio padronizadas. Nos Estados Unidos, a
40
organização mais ativa é a Sociedade Americana para Ensaios e Materiais (ASTM –
American Society for Testing and Materials) (CALLISTER, 2014).
2.5.1 Ensaio Mecânico de Microdureza
Segundo Callister (2014), a dureza é uma medida da resistência de um material a uma
deformação plástica localizada. Os primeiros ensaios de dureza foram construídos baseados
na habilidade de um material riscar o outro mais macio. Ao longo dos anos foram
desenvolvidas técnicas quantitativas de dureza, nas quais um pequeno penetrador é forçado
contra a superfície do material a ser testado sob condições controladas de taxa e carga de
aplicação. O tamanho da impressão é medida e relacionada a um número de dureza. Quanto
menor o tamanho da impressão, menor será o índice de dureza.
Os ensaios de dureza são mais utilizados que qualquer outro ensaio mecânico, pois, são
mais simples e baratos (nenhum corpo de prova especial precisa ser construído). É um ensaio
não destrutivo (uma pequena impressão é a única deformação), outras propriedades mecânicas
podem ser estimadas a partir dos dados de dureza (CALLISTER, 2014). O ensaio de dureza é
uma alternativa relativamente simples ao ensaio de tração. A resistência à penetração é um
indicativo qualitativo da resistência (SHACKELFORD, 2008).
41
3 MATERIAIS E MÉTODOS
Neste capítulo são apresentados os procedimentos utilizados nessa pesquisa, bem como
a descrição dos métodos utilizados na obtenção dos resultados.
3.1 Planejamento de Experimentos
O Planejamento de Experimentos é uma técnica onde se procura obter a otimização do
número de ensaios a ser realizado. Esse número deve ser adequado visando-se minimizar os
erros experimentais e contribuir para a viabilidade econômica e prática dos experimentos
(BUTTON, 2012).
Na Figura 21, é ilustrado, por meio de fluxograma, o procedimento experimental
utilizado neste trabalho:
Planejamento Experimental
Aquisição da matéria-prima
Tixofundição
Análise por Fluorescência de
Raios - X
Corte do material
Tratamento térmico de
solubilização
Ensaio de
dureza
Micrografia
Tratamento térmico de
envelhecimento
Ensaio de
dureza
Micrografia
Figura 21 - Fluxograma do Procedimento Experimental
42
Foi realizada uma análise estatística a fim de se avaliar os efeitos dos tratamentos
térmicos T4 e T6 na dureza da liga. As medidas dos valores de micro dureza Vickers obtidos
das amostras foram comparadas a e a análise de variância foi realizada com nível de
significância de 5%.
Neste trabalho utilizou-se um modelo denominado análise da variância de um fator
único. Foi utilizado um planejamento aleatorizado por níveis, onde os níveis (ou tratamentos)
são as condições que as amostras foram submetidas. Para cada um destes níveis foram
produzidas 9 réplicas ou repetições de medida de dureza. Conforme Button ( 2012), o objetivo
é avaliar os efeitos dos tratamentos e estimá-los através do teste de hipóteses apropriadas.
Para esse teste, assume-se que os erros do modelo utilizado são normalmente e
independentemente distribuídos com média zero e variância igual para todos os tratamentos.
Um teste de hipóteses consiste na definição de declarações sobre os parâmetros de uma
distribuição de probabilidade.
Dentro do planejamento aleatorizado por níveis, foi utilizada a análise de um modelo de
efeitos fixos e de acordo com Button (2012), a escolha dos tratamentos é feita de forma
específica, então o teste de hipóteses é referente às médias dos tratamentos e as conclusões
extraídas são aplicáveis a estes tratamentos. Para que seja feito o teste de hipóteses antes é
preciso calcular o valor de SST – que é a soma corrigida dos quadrados de variáveis aleatórias
normalmente distribuídas, SSTRAT – a soma dos quadrados devido aos tratamentos (entre
tratamentos), SSE – soma dos quadrados devido ao erro (dentro do tratamento). SST apresenta
N-1 graus de liberdade, SSTRAT apresenta a-1 e SSE N-a graus de liberdade. Assim, MSS – são
as médias dos quadrados. Por fim, F0 – é o valor calculado e Ftab – o valor tabelado para a
Distribuição de Fischer, de acordo com a confiança e os graus de liberdade da variável e do
erro. Comparando-se os resultados, se F0 > Ftab, a hipótese H0 (ou hipótese nula) é rejeitada,
ou seja, as médias dos tratamentos não são iguais, então há influência dos tratamentos nos
resultados. Caso contrário, as médias são consideradas iguais. Com esse método é possível
verificar se as médias dos tratamentos são diferentes ou não, mas não torna possível verificarse quais são os divergentes. Quando H0 é rejeitada, faz-se uma comparação das médias
individuais dos tratamentos através dos métodos de comparação múltipla utilizando o
conceito de contraste C que é uma combinação dos totais dos tratamentos, permitindo a
comparação das médias dos tratamentos. Um contraste é testado comparando-se SSC com
SSE/(N-a).
Existe uma terminologia básica utilizada em planejamento e execução dos
experimentos. A Tabela 11 apresenta alguns dos termos mais usados:
43
Tabela 10 - Terminologia Básica para Planejamento de Experimentos.
TERMINOLOGIA
Aleatorização
Ensaio
Níveis de um fator
Réplica
Tratamento
Unidade experimental
Variáveis de ruído
DESCRIÇÃO
É a ordenação dos ensaios de forma aleatória. Busca
alcançar estimativa não tendenciosa dos fatores e respostas
independentes.
É cada realização do experimento em uma condição de
interesse.
É cada forma de presença de um fator em estudo.
É a repetição do experimento nas mesmas condições.
Pode estimar o erro experimental entre os tratamentos.
Combinações específicas dos níveis de diferentes
fatores.
É a unidade básica para a qual é feita a medida da
resposta. Como por exemplo, unidades de dureza, tensão, etc.
Afetam a resposta, mas não são controláveis. Ex.:
Impossibilidade técnica, inviabilidade econômica ou grau de
perturbação na resposta.
Variáveis do processo
São as variáveis que o pesquisador controla e que podem
ter grande efeito na resposta. Podem ser fatores, são as
investigadas no experimento ou podem ser fixas, que terão
valores fixos no experimento.
Variável resposta
É o resultado de interesse que será registrado após a
realização de um ensaio.
3.2 Matéria-prima
A liga AM60, produzida pela empresa RIMA INDUSTRIAL S.A. sediada no município
de Bocaiúva - MG foi confeccionada em lingotes mostrados na Figura 22 e recebida por
doação ao Professor Dr. Antônio Luiz Ribeiro Sabariz que cedeu parte deste material para a
produção da liga em estudo.
44
Figura 22 - Imagem dos lingotes de AM60 recebidos da RIMA.
As terras raras produzidas pela empresa COLIBRÁS METAL LTDA, sediada em São
Caetano do Sul – SP, foi confeccionada em forma de lingotes de 400/500g, também foi
adquirida por doação ao Professor Dr. Antônio Luiz Ribeiro Sabariz.
Neste trabalho, foi utilizada a liga AM60 com a adição de 5% de Terras Raras. As terras
raras são compostas de vários elementos químicos e os principais elementos utilizados para a
produção da liga em questão podem ser visualizados abaixo na Tabela 12.
Tabela 11 - Elementos químicos presentes nas terras raras utilizadas.
Elemento Químico
Porcentagem em peso
Cério
50
Lantânio
24
Neodímio
18
Praseodímio
5
Outros
3
45
3.3 Produção da Liga AM60+5% de terras raras
3.3.1 Equipamentos utilizados
A produção da liga foi realizada pelo processo de fundição sob agitação mecânica no
estado semi-sólido em um forno resistivo com batedor. O forno está instalado no Laboratório
de Metalurgia Física do Departamento de Engenharia de Materiais (LaMeF) da Escola de
Engenharia de São Carlos na Universidade de São Paulo (USP-EESC).
Esse forno de
resistência elétrica é destinado a fundir ligas de magnésio e a sua parte interna está ilustrada
na Figura 23. Tem capacidade de fusão que varia de 5,8 a 8,7 Kg por corrida, em função das
dimensões e formas do cadinho, quadrado ou redondo, após a fusão é gerado um bloco com
alturas variando de 150 mm na horizontal e 300 mm na vertical.
Agitador mecânico
Serpentinas de
refrigeração com
água
Resistências elétricas
Figura 23 - Parte interna do forno onde foi realizada a fusão
O cadinho utilizado nesse processo de fusão, conforme Figura 24, foi confeccionado
com material em aço carbono SAE-1020, em formato quadrado com dimensões adequadas
para ser acondicionado no forno próximo a 125 mm e altura de 550 mm.
46
O tempo médio para cada corrida é de 6 horas. Para evitar reações químicas e minimizar
a perda por oxidação do metal, a atmosfera dentro do forno, foi protegida com gás Argônio
sob pressão interna negativa de 0,35 bares com a injeção de argônio e vazão que pode variar
entre cinco e seis litros por minuto.
Figura 24 - Cadinho utilizado nesse processo de fusão
3.3.2 Procedimentos na tixofundição
Como já foi mencionado anteriormente, essa liga foi fabricada pelo processo de
fundição sob agitação mecânica no estado semi-sólido em um forno resistivo com batedor.
Nesse processo a liga AM60 foi cortada em pedaços e inserida no cadinho juntamente com os
5%, em peso, de terras raras.
Esse cadinho foi colocado dentro do forno, e sua temperatura foi aumentada até atingir
830°C, temperatura na qual todos os elementos puderam alcançar o estado líquido. A partir do
momento em que a liga se liquefez, a agitação mecânica foi iniciada. A temperatura foi
mantida durante uma hora com o batedor ligado, promovendo a agitação mecânica. Esse
procedimento foi realizado com o objetivo de misturar todos os componentes tornando o
líquido completamente homogêneo.
Com o líquido homogeneizado, a temperatura foi reduzida até aproximadamente 630°C.
A liga ainda foi mantida, nessa temperatura, sob agitação mecânica, por mais 15 minutos
aproximadamente. A agitação mecânica foi cessada com o desligamento e retirada do batedor
47
e a temperatura reduzida novamente até se alcançar o estado semi-sólido, na temperatura de
aproximadamente 600°C.
Na temperatura de 630°C, com a proporção de aproximadamente 50% da liga se
encontrando em estado sólido e as dendritas começaram a se formar. Entetanto, a agitação
mecânica fez a quebra dessas dendritas, buscando alcançar uma microestrutura globular.
Quando a temperatura de 600°C foi alcançada, o cadinho foi retirado do forno e mergulhado
na água em temperatura ambiente, para que a microestrutura fosse mantida.
3.3.3 Composição química da liga
Após a tixofundição, com a adição de 5% de Terras Raras, a liga teve seus componentes
avaliados quali-quantitativamente por meio de Análise por Espectroscopia de Fluorescência
de Raios X – FRX, no Laboratório de Caracterização Estrutural – LCE da Universidade
Federal de São Carlos – UFSCAR. Na tabela 13, estão dispostos os valores da composição
química da liga AM60, conforme a norma ASTM B94-07 e também os dados com os valores
de concentração obtidos na leitura do espectrômetro.
Tabela 12 - Composição da liga AM60 pela norma ASTM B94-07, (2012) e os
resultados da Análise por Fluorescência de Raios X da liga AM60 + 5% de terras raras.
Elemento
Concentração
AM60
AM60 + 5% terras raras
Mg
Balanço
91,79
Al
5,5 – 6,5
4,72
La
---
1,16
Ce
---
1,09
Nd
---
0,42
Pr
0,005
0,18
Fe
---
0,18
Mn
0,24 – 0,6
0,12
Si
0,10
0,09
P
---
0,07
48
Continuação
Zn
0,22
0,07
Sc
---
0,03
Lu
---
0,03
S
---
0,03
Cu
0,010
0,02
Ni
0,002
0,008
Outros
0,02
---
3.4 Preparação das amostras
Após ser produzido no LaMeF, o tarugo da liga foi enviado ao Laboratório de
Usinagem da UFSJ onde foi cortado em partes menores até se alcançar tamanhos os quais
fossem possíveis novos cortes na máquina de poli corte do Laboratório de Caracterização de
Materiais da UFSJ. Esta máquina está ilustrada na Figura 25. Por fim, os corpos de prova com
dimensões adequadas, ou seja, 12mm2 a 25 mm2, obedecendo aos padrões da norma ASTM
E3- 11, foram obtidos.
Figura 25 - Máquina de poli corte Panambra
49
As amostras foram montadas manualmente em um recipiente cilíndrico, com uma
polegada de diâmetro por uma polegada de altura e fabricado em policloreto de vinila (PVC).
Foi utilizado como material de preenchimento, massa poliéster, conhecida popularmente
como massa plástica automotiva. Após o tempo de cura da massa plástica, as amostras foram
retiradas do molde de PVC. A Figura 26 traz a imagem de uma amostra preparada para ensaio
de microdureza Vickers.
Figura 26 - Amostra montada e preparada para o Ensaio de microdureza Vickers.
Em seguida, após a montagem, as amostras foram lixadas, primeiramente, com lixa de
grão 80, para que fosse retirado excesso de material. Em seguida, obedeceu-se a sequência de
granulometria mostrada na Tabela 14.
Tabela 13 - Sequência de lixas utilizadas na preparação das amostras (Adaptado de
ASTM E3- 11, 2011).
Número
Tamanho (µm)
P120
125,0
P220
68,0
P240
58,5
P320
46,2
P400
35,0
P500
30,2
P600
25,8
P800
21,8
P1000
18,3
50
Continuação
P1200
15,3
P1500
12,6
P2000
10,3
P2500
8,4
Continuando a preparação, as amostras foram submetidas ao polimento. O polimento foi
executado em pano de feltro metalográfico com pasta de alumina abrasiva em suspensão de
1µ. A limpeza foi realizada em ultrassom com álcool etílico 99º, a limpeza e o ataque químico
com nital 3,5 % por o período de um minuto. As Figuras 27 e 28 mostram os equipamentos
utilizados no lixamento e polimento das amostras.
Figura 27 – Politriz Panambra
Figura 28 - Máquina de ultra-som de limpeza Pantec.
51
3.5 Tratamentos Térmicos T4 e T6
O conjunto de operações de aquecimento e resfriamento, em condições controladas, que
compõem os tratamentos térmicos T4 e T6, foi realizado com o objetivo modificar as
propriedades mecânicas da liga. Para isso, foi utilizado um forno com atmosfera protegida
com gás Argônio à vazão de 10 l/min. e pressão de 1,25 bares, como ilustra a Figura 29.
Figura 29 - Forno com atmosfera protegida por Gás Argônio.
3.5.1 Tratamento de Solubilização
Para o tratamento térmico T4 foram experimentadas algumas temperaturas que,
conforme diagrama de equilíbrio Al-Mg, a liga permanece na região da fase α. Conforme
orienta ASTM B661-12 (2012), para os tratamentos térmicos T4, a liga foi mantida nas
temperaturas pré-estabelecidas por um período de 24 horas. Logo após este período de
permanência na região da fase α, foi realizado um resfriamento rápido, imergindo as amostras
em água fria, ou seja, em temperatura ambiente.
52
A Figura 30 apresenta o diagrama de fase da liga binária Al-Mg e a Figura 31 mostra
uma ampliação da região que compreende as temperaturas testadas com a composição dos
dois principais elementos da liga.
Figura 30 - Diagrama de fase da liga binária Mg-Al (FRIEDRICH; MORDIKE, 2006).
Figura 31 - Ampliação da região onde se encontra a composição da liga.
53
3.5.2 Tratamento de Envelhecimento artificial
ASTM B661-12 (2012) também orienta sobre os procedimentos nos tratamentos
térmicos T6. A norma diz que após o tratamento térmico T4, a liga pode ser submetida ao
tratamento térmico T6. Seguindo as orientações dessa norma, a liga em temperatura ambiente,
foi conduzida novamente ao forno e teve sua temperatura elevada aos valores de 150°C,
200°C e 250 °C. Estas temperaturas foram escolhidas porque, com este conteúdo de alumínio,
a liga se mantém dentro da região de envelhecimento, ou seja, na região onde se pode
encontrar as fases Mg + Mg17Al12. A Figura 32 mostra a região do diagrama de fase ampliado,
em que foi realizado o envelhecimento da liga. A liga foi mantida nessas temperaturas por um
período de 6 ou 12 horas, dependendo do tratamento utilizado. Logo após este período de
permanência na região da fase Mg + Mg17Al12, foi realizado um resfriamento lento, ao ar, até
se alcançar a temperatura ambiente.
Figura 32 - Ampliação da região onde se encontra a composição da liga para o tratamento T6.
3.6 Ensaio de microdureza Vickers
Após serem preparadas, as amostras, foram submetidas ao ensaio de microdureza
Vickers. Este ensaio foi realizado utilizando-se um microdurômetro Mitutoyo modelo MVK
54
G1. Este equipamento, que é ilustrado na Figura 33, utiliza penetrador piramidal de diamante
com base quadrangular e ângulo de abertura de 136º com carga de 0,98 N por um período de
tempo de 20 segundos.
Figura 33 - Microdurômetro Mitutoyo modelo MVK G1.
Conforme a norma ASTM E384 (2012), nesse teste, o número determinado é baseado
na formação de uma relativamente pequena penetração feita na superfície das amostras
avaliadas. O número de dureza Vickers é baseado na força dividida pela área da superfície de
penetração. As cargas são tipicamente dadas em (gf) e as diagonais em micrômetros (µm). O
tamanho da penetração é medida usando um microscópio ótico equipado com um dispositivo
de medição. O número de dureza Vickers é calculado pela equação 4.1:
𝐻𝑉 =
1000 ∗ 103 ∗ 𝑃
2000 ∗ 103 ∗ 𝑃𝑠𝑒𝑛(∝⁄2)
𝑃
=
𝑜𝑢 𝐻𝑉 = 1854,4 ∗ 2
2
𝐴𝑆
𝑑
𝑑
Onde:
P = força, em gf,
As = área da superfície da penetração, em µm2;
(4.1)
55
d = medida das diagonais da penetração, em µm;
α = ângulo de face do penetrador, 136°.
As Figuras 34 e 35 mostram o ângulo de face do penetrador e as diagonais do
penetrador piramidal.
Figura 34 - Ângulo de face do penetrador (α = 136°) - (CALLISTER, 2014)
Figura 35 - Diagonais do penetrador (CALLISTER, 2014).
56
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 Resultados e discussões sobre os Tratamentos Térmicos T4
Os tratamentos térmicos T4 foram realizados conforme descrito no capítulo de materiais
e métodos para a liga de magnésio AM60 com adição de 5% de terras raras. Os resultados do
ensaio de dureza realizados nas amostras que sofreram tratamento térmico T4 são discutidos
nesta seção.
A Tabela 15 mostra as condições que as amostras foram submetidas no tratamento
térmico T4 realizados por 24 horas e seus respectivos valores de microdureza e de desvio
padrão.
Tabela 14 - Tratamento Térmico de Solubilização por 24h
Condição
Tixofundida
Microdureza
(HV)
Desvio Padrão
51,6
0,84
Solubilizada a 350°C por 24 horas
51,7
5,38
Solubilizada a 380°C por 24 horas
53,6
2,26
Solubilizada a 400°C por 24 horas
64,8
4,75
Solubilizada a 450°C por 24 horas
50,0
2,21
Solubilizada a 500°C por 24 horas
48,1
1,07
Conforme mostrado na Tabela 15, pode-se perceber que no tratamento térmico T4, que
a temperatura de 400°C foi a que proporcionou maior valor de microdureza Vickers.
Para avaliar os efeitos dos tratamentos, é apresentada, na Tabela 16, a análise estatística
realizada nos dados obtidos das medições de dureza das amostras tixofundidas e solubilizadas.
Nessa Tabela, SST representa a soma dos quadrados de todos os valores de dureza medidos.
SSTRAT é a soma dos quadrados das medidas de dureza devido aos tratamentos térmicos
57
realizados nas amostras. SSE é a soma dos quadrados devido ao erro (dentro dos tratamentos),
ele é o erro embutido na soma total e MSS é a média dos SS.
Tabela 15 - Análise estatística realizada nos dados obtidos das medições de dureza das
amostras tixofundidas e solubilizadas.
SS
GL
MSS
F0
SST
2.085,32
53
39,35
3,749
SSTRAT
1.578,81
5
315,762
29,93
506,51
48
10,55
SSE
Ftab
Resultado
2,418
H0 é rejeitada
Pela Tabela 15, pode-se observar que as amostras tixofundidas e submetidas a
tratamento térmico T4 têm durezas diferentes. Com a análise da variância podemos concluir
que os tratamentos térmicos influenciaram a dureza das amostras, pois F0 é maior do que Ftab.
Em seguida, foi realizada uma comparação através dos métodos de comparação múltipla, o
contraste C, que é uma combinação linear de cada tratamento. Ele faz a comparação das
médias dos tratamentos.
Tabela 16 - Contraste entre os tratamentos térmicos T4 que apresentaram os maiores valores
de dureza
C
SSC
GL
MSC
Fcalc
Ftab
-100,4
560,01
1
560,01
53,08
4,048
Solubilizadas
a
380°C e 400°C
Resultado
H0 é
rejeitada
Pelo contraste, pode-se concluir que as amostras dos tratamentos T4 a 380°C e 400°C
apresentam diferença significativa nos valores de dureza, uma vez que o método também diz
que se Fcalc for maior que Ftab, há diferença significativa entre os tratamentos.
58
4.2 Resultados e discussões sobre os Tratamentos Térmicos T6
Os tratamentos térmicos T6 também foram realizados conforme descrito no capítulo de
materiais e métodos para a liga de magnésio AM60 com adição de 5% de terras raras. Os
resultados do ensaio de dureza realizados nas amostras que sofreram tratamento térmico T6
são discutidos nesta seção. A Tabela 18 traz a relação entre as temperaturas que foram
utilizadas no tratamento térmico T6 e seus respectivos valores de microdureza e de desvio
padrão obtidos.
Tabela 17 - Tratamento Térmico de Envelhecimento T6.
Condição
Microdureza (HV)
Desvio Padrão
Envelhecida a 150°C por 6 horas
63,92
3,57
Envelhecida a 200°C por 6 horas
67,4
4,46
Envelhecida a 250°C por 6 horas
61,9
3,05
Envelhecida a 150°C por 12 horas
55,4
3,93
Envelhecida a 200°C por 12 horas
47,4
4,41
Envelhecida a 250°C por 12 horas
52,3
5,59
Conforme mostrado na Tabela 18, podemos perceber que no tratamento térmico T6, a
temperatura que ocasionou maior valor de microdureza Vickers foi a de 200°C por 6 horas.
A análise estatística realizada nos dados obtidos das medições de dureza das amostras
que foram submetidas aos tratamentos térmicos T6 é apresentada na Tabela 19. Nessa Tabela,
SST representa a soma dos quadrados de todos os valores de dureza medidos. SSTRAT é a soma
dos quadrados das medidas de dureza devido aos tratamentos térmicos realizados nas
amostras. SSE é a soma dos quadrados devido ao erro (dentro dos tratamentos), ele é o erro
embutido na soma total.
59
Tabela 18 - Análise estatística realizada nos dados obtidos das medições de dureza das
amostras submetidas aos tratamentos térmicos T6.
SS
GL
MSS
SST
3478,4
53
65,63
SSTRAT
2613,15
5
522,63
SSE
865,26
48
18,02
F0
Ftab
Resultado
28,99
2,418
H0 é rejeitada
Pela Tabela 18, podemos ver que as amostras submetidas aos tratamentos térmicos T6
também têm durezas diferentes. Com a análise da variância podemos concluir que os
tratamentos térmicos novamente influenciaram a dureza das amostras, pois F0 é maior do que
Ftab. Nesta análise também foi realizada uma comparação pelos métodos de comparação
múltipla, o contraste C, que é uma combinação linear de cada tratamento e permitirá a
comparação das médias dos tratamentos.
Novamente, como mostra a Tabela 20, o contraste, nos leva a concluir que as amostras
dos tratamentos T6 realizados na temperatura de 200°C por um período de 6 horas apresentam
diferença significativa nos valores de dureza, pois, Fcalc se apresenta maior que Ftab, então, há
diferença significativa entre os tratamentos.
Tabela 19 - Contraste entre os tratamentos térmicos T4 que apresentaram os maiores valores
de dureza.
Envelhecidas a 150°C
e 200°C por 6 horas
C
SSC
GL
MSC
Fcalc
Ftab
-31,2
81,1
1
81,1
4,50
4,048
Resultado
H0 é
rejeitada
4.3 Discussões sobre as microestruturas
Para a observação da microestrutura, foi realizado, no Laboratório de Caracterização de
Materiais da UFSJ, a observação no microscópio ótico, no microscópio eletrônico de
varredura (MEV) e um mapeamento por espectroscopia de energia dispersiva (EDS), sendo
possível observar a presença dos principais elementos químicos.
A Figura 36 mostra, em imagem de microscópio ótico, a microestrutura da liga na
condição de tixofundida. Esta microestrutura que se mostra similar ao estudado por Flemings,
60
(1991) com seu formato típico de micruestrutura com particulas globulares obtidas neste tipo
de fundição.
Figura 36 - Imagem de microscópio ótico da microestrutura da liga na condição de
tixofundida.
A Figura 37, 38, 39 e 40 trazem imagens de MEV onde podem ser observadas as
microestruturas da liga nas condições estabelecidas por este trabalho. A Figura 37 mostra a
microestrutura da liga tixofundida, onde área mais escura é a matriz e os pontos mais claros
representam uma segunda fase formada principalmente por magnésio, alumínio e terras raras.
A Figura 38 mostra a microestrutura da liga solubilizada a 400°C por 24h. Conforme
Callister, (2014), este tratamento térmico possibilita a formação de uma solução sólida
monofásica. Callister, (2014), também diz que com o tratamento térmico de envelhecimento,
precipitados dispersos se formam. Supõe-se que esse fenômeno tenha ocorrido quando se
submeteu a liga a este tratamento térmico. As Figuras 39 e 40 mostram a microestrutura da
liga envelhecida a 200°C e 150°C, respectivamente, por um período de 6 horas. Pode ser
observada a precipitação de uma nova fase que conforme mapeamento de EDS se apresenta
com considerável quantia alguns elementos de terras raras. Portanto, esta fase pode ter
contribuído para o aumento da dureza da liga.
A presença alguns elementos como magnésio, alumínio e terras raras é mostrada com
detalhes nas Figuras 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48 e 49. Estas Figuras são imagens de
mapeamento por espectroscopia de energia dispersiva da liga AM60 +5% de terras raras na
nas condições estudadas neste trabalho. Foram destacadas por um círculo na cor amarela as
áreas onde é quantificada a presença desses elementos químicos. É importante observar que
61
valores percentuais muito baixos, ou seja, menores que 1%, nas imagens de EDS, não são
considerados significativos.
Figura 37 – Imagem de MEV de uma amostra na condição tixofundida.
Figura 38 – Imagem de MEV de uma amostra na condição de Solubilizada a 400°C por 24
horas.
62
Figura 39 – Imagem de MEV de uma amostra na condição de Envelhecida a 200°C por 6
horas.
Figura 40 – Imagem de MEV de uma amostra na condição de Envelhecida a 150°C por 6
horas.
63
Figura 41 – Mapeamento por espectroscopia de energia dispersiva da liga AM60 +5%
de terras raras na condição tixofundida (a) fase lamelar (b) elementos químicos presentes
Figura 42 – Mapeamento por espectroscopia de energia dispersiva da liga AM60 +5%
de terras raras na condição tixofundida (a) fase matriz (b) elementos químicos presentes.
64
Figura 43 – Mapeamento por espectroscopia de energia dispersiva da liga AM60 + 5%
de terras raras na condição solubilizada a 400°C por 24 horas (a) fase lamelar (b) elementos
químicos presentes.
Figura 44 – Mapeamento por espectroscopia de energia dispersiva da liga AM60 + 5%
de terras raras na condição solubilizada a 400°C por 24 horas (a) fase matriz (b) elementos
químicos presentes.
65
Figura 45 – Mapeamento por espectroscopia de energia dispersiva da liga AM60 + 5%
de terras raras na condição envelhecida a 150°C por 6 horas (a) precipitado rico em terras
raras (b) elementos químicos presentes.
Figura 46 – Mapeamento por espectroscopia de energia dispersiva da liga AM60 + 5%
de terras raras na condição envelhecida a 150°C por 6 horas (a) matriz (b) elementos químicos
presentes.
66
Figura 47 – Mapeamento por espectroscopia de energia dispersiva da liga AM60 + 5%
de terras raras na condição envelhecida a 200°C por 6 horas (a) fase matriz (b) elementos
químicos presentes.
Figura 48 – Mapeamento por espectroscopia de energia dispersiva da liga AM60 + 5%
de terras raras na condição envelhecida a 200°C por 6 horas (a) fase lamelar (b) elementos
químicos presentes.
67
Figura 49 – Mapeamento por espectroscopia de energia dispersiva da liga AM60 + 5%
de terras raras na condição envelhecida a 200°C por 6 horas (a) precipitado rico em terras
raras (b) elementos químicos presentes.
68
5 CONCLUSÕES
O objetivo deste trabalho foi de alterar as propriedades mecânicas da liga por meio dos
tratamentos térmicos T4 e T6. Com os resultados obtidos, acredita-se que realmente, os
tratamentos térmicos influenciaram a dureza da liga em estudo.
Como mostram os resultados dos ensaios de dureza pode-se observar que o tratamento
térmico T4, nas condições aqui definidas, promoveu um considerável aumento dessa
propriedade. Pode-se perceber que a dureza sofreu algumas variações e que a maior dureza foi
promovida pela solubilização por 24 horas na temperatura de 400°C. Percebe-se que esse
fenômeno ocorreu com um aumento progressivo à medida que a temperatura também foi
elevada até atingir um ponto máximo, onde começou a ocorrer um declínio nos valores de
dureza.
Após a liga ser submetida ao tratamento térmico T6, ao observar os resultados dos
ensaios de dureza, verifica-se que, para as condições definidas neste trabalho, a dureza da liga
também sofreu alterações. Porém, houve considerável diferença nos valores de dureza das
amostras envelhecidas por 12 horas das amostras envelhecidas por 6 horas. As amostras
envelhecidas por 12 horas alcançaram valores de dureza abaixo dos valores das amostras que
foram apenas solubilizadas. Já as amostras envelhecidas por 6 horas alcançaram valores de
dureza próximos ou acima das ligas apenas solubilizadas.
Sendo que as amostras
envelhecidas por 6 horas na temperatura de 200°C alcançaram os maiores valores de
temperatura. Percebe-se também que houve alterações na microestrutura dessas amostras,
com o surgimento novas fases e precipitados.
69
6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
- Realizar este mesmo trabalho com outras ligas de magnésio e comparar os resultados.
- Realizar apenas tratamento térmico T4, porém com alterações no tempo de permanência e
também outros valores de temperatura. Aumentar o número de valores de temperatura
estudados.
- Realizar um tratamento térmico T6 abrangendo ampla gama da variável tempo, buscando
com isso, a resposta para o nível de influência do tempo no aumento da dureza da liga.
- Realizar vários tratamentos térmicos T6 variando bastante a temperatura para se verificar
também onde a dureza começa a ser afetada por essa variável.
- Realizar outros ensaios em temperatura ambiente como: ensaio de tração e ensaio de
impacto
- Realizar ensaio de fluência para estudar o comportamento da liga em altas temperaturas;
- Efetuar análise por EDX para se confirmar as fases presentes na liga após os tratamentos
térmicos.
- Produzir a liga com outros teores de adição de terras raras, procurando obter maiores
informações sobre a dureza bem como outras propriedades da liga no seu comportamento em
temperatura ambiente e também em altas temperaturas.
- Realizar estudos sobre a conformabilidade e usinabilidade da liga.
70
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