PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA
MECÂNICA
Alexandre Leão Quadro
Efeito da temperatura de solubilização nas
propriedades mecânicas da liga Al-Mg-Si
6101 envelhecida naturalmente.
São João Del Rei, 2011
Alexandre Leão Quadro
Efeito da temperatura de solubilização
nas propriedades mecânicas da liga AlMg-Si 6101 envelhecida naturalmente.
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
Propriedade Mecânica dos Materiais.
Orientador: Prof. Dr. Antônio Luís Ribeiro Sabariz
São João Del Rei, 2011
e
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA
Q1e
Quadro, Alexandre Leão
Efeito da temperatura de solubilização nas propriedades mecânicas da liga Al-Mg-Si
6101 envelhecida naturalmente [manuscrito] / Alexandre Leão Quadro . – 2010.
137f. ; il.
Orientador: Antônio Luís Ribeiro Sabariz.
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de São João del-Rei. Departamento de
Engenharia Mecânica.
Referências: f. 138-140.
1. Ligas (Metalurgia) – Teses 2. Compostos metálicos – Teses 3. Metais - Propriedades
Mecânicas - Teses 4. Engenharia mecânica – Teses I. Sabariz, Antônio Luís Ribeiro
(orientador) II. Universidade Federal de São João del-Rei. Departamento de Engenharia
Mecânica III. Título
CDU: 620.17
Titulo em Inglês: The effect of temperature of solubilization in the
mechanical properties of the alloy of the system Al-Mg-Si
6101 naturally aged.
Palavras-chave em Inglês: Alloy Al-Mg-Si; Alloy 6101; natural aging;
mechanical properties
Área de concentração: Caracterização e propriedades mecânicas dos
materiais.
Titulação: Mestrado.
Banca examinadora: Dr. Antônio Luís Ribeiro Sabariz, Dr. Alysson Helton
Santos Bueno, Dr. Marco Túlio Raposo, Dr. Rogério
de Almeida Vieira.
Data da defesa: 06/09/11
Programa de Pós-Graduação: Engenharia Mecânica – PPMEC/UFSJ
São João del Rei, 06 de setembro de 2011
Dedico este trabalho à minha querida esposa, Cleonice e aos nossos dois filhos,
Rodrigo e Fernando, que tanto amo.
Agradecimentos
Agradeço, primeiramente, ao Prof. Dr. Luís Antônio Ribeiro Sabariz, pela
confiança, pelo companheirismo e pela excelente orientação durante toda a realização
deste trabalho.
Aos professores do Departamento de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica –
PPMEC – da UFSJ, pela dedicação e pelo conhecimento transmitido e a Mônica
Jaques, secretária do PPMEC, pela ajuda e pelas informações sempre imprescindíveis.
À LSM Brasil por apoiar este estudo, fornecendo equipamentos, matérias-primas e
disponibilizando meu tempo de trabalho, quando necessário, sempre visando uma
melhoria contínua na qualidade de seus produtos e possibilitando a qualificação de
seus funcionários.
Ao meu orientando, Fernando T. de Abreu, graduando do curso de engenharia
mecânica da UFSJ, que me ajudou imensamente na realização de vários ensaios.
Ao Emílio Dias Moreira, técnico do Laboratório de Corrosão e Materiais da UFSJ,
que me ajudou nas análises micrográficas no MEV.
À CAPES, que financiou parte deste trabalho e concedeu-me uma bolsa de
estudo.
Aos meus amigos da LSM Brasil, que, de uma forma ou de outra, contribuíram
com este trabalho, às vezes embutindo uma amostra, fazendo uma análise química ou
um teste de tração e dando preciosas sugestões.
Aos meus amigos de mestrado, pelo tempo de convivência e pela ajuda sempre
disponível.
E a todos aqueles que acreditaram em mim e me ajudaram para que este trabalho
pudesse ser concluído.
“Tenha sempre em mente que sua decisão de ser bem sucedido é mais
importante que qualquer outra coisa.” Abraham Lincoln
Resumo
Vergalhões de 9,52 mm de diâmetro da liga 6101 do sistema Al-Mg-Si, produzidos
através do sistema de laminação Properzi, foram solubilizados em temperaturas de 450
o
C, 480 oC, 520 oC, 550 oC e 580 oC por um período de 40 minutos e envelhecidos
naturalmente em temperatura ambiente, por até 12 meses. Foram feitos ensaios de
tração, microdureza Vickers, ensaios de condutividade elétrica, micrografias MEV e
ótica nas amostras envelhecidas naturalmente e nas amostras envelhecidas
naturalmente e precipitadas artificialmente por um período de 2 horas, a 170 oC. Foi
verificada a evolução do Limite de Resistência à Tração, Limite de Escoamento,
Alongamento, Coeficiente de Encruamento (n), Microdureza Vickers, Condutividade
Elétrica, antes e após a precipitação artificial nas amostras envelhecidas naturalmente
por um período de 12 meses. O objetivo foi verificar qual temperatura de solubilização
proporciona as melhores propriedades mecânicas e elétricas para a produção de cabos
elétricos, por um período de envelhecimento mais longo possível, visando aumentar o
tempo de estocagem desta liga após solubilização. Os resultados mostraram que a
melhor situação ocorre com uma temperatura de solubilização de 520 oC, por um
período máximo de 56 dias.
Palavras
Chave:
Engenharia
Propriedades mecânicas.
Mecânica,
Liga
6101,
Envelhecimento
natural,
Abstract
Rods of 9.52 mm of diameter of the alloy 6101 of the system Al-Mg-Si, was
produced by a Properzi rolling mill system, they were solubilizated in temperatures of
450 oC, 480 oC, 520 oC, 550 oC e 580 oC for 40 minutes and naturally aged for until 12
months. It was carried out tensile tests, Vickers microhardness measurements, electrical
conductivity, micrographys by MEV and optical microscopy in the samples naturally
aged and in the samples naturally aged and artificially precipitated for 2 hours at 170 oC.
It was verified the evolution of the ultimate tensile, flow tensile, elongation, stress
coefficient (n), microhardness and electrical conductive, before and after the artificial
precipitation in the samples naturally aged for 12 months. The aim was to verify what
temperature of solubilization would give the best mechanical and electrical properties for
electrical cables production, for the longest period of naturally aging, in order to increase
the shelf life of this alloy after the solubilization treatment. The results showed that the
best situation happens with a temperature of solubilization of 520 oC for a maximum
period of 56 days.
Key Words: Mechanical Engineering, Alloy 6101, natural aging, mechanical properties.
Lista de Ilustrações
Figura 2.1 – Bauxita, alumina e alumínio (de cima para baixo) (ESCOBAR, 2004
APUD World Aluminium.org)....................................................................................
33
Figura 2.2 – Diagrama pseudo-binário Al–Mg2Si. (MACHADO, 2008-modificado).
41
Figura 2.3 – Estágios do endurecimento por precipitação em ligas do sistema AlMg-Si. a) precipitados coerentes. b) Precipitados semi-coerentes. c) precipitados
incoerentes devido ao envelhecimento excessivo (KARABAY, 2007).....................
43
Figura 3.1 – Alumínio primário em lingotes utilizado para produzir a liga 6101
utilizada neste trabalho.............................................................................................
47
Figura 3.2 – Fluxograma do processo produtivo......................................................
49
Figura 3.3 – Forno revérbero utilizado para a fusão do alumínio sólido..................
50
Figura 3.4 – Esquema do forno de indução.............................................................
51
Figura 3.5 – Agitação do metal no forno de indução, provocada pelo campo
eletromagnético........................................................................................................
51
Figura 3.6 – Esquema do sistema do tratamento com
gases.......................................
52
Figura 3.7 – Esquema do sistema de filtragem utilizado na produção de 6101.......
53
Figura 3.8 – Exemplo da estrutura da liga 6101 com e sem adição de refinador
de grão.....................................................................................................................
54
Figura 3.9 – Sistema de lingotamento continuo Properzi.......................................
54
Figura 3.10 – Laminador Properzi............................................................................
55
Figura 3.11 – a) Bobinamento após laminação; b) bobinas após rebobinamento e
prontas para serem solubilizadas nos fornos de tratamento térmico ou expedidas.
56
Figura 3.12 – Forno industrial de tratamento térmico de solubilização, T4..............
57
Figura 3.13 – Mufla utilizada para solubilização dos corpos de prova.....................
57
Figura 3.14 – Diagrama de fases do Al-Mg2Si, mostrando a composição da liga
produzida e a faixa de solubilização utilizada. (MACHADO, 2008 - Modificado)....
58
Figura 3.15 – Esquema de um espectrômetro ótico (SILVA FILHO, 2007).............
60
Figura 3.16 – Espectrômetro de Emissão Óptica, utilizado para análise química
da liga 6101..............................................................................................................
60
Figura 3.17 – Corpo de prova (vergalhão da liga 6101) para o ensaio de tração....
61
Figura 3.18 – Corpo de prova, antes e após o ensaio de tração, com as marcas
feitas para a medição do alongamento....................................................................
64
Figura 3.19 – Gráfico Carga x Deslocamento de um corpo de prova da liga 6101.
65
Figura 3.20 – Curvas Tensão x Deformação Convencional e Real para um ensaio
de tração realizado com o corpo de prova da liga 6101...........................................
67
Figura 3.21 – Determinação dos Coeficientes de Resistência e Encruamento.......
68
Figura 3.22 – Ponte Kelvin utilizada nos testes........................................................
71
Figura 4.1 – Limite de Resistência à Tração para corpos de prova solubilizados a
580 oC, antes e após precipitação
artificial................................................................
74
Figura 4.2 – Variação relativa do LRT após tratamento de precipitação, para
solubilizações a 580 oC......................................................................................................
74
Figura 4.3 – Limite de Resistência à Tração para corpos de prova solubilizados a
550 oC, antes e após precipitação artificial...............................................................
75
Figura 4.4 – Variação relativa do LRT após tratamento de precipitação, para
solubilizações a 550 oC......................................................................................................
75
Figura 4.5 – Limite de Resistência à Tração para corpos de prova solubilizados a
520 oC, antes e após precipitação artificial...............................................................
77
Figura 4.6 – Variação relativa do LRT após tratamento de precipitação, para
solubilizações a 520 oC......................................................................................................
77
Figura 4.7 – Limite de Resistência à Tração para corpos de prova solubilizados a
480 oC, antes e após precipitação artificial...............................................................
78
Figura 4.8 – Variação relativa do LRT após tratamento de precipitação, para
solubilizações a 480 oC......................................................................................................
78
Figura 4.9 – Limite de Resistência à Tração para corpos de prova solubilizados a
450 oC, , antes e após precipitação artificial.............................................................
80
Figura 4.10 – Variação relativa do LRT após tratamento de precipitação, para
solubilizações a 450 oC......................................................................................................
80
Figura 4.11 – Micrografia Eletrônica (MEV) – amostra de liga 6101, solubilizada a
450 oC e envelhecida naturalmente por um período de 365 dias (2.500X)...............
81
Figura 4.12 – Micrografia Eletrônica (MEV) – amostra de liga 6101, solubilizada a
480 oC e envelhecida naturalmente por um período de 360 dias (2.500X)...............
81
Figura 4.13 – Micrografia Eletrônica (MEV) – amostra de liga 6101, solubilizada a
520 oC e envelhecida naturalmente por um período de 365 dias (2.500X)...............
81
Figura 4.14 – Micrografia Eletrônica (MEV) – amostra de liga 6101, solubilizada a
550 oC e envelhecida naturalmente por um período de 320 dias (2.500X)...............
81
Figura 4.15 – Micrografia Eletrônica (MEV) – amostra de liga 6101, solubilizada a
580 oC e envelhecida naturalmente por um período de 250 dias (2.500X)..............
82
Figura 4.16 – Limite de Resistência à Tração para corpos de prova solubilizados
a 520 oC + 5 min a 170 oC, antes e após precipitação artificial................................
83
Figura 4.17 – Variação relativa do LRT após tratamento de precipitação, para
solubilizações a 520 oC + 5 min a 170 oC.......................................................................
83
Figura 4.18 – Evolução do LRT das amostras solubilizadas a várias temperaturas
e envelhecidas naturalmente....................................................................................
84
Figura 4.19 – Evolução do LRT das amostras solubilizadas a várias temperaturas
e envelhecidas naturalmente e precipitadas artificialmente.....................................
85
Figura 4.20 – Limite de Escoamento para corpos de prova solubilizados a 580
o
C, antes e após precipitação artificial......................................................................
87
Figura 4.21 – Variação relativa do LE após tratamento de precipitação, para
solubilizações a 580 oC......................................................................................................
87
Figura 4.22 – Limite de Escoamento para corpos de prova solubilizados a 550
o
C, antes e após precipitação artificial......................................................................
88
Figura 4.23 – Variação relativa do LE após tratamento de precipitação, para
solubilizações a 550 oC......................................................................................................
88
Figura 4.24 – Limite de Escoamento para corpos de prova solubilizados a 520
o
C, antes e após precipitação artificial......................................................................
89
Figura 4.25 – Variação relativa do LE após tratamento de precipitação, para
solubilizações a 520 oC......................................................................................................
89
Figura 4.26 – Limite de Escoamento para corpos de prova solubilizados a 480
o
C, antes e após precipitação artificial......................................................................
91
Figura 4.27 – Variação relativa do LE após tratamento de precipitação, para
solubilizações a 480 oC......................................................................................................
91
Figura 4.28 – Limite de Escoamento para corpos de prova solubilizados a 450
o
C, antes e após precipitação artificial......................................................................
92
Figura 4.29 – Variação relativa do LE após tratamento de precipitação, para
solubilizações a 450 oC............................................................................................
92
Figura 4.30 – Limite de Escoamento para corpos de prova solubilizados a 520 oC
+ 5 min a 170oC , antes e após precipitação artificial...............................................
93
Figura 4.31 – Variação relativa do LE após tratamento de precipitação, para
solubilizações a 520 oC + 5 min a 170 oC. .....................................................................
93
Figura 4.32 – Evolução do LE das amostras solubilizadas a várias temperaturas
e envelhecidas naturalmente....................................................................................
95
Figura 4.33 – Limite de Escoamento da liga envelhecida naturalmente e
precipitada artificialmente.........................................................................................
95
Figura 4.34 – Condutividade para corpos de prova solubilizados a 580 oC, antes
e após precipitação artificial.....................................................................................
97
Figura 4.35 – Variação relativa da Cond. Elétrica após tratamento de
precipitação, para solubilizações a 580 oC.....................................................................
97
Figura 4.36 – Condutividade para corpos de prova solubilizados a 550 oC, antes
e após precipitação artificial.....................................................................................
98
Figura 4.37 – Variação relativa da Cond. Elétrica após tratamento de
precipitação, para solubilizações a 550 oC.....................................................................
98
Figura 4.38 – Condutividade Elétrica para corpos de prova solubilizados a 520
o
C, antes e após precipitação artificial......................................................................
100
Figura 4.39 – Variação relativa da Cond. Elétrica após tratamento de
precipitação, para solubilizações a 520 oC.....................................................................
100
Figura 4.40 – Condutividade Elétrica para corpos de prova solubilizados a 480
C, antes e após precipitação artificial......................................................................
101
Figura 4.41 – Variação relativa da Cond. Elétrica após tratamento de
precipitação, para solubilizações a 480 oC.....................................................................
101
Figura 4.42 – Condutividade Elétrica para corpos de prova solubilizados a 450
C, antes e após precipitação artificial......................................................................
102
o
o
Figura 4.43 – Variação relativa da Cond. Elétrica após tratamento de
precipitação, para solubilizações a 450 oC.....................................................................
102
Figura 4.44 – Condutividade Elétrica para corpos de prova solubilizados a 520 oC
+ 5 min a 170oC, antes e após precipitação artificial................................................
103
Figura 4.45 – Variação relativa da Cond. Elétrica após tratamento de
precipitação, para solubilizações a 520 oC + 5 min a 170 oC...................................
103
Figura 4.46 – Evolução da Condutividade Elétrica nas amostras solubilizadas a
várias temperaturas e envelhecidas naturalmente...................................................
104
Figura 4.47 – Condutividade Elétrica da liga envelhecida naturalmente e
precipitada artificialmente.........................................................................................
104
Figura 4.48 – Alongamento para corpos de prova solubilizados a 580 oC, antes e
após precipitação artificial........................................................................................
106
Figura 4.49 – Variação relativa do Alongamento após tratamento de precipitação,
para solubilizações a 580 oC.............................................................................................
106
Figura 4.50 – Alongamento para corpos de prova solubilizados a 550 oC, antes e
após precipitação artificial........................................................................................
107
Figura 4.51 – Variação relativa do Alongamento após tratamento de precipitação,
para solubilizações a 550 oC.............................................................................................
107
Figura 4.52 – Alongamento para corpos de prova solubilizados a 520 oC, antes e
após precipitação artificial........................................................................................
108
Figura 4.53 – Variação relativa do Alongamento após tratamento de precipitação,
para solubilizações a 520 oC.............................................................................................
108
Figura 4.54 – Alongamento para corpos de prova solubilizados a 480 oC, antes e
após precipitação artificial........................................................................................
110
Figura 4.55 – Variação relativa do Alongamento após tratamento de precipitação,
para solubilizações a 480 oC.............................................................................................
110
Figura 4.56 – Alongamento para corpos de prova solubilizados a 450 oC, antes e
após precipitação artificial........................................................................................
111
Figura 4.57 – Variação relativa do Alongamento após tratamento de precipitação,
para solubilizações a 450 oC............................................................................................
111
Figura 4.58 – Alongamento para corpos de prova solubilizados a 520 oC + 5 min
a 170 oC, antes e após precipitação artificial............................................................
112
Figura 4.59 – Variação relativa do Alongamento após tratamento de precipitação,
para solubilizações a 520 oC + 5 min a 170 oC..............................................................
112
Figura 4.60 – Evolução do Alongamento nas amostras solubilizadas a várias
temperaturas e envelhecidas naturalmente.............................................................
113
Figura 4.61 – Limite de Escoamento da liga envelhecida naturalmente e
precipitada artificialmente.........................................................................................
114
Figura 4.62 – Microdureza Vickers para corpos de prova solubilizados a 580 oC,
antes e após precipitação artificial...................................................................................
115
Figura 4.63 – Microdureza Vickers para corpos de prova solubilizados a 550 oC,
antes e após precipitação artificial...................................................................................
115
Figura 4.64 – Microdureza Vickers para corpos de prova solubilizados a 520 oC,
antes e após precipitação artificial............................................................................
116
Figura 4.65 – Microdureza Vickers para corpos de prova solubilizados a 480 oC,
antes e após precipitação artificial...................................................................................
117
Figura 4.66 – Microdureza Vickers para corpos de prova solubilizados a 450 oC,
antes e após precipitação artificial...........................................................................
118
Figura 4.67 – Microdureza Vickers para corpos de prova solubilizados a 520 oC +
5 min a 170 oC, antes e após precipitação artificial.......................................................
118
Figura 4.68 – Curva Tensão vs Deformação Real para uma liga 6101 solubilizada
a 550 oC, antes e após a precipitação artificial.........................................................
119
Figura 4.69 – Coef. de Encruamento para corpos de prova solubilizados a 580
C, antes e após precipitação artificial......................................................................
120
Figura 4.70 – Variação relativa do Coef. de Encruamento após tratamento de
precipitação, para solubilizações a 580 oC.....................................................................
120
Figura 4.71 – Coef. de Encruamento para corpos de prova solubilizados a 550
C, antes e após precipitação artificial......................................................................
121
Figura 4.72 – Variação relativa do Coef. de Encruamento após tratamento de
precipitação, para solubilizações a 520 oC.....................................................................
121
Figura 4.73 – Coef. de Encruamento para corpos de prova solubilizados a 520
C, antes e após precipitação artificial......................................................................
122
o
o
o
Figura 4.74 – Variação relativa do Coef. de Encruamento após tratamento de
precipitação, para solubilizações a 520 oC.....................................................................
122
Figura 4.75 – Coef. de Encruamento para corpos de prova solubilizados a 480oC,
antes e após precipitação artificial...........................................................................
123
Figura 4.76 – Variação relativa do Coef. de Encruamento após tratamento de
precipitação, para solubilizações a 480 oC.....................................................................
123
Figura 4.77 – Coef. de Encruamento para corpos de prova solubilizados a 450
C, antes e após precipitação artificial......................................................................
124
Figura 4.78 – Variação relativa do Coef. de Encruamento após tratamento de
precipitação, para solubilizações a 450 oC.....................................................................
124
Figura 4.79 – Coef. de Encruamento para corpos de prova solubilizados a 520 oC
+ 5 min a 170 oC, antes e após precipitação artificial...............................................
125
Figura 4.80 – Variação relativa do Coef. de Encruamento após tratamento de
precipitação, para solubilizações a 520 oC + 5 min a 170 oC......................................
125
Figura 4.81 – Evolução do Coeficiente de Encruamento nas amostras
solubilizadas a várias temperaturas e envelhecidas naturalmente..........................
126
Figura 4.82 – Evolução do Coef. de Encruamento da liga envelhecida
naturalmente e precipitada artificialmente................................................................
126
Figura 4.83 – Micrografia MEV – Liga 6101 – solubilizada a 450 oC e envelhecida
365 dias – 5kV – 100x.......................................................................................................
127
Figura 4.84 – Micrografia MEV – Liga 6101 – solubilizada a 450 oC e envelhecida
365 dias – 5kV – 2500x.....................................................................................................
127
Figura 4.85 – Micrografia MEV – Liga 6101 – solubilizada a 450 oC e envelhecida
2 dias – 5kV – 100x............................................................................................................
127
Figura 4.86 – Micrografia MEV – Liga 6101 – solubilizada a 450 oC e envelhecida
2 dias – 5kV – 2500x..........................................................................................................
127
Figura 4.87 – Micrografia MEV – Liga 6101 – solubilizada a 480 oC e envelhecida
350 dias – 5kV – 100x......................................................................................................
128
Figura 4.88 – Micrografia MEV – Liga 6101 – solubilizada a 480 oC e envelhecida
350 dias – 5kV – 2.500x...................................................................................................
128
o
Figura 4.89 – Micrografia MEV – Liga 6101 – solubilizada a 480 oC e envelhecida
27 dias – 5kV – 100x.........................................................................................................
128
Figura 4.90 – Micrografia MEV – Liga 6101 – solubilizada a 480 oC e envelhecida
27 dias – 5kV – 2500x.......................................................................................................
128
Figura 4.91 – Micrografia MEV – Liga 6101 – solubilizada a 520 oC e envelhecida
271 dias – 5kV – 100x......................................................................................................
129
Figura 4.92 – Micrografia MEV – Liga 6101 – solubilizada a 520 oC e envelhecida
271 dias – 5kV – 2.500x...................................................................................................
129
Figura 4.93 – Micrografia MEV – Liga 6101 – solubilizada a 520 oC e envelhecida
34 dias – 5kV – 100x.........................................................................................................
129
Figura 4.94 – Micrografia MEV – Liga 6101 – solubilizada a 520 oC e envelhecida
34 dias – 5kV – 2.500x.....................................................................................................
129
Figura 4.95 – Micrografia MEV – Liga 6101 – solubilizada a 550 oC e envelhecida
311 dias – 5kV – 100x......................................................................................................
130
Figura 4.96 – Micrografia MEV – Liga 6101 – solubilizada a 550 oC e envelhecida
311 dias – 5kV – 2.500x...................................................................................................
130
Figura 4.97 – Micrografia MEV – Liga 6101 – solubilizada a 550 oC e envelhecida
23 dias – 5kV – 100x.........................................................................................................
130
Figura 4.98 – Micrografia MEV – Liga 6101 – solubilizada a 550 oC e envelhecida
23 dias – 5kV – 2.500x.....................................................................................................
130
Figura 4.99 – Micrografia MEV – Liga 6101 – solubilizada a 580 oC e envelhecida
250 dias – 5kV – 100x......................................................................................................
131
Figura 4.100 – Micrografia MEV – Liga 6101 – solubilizada a 580 oC e
envelhecida 250 dias – 5kV – 2.500x............................................................................
131
Figura 4.101 – Micrografia MEV – Liga 6101 – solubilizada a 580 oC e
envelhecida 4 dias – 5kV – 100x.....................................................................................
131
Figura 4.102 – Micrografia MEV – Liga 6101 – solubilizada a 580 oC e
envelhecida 4 dias – 5kV – 2.500x..........................................................................
131
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 – Composição química da bauxita Gibsítica (porcentagem em peso)...
30
Tabela 2.2 – Parâmetros de consumo para a produção de 1 t. de alumina
calcinada. (http://www.abal.org.br)...........................................................................
32
Tabela 2.3 – Insumos para a produção de 1 tonelada de alumínio primário
(http://www.abal.org.br)............................................................................................
32
Tabela 2.4 – Designação das Ligas Submetidas a Trabalho Mecânico
(BARBOSA, 2011)....................................................................................................
38
Tabela 2.5 – Designação das Ligas para Produção de Peças Fundidas
(BARBOSA, 2011) ...................................................................................................
39
Tabela 2.6 – Faixa química para algumas ligas da série 6.000, (porcentagem em
peso). (The Aluminum Association, 1997)................................................................
40
Tabela 2.7 – Fases da precipitação no sistema Al-Mg-Si (MARIORA, 2005)..........
43
Tabela 2.8 – Faixa química para as ligas 6101 e 6201 USA, (porcentagem em
peso).........................................................................................................................
44
Tabela 2.9 – Economia de energia quando utiliza-se condutores AAAC.
(DAVIES, 1988)........................................................................................................
45
Tabela 3.1 – Análise química do alumínio utilizado para produzir a liga 6101,
(porcentagem em peso).........................................................................................
47
Tabela 3.2 – Análise química do magnésio metálico utilizado para produzir a liga
6101, (porcentagem em peso).................................................................................
48
Tabela 3.3 – Análise química do silício metálico utilizado para produzir a liga
6101, (porcentagem em peso).................................................................................
48
Tabela 4.1– Análise química da liga 6101, utilizada nos testes...............................
72
Tabela 4.2 – Medidas dos diâmetros dos vergalhões..............................................
72
Tabela 4.3 – LRT para corpos de prova solubilizados a 580 oC..............................
74
Tabela 4.4 – LRT para corpos de prova solubilizados a 550 oC..............................
75
Tabela 4.5 – LRT para corpos de prova solubilizados a 520 oC, antes e após
Precipitação Artificial................................................................................................
77
Tabela 4.6 – LRT para corpos de prova solubilizados a 480 oC, antes e após
Precipitação Artificial................................................................................................
78
Tabela 4.7 – LRT para corpos de prova solubilizados a 450 oC, antes e após
Precipitação Artificial................................................................................................
80
Tabela 4.8 – LRT para corpos de prova solubilizados a 520 oC. + 5 min a 170 oC,
antes e após Precipitação Artificial...........................................................................
83
Tabela 4.9 - Coeficiente a e b da curva y = a xb, para várias temperaturas de
solubilização.............................................................................................................
85
Tabela 4.10 – LE para corpos de prova solubilizados a 580 oC, antes e após
Precipitação Artificial................................................................................................
87
Tabela 4.11 – LE para corpos de prova solubilizados a 550 oC, antes e após
Precipitação Artificial................................................................................................
88
Tabela 4.12 – LE para corpos de prova solubilizados a 520 oC, antes e após
Precipitação Artificial................................................................................................
89
Tabela 4.13 – LE para corpos de prova solubilizados a 480 oC, antes e após
Precipitação Artificial................................................................................................
91
Tabela 4.14 – LE para corpos de prova solubilizados a 450 oC, antes e após
Precipitação Artificial................................................................................................
92
Tabela 4.15 – LE para corpos de prova solubilizados a 520 oC + 5 min a 170oC,
antes e após Precipitação Artificial...........................................................................
93
Tabela 4.16 – Condutividade corpos de prova solubilizados a 580 oC, antes e
após Precipitação Artificial.......................................................................................
97
Tabela 4.17 – Condutividade corpos de prova solubilizados a 550 oC, antes e
após Precipitação Artificial.......................................................................................
98
Tabela 4.18 – Condutividade corpos de prova solubilizados a 520 oC, antes e
após Precipitação Artificial.......................................................................................
100
Tabela 4.19 – Condutividade corpos de prova solubilizados a 480 oC, antes e
após Precipitação Artificial.......................................................................................
101
Tabela 4.20 – Condutividade corpos de prova solubilizados a 450 oC, antes e
após Precipitação Artificial.......................................................................................
102
Tabela 4.21 – Condutividade corpos de prova solubilizados a 520 oC + 5 min a
170oC, antes e após Precipitação Artificial...............................................................
103
Tabela 4.22 – Alongamento para corpos de prova solubilizados a 580 oC, antes e
após Precipitação Artificial.......................................................................................
106
Tabela 4.23 – Alongamento para corpos de prova solubilizados a 550 oC, antes e
após Precipitação Artificial.......................................................................................
107
Tabela 4.24 – Alongamento para corpos de prova solubilizados a 520 oC, antes e
após Precipitação Artificial.......................................................................................
108
Tabela 4.25 – Alongamento para corpos de prova solubilizados a 480 oC, antes e
após Precipitação Artificial.......................................................................................
110
Tabela 4.26 – Alongamento para corpos de prova solubilizados a 450 oC, antes e
após Precipitação Artificial.......................................................................................
111
Tabela 27 – Alongamento para corpos de prova solubilizados a 520 oC + 5 min a
170oC, antes e após Precipitação Artificial..............................................................
112
Tabela 4.28 - Microdureza Vickers para corpos de prova solubilizados a 580 oC,
antes e após Precipitação Artificial...........................................................................
115
Tabela 4.29 – Microdureza Vickers para corpos de prova solubilizados a 550 oC,
antes e após Precipitação Artificial...........................................................................
115
Tabela 4.30 – Microdureza Vickers para corpos de prova solubilizados a 520 oC,
antes e após Precipitação Artificial...........................................................................
116
Tabela 4.31 – Microdureza Vickers para corpos de prova solubilizados a 480 oC,
antes e após Precipitação Artificial...........................................................................
117
Tabela 4.32 – Microdureza Vickers para corpos de prova solubilizados a 450 oC,
antes e após Precipitação Artificial...........................................................................
118
Tabela 4.33 – Microdureza Vickers para corpos de prova solubilizados a 520 oC
+ 5 min 170 oC, antes e após Precipitação Artificial.................................................
118
Tabela 4.34 – Coef. Encruamento para corpos de prova solubilizados a 580 oC,
antes e após Precipitação Artificial...........................................................................
120
Tabela 4.35 – Coef. Encruamento para corpos de prova solubilizados a 550 oC,
antes e após Precipitação Artificial...........................................................................
121
Tabela 4.36 – Coef. Encruamento para corpos de prova solubilizados a 520 oC,
antes e após Precipitação Artificial..........................................................................
122
Tabela 4.37 – Coef. Encruamento para corpos de prova solubilizados a 480 oC,
antes e após Precipitação Artificial...........................................................................
123
Tabela 4.38 – Coef. Encruamento para corpos de prova solubilizados a 450 oC,
antes e após Precipitação Artificial...........................................................................
124
Tabela 4.39 – Coef. Encru. para corpos de prova solubilizados a 520 oC + 5 min
170 oC, antes e após Precipitação Artificial..............................................................
125
SUMÁRIO
CAPITULO 01...........................................................................................................
26
INTRODUÇÃO.........................................................................................................
26
CAPÍTULO 02...........................................................................................................
27
REVISÃO DA LITERATURA....................................................................................
27
2.1 – O metal alumínio.............................................................................................
27
2.2 – Cronologia.......................................................................................................
28
2.3 – Processo de obtenção do alumínio primário...................................................
29
2.3.1 – Processo Bayer de produção do óxido de alumínio.............................
30
2.3.2 – Processo Hall-Héroult de redução.......................................................
32
2.4 – Propriedades do metal alumínio .....................................................................
33
2.5 – Ligas de alumínio............................................................................................
36
2.6 – Nomenclatura das Ligas de Alumínio..............................................................
37
2.6.1 – Nomenclatura das Ligas trabalháveis..................................................
38
2.6.2 – Nomenclatura das ligas para fundição.................................................
38
2.7 – Ligas de Alumínio da Série 6XXX...................................................................
39
2.8 – O tratamento térmico solubilização................................................................
40
2.9 – Tratamento térmico de precipitação artificial...................................................
41
2.10 – Mecanismo de endurecimento por precipitação............................................
41
2.11 – Ligas de alumínio 6101 e 6201.....................................................................
44
2.11.1 – Vantagens de cabos condutores com liga 6101 / 6201........................
44
2.12 – Métodos industriais da produção das ligas 6201 / 6101...............................
45
2.12.1 – Hot Rolled Rod...................................................................................
45
2.12.2 – Lingotamento contínuo.......................................................................
46
CAPITULO 03…………………………………………………………………………......
47
MATERIAIS E MÉTODOS .......................................................................................
47
3.1 – Matérias Primas...............................................................................................
47
3.1.1 – Alumínio primário.................................................................................
47
3.1.2 – Magnésio Metálico...............................................................................
48
3.1.3 – Silício Metálico.....................................................................................
48
3.2 – Descrição do processo produtivo....................................................................
48
3.2.1 – Fluxograma..........................................................................................
48
3.2.2 – Fusão do alumínio - Forno Revérbero.................................................
49
3.2.3 – Fornos de indução...............................................................................
50
3.2.4 – Desgaseificador...................................................................................
52
3.2.5 – Filtro Cerâmico.....................................................................................
52
3.2.6 – Refino de grão......................................................................................
53
3.2.7 – Lingotamento contínuo.........................................................................
53
3.2.8 – Aquecimento da barra de liga 6101.....................................................
55
3.2.9 – Laminação............................................................................................
55
3.2.10 – Bobinamento......................................................................................
56
3.2.11 – Tratamento de solubilização..............................................................
56
3.3 – Análise química...............................................................................................
59
3.4 – Ensaios de Tração...........................................................................................
61
3.4.1 – Corpos de prova...................................................................................
61
3.4.2 – Ensaio de tração convencional............................................................
62
3.4.2.1 – Limite de Resistência à Tração (LRT).......................................
62
3.4.2.2 – Limite de Escoamento (LE).......................................................
63
3.4.2.3 – Alongamento............................................................................
63
3.4.3 – Ensaio de tração real...........................................................................
64
3.4.3.1 – Coeficiente de encruamento (n)...............................................
67
3.5 – Ensaio de dureza Vickers................................................................................
69
3.5.1 – Ensaio de microdureza Vickers............................................................
70
3.6 – Análise micrográfica........................................................................................
70
3.7 – Ensaios de condutividade elétrica...................................................................
70
CAPÍTULO 04...........................................................................................................
72
RESULTADOS E DISCUSSÕES.............................................................................
72
4.1 – Análise Química..............................................................................................
72
4.2 – Diâmetro do Vergalhão....................................................................................
72
4.3 – Limite de Resistência à Tração (LRT).............................................................
73
4.3.1 – Limite de Resistência à Tração para solubilizações a 580 oC.............
73
4.3.2 – Limite de Resistência à Tração para solubilizações a 550 oC.............
73
4.3.3 – Limite de Resistência à Tração para solubilizações a 520 oC.............
76
4.3.4 – Limite de Resistência à Tração para solubilizações a 480 oC.............
76
4.3.5 – Limite de Resistência à Tração para solubilização a 450 oC...............
79
4.3.6 – Limite de Resistência à Tração para solubilização a 520 oC + 5 min
a 170 oC....................................................................................................................
82
4.3.7 – Evolução do Limite de Resistência à Tração.......................................
84
4.4 – Limite de Escoamento (LE).............................................................................
86
4.4.1 – Limite de Escoamento para solubilizações a 580 oC...........................
86
4.4.2 – Limite de Escoamento para solubilizações a 550 oC...........................
86
4.4.3 – Limite de Escoamento para solubilizações a 520 oC...........................
86
4.4.4 – Limite de Escoamento para solubilizações a 480 oC...........................
90
4.4.5 – Limite de Escoamento para solubilizações a 450 oC...........................
90
4.4.5 – Limite de Escoamento para solubilizações a 520 oC + 5 min a 170
C........................................................................................................................
90
4.4.7 – Evolução do Limite de Escoamento.....................................................
94
4.5 – Condutividade Elétrica.....................................................................................
96
4.5.1 – Condutividade elétrica para solubilizações a 580 oC..........................
96
4.5.2 – Condutividade elétrica para solubilizações a 550 oC..........................
96
o
4.5.3 – Condutividade elétrica para solubilizações a 520 oC..........................
99
4.5.4 – Condutividade elétrica para solubilizações a 480 oC...........................
99
4.5.5 – Condutividade elétrica para solubilizações a 450 oC...........................
99
4.5.6 – Condutividade elétrica para solubilizações a 520 oC + 5 min a 170
o
C........................................................................................................................
103
4.5.7 – Evolução da Condutividade Elétrica....................................................
104
4.6 – Alongamento...................................................................................................
105
4.6.1 – Alongamento para solubilizações a 580 oC.........................................
105
4.6.2 – Alongamento para solubilizações a 550 oC.........................................
105
4.6.3 – Alongamento para solubilizações a 520 oC.........................................
105
4.6.4 – Alongamento para solubilizações a 480 oC.........................................
109
4.6.5 – Alongamento para solubilizações a 450 oC.........................................
109
4.6.6 – Alongamento para solubilizações a 520 oC + 5 min a 170 oC..............
109
4.6.7 – Evolução do Alongamento...................................................................
113
4.7 – Microdureza Vickers........................................................................................
114
4.7.1 – Microdureza Vickers para solubilizações a 580 oC..............................
114
4.7.2 – Microdureza Vickers para solubilizações a 550 oC..............................
115
4.7.3 – Microdureza Vickers para solubilizações a 520 oC..............................
116
4.7.4 – Microdureza Vickers para solubilizações a 480 oC..............................
117
4.7.5 – Microdureza Vickers para solubilizações a 450 oC..............................
118
o
4.7.6 – Microdureza Vickers para solubilizações a 520 oC + 5 min a 170
C........................................................................................................................
118
4.8 – Coeficiente de Encruamento (n)......................................................................
119
4.8.1 – Coeficiente de Encruamento para solubilizações a 580 oC.................
120
4.8.2 – Coeficiente de Encruamento para solubilizações a 550 oC.................
121
4.8.3 – Coeficiente de Encruamento para solubilizações a 520 oC.................
122
4.8.4 – Coeficiente de Encruamento para solubilizações a 480 oC.................
123
4.8.5 – Coeficiente de Encruamento para solubilizações a 450 oC.................
124
4.8.6 – Coeficiente de Encruamento para solubilizações a 520 oC + 5 min a
170 oC.......................................................................................................................
125
4.8.7 – Evolução do Coeficiente de Encruamento...........................................
126
4.9 – Microscopia Eletrônica....................................................................................
127
4.9.1 – Microscopia para solubilizações a 450 oC...........................................
127
4.9.2 – Microscopia para solubilizações a 480 oC...........................................
128
4.9.3 – Microscopia para solubilizações a 520 oC...........................................
129
4.9.4 – Microscopia para solubilizações a 550 oC...........................................
130
4.9.5 – Microscopia para solubilizações a 580 oC...........................................
131
4.10 – Discussão dos Resultados............................................................................
132
CAPÍTULO 05...........................................................................................................
136
CONCLUSÕES........................................................................................................
136
CAPÍTULO 06...........................................................................................................
137
SUGESTÕES PARA PRÓXIMOS TRABALHOS.....................................................
137
7 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS......................................................................
138
26
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
As ligas de alumínio do sistema Al-Mg-Si apresentam a propriedade de
endurecimento por precipitação após tratamento térmico de solubilização e tratamento
térmico de precipitação artificial. A liga 6101, tal qual a liga 6201, é utilizada para a
produção de cabos aéreos de transmissão de energia elétrica. O processo mais comum
e econômico de produção envolve a laminação contínua de vergalhões, tratamento
térmico de solubilização, trefilação e tratamento térmico de precipitação artificial. A
estrutura solubilizada não é estável termodinamicamente e a precipitação tende a
ocorrer mesmo em temperaturas ambientes, o que chamamos de envelhecimento
natural. Por este motivo é necessário que a trefilação e o tratamento térmico de
precipitação artificial ocorram dentro de um tempo limite, de forma que as propriedades
finais não sejam alteradas pelo envelhecimento natural.
Este trabalho foi motivado pela necessidade de se conhecer o prazo máximo entre
os dois tratamentos térmicos, para uma liga 6101, possibilitando o maior tempo de
estocagem, sem afetar as propriedades mecânicas e elétricas finais do produto. O
conhecimento deste prazo de validade máximo se faz necessário para otimizar
exportações, que demandam um grande tempo de transporte e para flexibilizar a
estocagem deste produto solubilizado.
Foi levantada a hipótese de que a temperatura de solubilização da liga poderia
provocar alterações nas propriedades mecânicas da liga 6101 ao longo do
envelhecimento natural. Desta forma, esta hipótese foi estudada, variando-se a
temperatura de solubilização entre 450 a 580 oC e acompanhando as propriedades
mecânicas pertinentes e a condutividade elétrica da liga com o passar do tempo.
27
CAPÍTULO 2
REVISÃO DA LITERATURA
2.1 – O metal alumínio.
O alumínio é o terceiro elemento mais abundante no planeta, só superado pelo
oxigênio e o silício. Devido a sua abundância e suas excelentes características
primárias, como atoxidade, baixa densidade, alta condutividade, é um dos materiais
com maior prospecção de utilização na indústria, sendo que é o 2º material mais
utilizado, perdendo apenas para o aço. As características primárias do alumínio puro
revelam baixas propriedades mecânicas (Limite de Escoamento, Limite de Resistência
à Tração, Dureza) e por isso são adicionados elementos de liga que tendem a ficar
dispersos na matriz ou solúveis na mesma, melhorando essas características. O
alumínio pode ser encontrado em até 250 minerais, porém a extração só é
economicamente viável em 5 destes, sendo o principal a bauxita. (SPIM JUNIOR, 2007)
O Brasil possui a terceira maior reserva de bauxita do planeta, e no final de 2007
figurava como o sexto maior produtor de alumínio primário do mundo. A produção
nacional do alumínio, que era praticamente inexpressiva em meados de 1960, com
cerca de 55 mil t/ano ganhou importância com início de novas fábricas chegando a
cerca de 820 mil t/ano na década de 90 e alcançando mais de 1.700 mil t/ano em 2007
(OTOMAR, 2010). A indústria do alumínio é de extrema importância para o
desenvolvimento econômico brasileiro, devido às imensas reservas nacionais, pelo fato
do Brasil possuir bacias hidrográficas favoráveis à produção de energia elétrica e por
ser um metal com características nobres e de inúmeras aplicações.
Hoje, os Estados Unidos e o Canadá são os maiores produtores mundiais de
alumínio. Entretanto, nenhum deles possui jazidas de bauxita em seu território,
dependendo exclusivamente da importação. O Brasil tem a terceira maior reserva do
minério no mundo, localizada na região amazônica, perdendo apenas para Austrália e
Guiné. Além da Amazônia, o alumínio pode ser encontrado no sudeste do Brasil, na
região de Poços de Caldas (MG) e Cataguases (MG). A bauxita é o minério mais
28
importante para a produção do alumínio, contendo de 35% a 55% de óxido de alumínio.
(http://www.abal.org.br)
2.2 – Cronologia.
Há sete milênios, ceramistas da Pérsia já produziam seus vasos com um tipo de
barro que continha óxido de alumínio, que hoje conhecemos como alumina. Trinta
séculos mais tarde, egípcios e babilônios usaram outra substância contendo alumínio
na fabricação de cosméticos e produtos medicinais. Até então, nada se sabia sobre o
metal na forma como o conhecemos hoje. Apesar de ser o 3º mais abundante do
planeta, o metal puro não é encontrado naturalmente. O processo percorrido até
conhecermos o alumínio na sua forma atual foi longo: (http://www.abal.org.br)
6000 a.C.: Os Persas fabricaram potes e recipientes de argila que continham
óxido de alumínio (Al2O3).
3000 a.C.: Argilas com alumina eram utilizadas por povos antigos do Egito e
Babilônia para a fabricação de cosméticos, medicamentos e corantes de tecidos.
1821: O francês P. Berthier descobre um minério avermelhado, que contém 52%
de óxido de alumínio, perto da aldeia de Lês Baux, no sul da França. É a descoberta da
bauxita, o minério mais comum de alumínio.
1825: O físico dinamarquês Hans Christian Oersted consegue isolar o alumínio a
partir do cloreto de alumínio na forma como é conhecido hoje.
1854: Primeira obtenção do alumínio por via química, realizada por Henry Saint–
Claire Deville.
1855: Deville mostra, na exposição de Paris, o primeiro lingote de um metal muito
mais leve que o ferro.
1886: Torna-se público o processo de obtenção de alumínio por meio da redução
eletrolítica da alumina dissolvida em banho fundido de sais de flúor. Esse procedimento
foi desenvolvido separadamente pelo norte-americano Charles Martin Hall e pelo
francês Paul Louis Toussaint Héroult, que o descobriram e o patentearam quase
29
simultaneamente. Esse processo ficou conhecido como Hall-Heróult e foi o que permitiu
o estabelecimento da indústria global do alumínio.
1945: Na cidade de Ouro Preto (MG) é produzido o primeiro lingote de alumínio do
Hemisfério Sul, na fábrica da Elquisa.
2.3 – Processo de obtenção do alumínio primário.
O minério de importância industrial para a obtenção do alumínio metálico é a
bauxita, que herdou o nome da região de Les Baux, situada no sul da França, onde foi
identificada pela primeira vez. (ESCOBAR, 2004)
A bauxita se forma em regiões tropicais e subtropicais por ação do intemperismo
sobre aluminossilicatos. Apesar de ser frequentemente descrita como minério de
alumínio, não é uma espécie mineral propriamente dita, mas um material heterogêneo
formado de uma mistura de óxidos de alumínio hidratados contendo impurezas. Os
principais constituintes deste material são o diaspório (Al2O3.2H2O), a gibsita
(Al2O3.3H2O) ou hidrargilita e a boehmita (Al2O3.H2O), sendo que as proporções das
três formas variam dependendo da localização geográfica do minério. Estes
constituintes diferem não só quanto ao número de moléculas de água de hidratação,
mas também quanto à estrutura cristalina. As bauxitas mais ricas em boehmita são
encontradas em depósitos europeus (França e Grécia), enquanto que aquelas ricas em
diaspório, na China, Hungria e Romênia. As bauxitas geologicamente mais novas
possuem alto conteúdo de gibsita, ocorrem em grandes depósitos em áreas de clima
tropical como Jamaica, Brasil, Guiné, Guiana, Suriname e Índia, e é a que apresenta
maior interesse comercial. (ESCOBAR, 2004)
As impurezas presentes na bauxita são óxidos de ferro (hematita, magnetita e
goetita, entre outros), sílica, óxido de titânio e aluminossilicatos, em quantidades que
variam com a região de origem, causando alterações no aspecto físico do minério que
pode variar de um sólido marrom-escuro ferruginoso até um sólido de cor creme, duro e
cristalino. (ESCOBAR, 2004)
30
A bauxita é extraída, geralmente, por mineração a céu aberto. O minério é coberto
por uma camada rasa de solo e vegetação. Na maioria dos casos, esta camada de
superfície é removida e armazenada para recuperação da área minerada.
O processo de produção de alumínio inicia-se na mineração com a lavra do
minério. Em seguida, têm-se outras duas etapas distintas. A primeira, conhecida como
Processo Bayer, consiste em produzir o óxido de alumínio anidro a partir do minério
bauxita. A segunda, denominada Redução, consiste em reduzir o alumínio do óxido por
eletrólise, em cela eletrolítica. (ESCOBAR, 2004)
2.3.1 – Processo Bayer de produção do óxido de alumínio.
O processo Bayer começa com a britagem, lavagem e blendagem do minério de
bauxita gibsítico, que tem como maior constituinte em sua composição química (tabela
2.1) o óxido de alumínio tri-hidratado. Esta etapa visa a produção de um minério com
qualidade padronizada e adequada para o processo Bayer. (ESCOBAR, 2004)
Tabela 2.1 – Composição química da bauxita Gibsítica (porcentagem em peso).
Composição Química da Bauxita Gibsítica (%)
Al2O3.3H2O
75
Fe2O3
13
SiO2
10
Outros
2
A próxima etapa do Processo Bayer é a dissolução do óxido de alumínio trihidratado, com solução de soda cáustica a 150 oC, etapa denominada Digestão, para
produzir uma solução supersaturada de aluminato de sódio conforme a seguinte reação
química 1. (ESCOBAR, 2004)
Al2O3.3H2O(s) + 2 NaOH(aq)
2NaAlO2(aq) + 4H2O
(1)
31
Todos os outros constituintes da bauxita, como óxido de silício (quartzo), óxido de
ferro, etc., permanecem na forma sólida ou são muito pouco solúveis. As partículas
maiores são retiradas da solução por decantação seguida de filtração para eliminar as
partículas menores. Esta etapa do processo Bayer é denominada Filtração. A solução
supersaturada isenta de sólidos é diluída e resfriada. Adiciona-se semente de óxido de
alumínio tri-hidratado e deixa-se precipitar por 30 horas sob agitação constante num
sistema de precipitação de fluxo contínuo. (ESCOBAR, 2004)
Após a precipitação, os sólidos presentes na suspensão são classificados por
tamanho e a fração granulométrica mais grossa é filtrada, lavada e calcinada a 1.000 oC
para a produção do óxido de alumínio como mostra a reação (2).
Al2O3.3H2O
Al2O3 + 3 H2O
(2)
Na Tabela 2.2, abaixo, podemos ver os parâmetros de consumo para a produção
de 1 tonelada de alumina calcinada.
Tabela 2.2 – Parâmetros de consumo para a produção de 1 t. de alumina calcinada.
(http://www.abal.org.br)
Parâmetros de consumo da alumina
Bauxita (t/t)
Cal (kg/t)
Soda cáustica (kg/t)
Vapor (t/t)
Óleo combustível - calcinação (kg/t)
Floculante sintético (g/t)
Energia elétrica (kwh/t)
Produtividade (Hh/t)
Água m³/t
1,85 a 3,4
10 a 50
40 a 140
1,5 a 4,0
80 a 130
100 a 1000
150 a 400
0,5 a 3,0
0,5 a 2,0
32
2.3.2 – Processo Hall-Héroult de redução.
O óxido de alumínio obtido no Processo Bayer é enviado à redução para produzir
o alumínio metálico. Nesta etapa, o óxido de alumínio é dissolvido em banho de criolita
fundida (Na3AlF6) em cubas eletrolíticas e o alumínio é reduzido pela passagem de
corrente elétrica segundo a reação (3). O carbono necessário à reação provém do
ânodo que é consumido ao longo do tempo e substituído quando necessário.
(ESCOBAR, 2004)
2 Al2O3 + 3 C(s)
4Al(l) + 3 CO2(g)
(3)
A maioria das unidades de redução do alumínio produz um metal com 99,7% de
pureza, adequado para a maioria das aplicações.
Na tabela 2.3 temos os parâmetros de consumo para 1,0 tonelada de alumínio
primário.
Tabela 2.3 – Insumos para a produção de 1 tonelada de alumínio primário
(http://www.abal.org.br).
Insumos para a produção de alumínio primário (ano-base 2003)
Alumina (t/t)
1,919
Energia elétrica (kWh/t)
15.000,0
Criolita (kg/t)
8,0
Fluoreto de alumínio (kg/t)
19,7
Coque de petróleo (kg/t)
384
Piche (kg/t)
117
Óleo combustível (kg/t)
44,2
A Figura 2.1 mostra a bauxita, a alumina calcinada e o alumínio metálico e a
interface dos processos.
33
Figura 2.1 – a) bauxita, b) alumina e c) alumínio (de cima para baixo) (ESCOBAR, 2004
APUD World Aluminium.org).
2.4 – Propriedades do metal alumínio (FUNDAMENTOS E APLICAÇÕES DO
ALUMÍNIO ABAL, 2007)
O alumínio possui estrutura cristalina cúbica de face centrada (CFC) e junto com o
magnésio faz parte do grupo conhecido como ligas leves. Possui boa resistência à
corrosão sendo utilizado em ambientes de atmosfera marinha e nos meios líquidos
aquosos. A vantagem dessa característica é não exigir tratamento superficial para
esses casos. Sua resistência à corrosão é atribuída à formação, na superfície do metal,
de um filme de óxido de alumina (Al2O3) a qual é quimicamente bastante estável. O
alumínio é um material não magnético, contudo possui elevada condutividade elétrica.
Abaixo vemos algumas propriedades e características:
Ponto de fusão – O alumínio possui ponto de fusão de 660 oC (quando na pureza
de 99,80 %), o que é relativamente baixo se comparado ao do aço, que é da ordem de
1.570 oC.
34
Peso específico – A leveza é uma das principais características do alumínio. Seu
peso específico é de cerca de 2,70 g/cm3, aproximadamente 35 % do peso do aço e
30% do peso do cobre. Essa característica, aliada ao aumento da resistência mecânica
por adição de elementos de liga/tratamentos térmicos, torna o alumínio o metal de
escolha para a indústria aeronáutica e de transportes.
Características mecânicas – O alumínio comercialmente puro tem um limite de
resistência à tração de aproximadamente 90 MPa. Sua utilização como material
estrutural nesta condição é um tanto limitada, mas através do trabalho a frio, sua
resistência mecânica pode ser praticamente dobrada. Aumentos maiores na sua
resistência podem ser obtidos com pequenas adições de outros metais como elementos
de liga. As ligas tratáveis termicamente podem ainda apresentar aumento de resistência
através de tratamento térmico, tanto que hoje algumas ligas podem ter resistência à
tração de aproximadamente 700 MPa. O alumínio e suas ligas perdem parte de sua
resistência a elevadas temperaturas, embora algumas ligas conservem boa resistência
em temperaturas entre 200 oC a 260 oC. Em temperaturas abaixo de zero, entretanto,
sua resistência aumenta sem perder a ductilidade e a tenacidade, tanto que o alumínio
é um metal particularmente utilizado em aplicações de baixas temperaturas.
Resistência à corrosão – Quando o alumínio é exposto à atmosfera, forma-se
imediatamente uma fina e invisível camada de óxido, a qual protege o metal de
oxidações posteriores. Essa característica de autoproteção dá ao alumínio uma elevada
resistência à corrosão. A menos que seja exposto a uma determinada substância ou
condição agressiva que destrua essa película de óxido de proteção, o metal fica
totalmente protegido contra a corrosão. O alumínio é altamente resistente ao tempo,
mesmo em atmosferas industriais, que frequentemente corroem outros metais. É
também resistente a vários ácidos. Os álcalis estão entre as poucas substâncias que
atacam a camada de óxido e podem corroer o alumínio.
Coeficiente de dilatação térmica – O alumínio puro possui um coeficiente de
dilatação térmica linear de 0,0000238 mm/oC, na faixa de 20 oC a 100 oC. Porém,
devido ao baixo módulo de elasticidade do alumínio, induzem-se menores tensões na
estrutura do alumínio, com a variação de temperatura, que na do aço.
35
Condutividade elétrica – O alumínio puro possui resistividade de 0,00263 mili
ohm/cm3 e condutividade elétrica de 62 % IACS (International Annealed Copper
Standard), a qual associada à sua baixa densidade significa que um condutor de
alumínio pode conduzir tanta corrente quanto um condutor de cobre que é duas vezes
mais pesado e proporcionalmente mais caro.
Condutividade térmica – Essa característica é um importante meio de
transferência de energia térmica, tanto no aquecimento, como no resfriamento. Assim,
os trocadores ou dissipadores de calor em alumínio são comuns nas indústrias
alimentícia, química, petrolífera, aeronáutica, etc. O alumínio puro possui uma
condutibilidade térmica (k) de 0,53 calorias por segundo por centímetro quadrado por
centímetro de espesso por grau Celsius, de forma que sua condutibilidade térmica é 4,5
vezes maior que a do aço doce. A alta condutividade térmica do alumínio é um fator que
influencia positivamente seu uso na indústria de alimentos e de produtos químicos.
Refletividade – O alumínio tem uma refletividade acima de 80 %, a qual permite
ampla utilização em luminárias. Coberturas de alumínio refletem uma alta porcentagem
do calor do sol, tanto que edificações cobertas com esse material são menos quentes
no verão.
Propriedade antimagnética – O metal não é magnético sendo frequentemente
utilizado como proteção em equipamentos eletrônicos. Também não produz faíscas, o
que é uma característica muito importante, sendo, desta forma, bastante utilizado na
estocagem de substâncias inflamáveis ou explosivas, bem como em caminhões-tanque
de transporte de materiais combustíveis.
Atoxidade – O fato de o alumínio possuir características “não-tóxicas” permite sua
utilização em utensílios domésticos, sem qualquer efeito nocivo ao organismo humano,
sendo muito utilizado em equipamentos na indústria alimentícia.
Reciclagem – A característica de ser infinitamente reciclável, sem perda de suas
propriedades físico-químicas, torna o alumínio o metal de escolha, principalmente em
embalagens para bebidas carbonatadas.
36
2.5 – Ligas de alumínio. (GUIA TÉCNICO DO ALUMÍNIO ABAL, 2003).
Um dos aspectos que tornam as ligas de alumínio tão atraentes como materiais de
construção mecânica é o fato de o alumínio poder combinar-se com a maioria dos
metais de engenharia, ser possível obter características tecnológicas ajustadas de
acordo com a aplicação do produto final. Naturalmente, uma só liga não pode combinar
todas as propriedades ótimas para cada aplicação, sendo necessário conhecer as
vantagens e limitações de cada uma delas para que se possa fazer a melhor seleção.
O grande alcance das ligas oferece à indústria uma ampla variedade de
combinações de resistência mecânica, resistência à corrosão e ao ataque de
substâncias
químicas,
condutibilidade
elétrica,
usinabilidade,
ductibilidade,
formabilidade, etc.
Descrever a função de cada elemento de liga é difícil porque esta se altera, não só
com a quantidade dos elementos presentes na liga, mas, também, pela sua interação
com outros elementos. Em geral, podemos dividir os elementos entre aqueles que
conferem à liga a sua característica principal (resistência mecânica, resistência à
corrosão, fluidez no preenchimento de moldes, etc.) e os que têm função acessória,
como o controle de microestrutura e as impurezas e traços que prejudicam a fabricação
ou a aplicação do produto, os quais devem ser controlados no seu teor máximo.
O silício é o elemento mais comum nas ligas de alumínio, presente no metal como
consequência da fabricação do alumínio a partir da bauxita. Tem solubilidade baixa no
alumínio, tendendo a se combinar, principalmente, com ferro, manganês e magnésio.
Com este último, forma um composto de magnésio, responsável pelo endurecimento
por tratamento térmico das ligas do grupo 6xxx. Nas ligas de fundição, o silício é o
principal elemento de liga utilizado, pois aumenta a capacidade do metal líquido de
preencher detalhes e cavidades estreitas dos moldes, controla a contração na
solidificação e o nível de porosidade nas peças vazadas e aumenta a resistência ao
desgaste das peças fundidas.
O cobre é um elemento que promove aumento de resistência mecânica da liga,
formando precipitados endurecedores, quando adicionado em porcentagens ao redor
37
de 5%. Além disso, em solução sólida contribui para o refino de outros precipitados
endurecedores, realçando seus efeitos.
O magnésio é um forte endurecedor das ligas de alumínio, seja em solução sólida,
seja combinado com outros elementos, formando precipitados endurecedores. Também
confere alta resistência à corrosão às ligas Al-Mg e às ligas fundidas.
O ferro é a impureza mais comum no alumínio. Esse elemento tende a se
combinar com o silício formando compostos da família Al-Fe-Si, cuja morfologia deve
ser controlada nos processos de vazamento e homogeneização para não prejudicar a
característica de transformação mecânica a quente do material. Apesar disso, ligas com
teores de ferro menores que 0,10 % apresentam tendência ao crescimento
descontrolado dos grãos. Na fundição sob pressão, o ferro é adicionado em teores de
0,6% a 1,0% em algumas ligas, a fim de facilitar o destacamento do produto do molde.
Acima desses teores, aumenta a fragilidade das peças.
O titânio é adicionado em baixas concentrações na forma do composto TiAl3, que
se dispersa no alumínio líquido em condições de adição controlada, atuando como
núcleos de solidificação e refinando o grão do produto vazado. Sua ação é
complementada pelo boro, que formando o composto TiB2, aumentando a eficiência do
refinador de grão. O boro também atua ao remover da solução sólida titânio, manganês,
cromo e vanádio, que são elementos que diminuem a condutibilidade elétrica do
material.
2.6 – Nomenclatura das Ligas de Alumínio.
Os grupos de ligas obedecem ao sistema de classificação numérica de quatro
dígitos do alumínio e suas ligas trabalháveis e de fundição.
38
2.6.1 – Nomenclatura das Ligas trabalháveis.
Para a identificação do alumínio e suas ligas trabalháveis é utilizado um sistema
de classificação de quatro dígitos, sendo que:
a) O primeiro dígito indica o grupo de ligas, conforme especificado na Tabela
2.4.
b) O segundo dígito indica modificações na liga original ou dos limites de
impurezas.
c) Os dois últimos dígitos identificam a liga de alumínio para as ligas do Grupo
2XXX até 8XXX ou indicam a pureza do alumínio para o Grupo 1XXX.
Esta classificação pode ser vista na Tabela 2.4.
Tabela 2.4 – Designação das ligas submetidas a trabalho mecânico. (BARBOSA, 2011)
Série
Composição Química
Aplicações Principais
1XXX
2XXX
3XXX
4XXX
5XXX
Al comercialmente puro
Al-Cu e Al-Cu-Mg
Al-Mn e Al-Mn-Mg
Al-Si
Al-Mg
6XXX
Al-Mg-Si
7XXX
Al-Zn e Al-Zn-Mg
Outras ligas (Al-Li, AlFe)
8XXX
Contatos elétricos, Cabos elétricos.
Indústria aeronáutica.
Latas de bebidas. Panelas.
Metal de adição para soldas.
Aplicações náuticas (navios e barcos).
Perfis arquitetônicos. Componentes
automotivos. Cabos elétricos.
Indústria aeronáutica.
Várias.
2.6.2 – Nomenclatura das ligas para fundição.
a) O primeiro dígito indica o grupo de ligas, conforme especificado na Tabela 2.5.
b) Os dois dígitos seguintes identificam a liga ou indicam a pureza do alumínio
não ligado.
c) O último dígito, que está separado dos outros por um ponto, indica a forma
- XXX.0 – Peças fundidas.
39
- XXX.1 – Lingotes.
- XXX.2 – Lingotes.
Tabela 2.5 – Designação das ligas para produção de peças fundidas (BARBOSA, 2011)
Série
Composição Química
Aplicações Principais
1XXX.X
2XXX.X
3XXX.X
4XXX.X
5XXX.X
6XXX.X
7XXX.X
8XXX.X
Al comercialmente puro
Al-Cu e Al-Cu-Mg
Al-Si-Mg e Al-Si-Cu
Al-Si
Al-Mg
Não existe este
sistema
Al-Zn e Al-Zn-Mg
Al-Sn
Contatos elétricos
Indústria aeronáutica
Várias
Pistões fundidos de motores
Aplicações náuticas (navios e barcos)
Não especificado por não existir este
sistema
Indústria aeronáutica
Várias, para ligas com baixo ponto de fusão
2.7 – Ligas de Alumínio da Série 6XXX.
Nas ligas de alumínio da série 6.000 os principais elementos de liga são o
magnésio e o silício, que combinam-se para formar o composto intermetálico Mg2Si.
Antes de atingir o equilíbrio no superenvelhecimento a fase MgSi é o responsável pelo
endurecimento dessas ligas, como será descrito adiante. A solubilidade da fase Mg2Si
(beta) na matriz rica em alumínio (alfa) aumenta com a elevação da temperatura. O
tratamento de solubilização e envelhecimento artificial controlado permite a precipitação
da segunda fase a partir de uma solução sólida supersaturada (BARBOSA, 2011).
Na tabela 2.6 podemos ver a composição química de algumas ligas da série
6.000.
40
Tabela 2.6 – Faixa química para algumas ligas da série 6.000, (porcentagem em peso).
(The Aluminum Association, 1997)
6351
6056
6061
% Mg
% Si
% Fe
% Cu
% Mn
% Cr
% Zn
O.C.*
O.T.**
0,40
0,70
0,50
0,10
0,40
0,05
0,05
0,05
0,15
a 0,8
a 1,3
máx
máx
a 0,8
máx
máx
máx
máx
0,6 a
0,70
0,50
0,50
0,40
0,25
0,1 a
0,05
0,15
1,2
a 1,3
máx
a 1,1
a 1.0
máx
0,7
máx
máx
0,4 a
0,50
0,70
0,15
0,15
0,04 a
0,25
0,05
0,15
0,8
a 0,9
máx
a 0,4
máx
0,35
máx
máx
máx
*O.C. = Outros Cada ; ** O.T. = Outros Total
2.8 – O tratamento térmico de solubilização.
O tratamento térmico de solubilização consiste em elevar a temperatura da liga
acima da linha solvus do diagrama binário Al-Mg2Si, e deixar pelo tempo necessário de
tal forma que as fases de Mg2Si presentes na liga sejam solubilizadas na matriz de
alumínio, conforme diagrama de fases da Figura 2.2. Nesta região do diagrama existe
somente a fase α em equilíbrio, que é composta de alumínio com os elementos Si e Mg
em solução sólida. Após o tempo necessário para a solubilização dos elementos Mg e
Si, a liga é resfriada bruscamente em água, de forma que não há tempo para a
formação da fase Mg2Si, que continua em solução. A liga solubilizada é
termodinamicamente instável e ocorre a precipitação de fases de MgSi mesmo em
temperaturas ambiente, porém em velocidade reduzida. Esta precipitação das fases de
MgSi na temperatura ambiente, após a solubilização, chamamos de envelhecimento
natural.
41
Figura 2.2 – Diagrama pseudo-binário Al – Mg2Si.
(MACHADO, 2008 - Modificado)
2.9 – Tratamento térmico de precipitação artificial.
Após o tratamento térmico de solubilização a liga deve passar por outro
tratamento térmico, chamado de tratamento térmico de precipitação artificial ou
tratamento de envelhecimento artificial, que consiste em elevar a temperatura da liga
para faixas entre 150 a 180 oC por tempos que variam entre 2 a 8 horas. Este
tratamento favorece a formação de fases de MgSi endurecedoras (fases β’’ e β’), e é
empregado na indústria para aumentar a resistência mecânica das ligas de alumínio.
2.10 – Mecanismo de endurecimento por precipitação.
A sequência de precipitação para as ligas da série 6XXX, que geralmente é aceita
na literatura é: (KARABAY, 2007)
SSSS => aglomerados atômicos => Zonas de Guinier-Preston => β” => β’ => β (Mg2Si
estável)
42
Onde SSSS é solução sólida supersaturada. Alguns autores consideram as zonas
GP como GP1 enquanto a fase β” é chamada de zona GP2. A fase endurecedora mais
efetiva para este tipo de materiais é a β”. (KARABAY, 2007)
No aspecto do processamento industrial com base na teoria acima, o propósito da
precipitação artificial é formar precipitados finamente dispersos que impedem o
movimento das discordâncias durante a deformação. (KARABAY, 2007)
Enquanto alguns pesquisadores afirmam que o processo de precipitação é
contínuo, outros o consideram descontinuo, ou seja, que a formação de determinados
tipos de precipitados ocorreria a partir da dissolução dos precipitados anteriores.
(BARBOSA, 2011)
Os valores máximos de dureza obtidos nestas ligas Al-Mg-Si estão associados à
presença dos precipitados metaestáveis β” e β’.
Para tempos de envelhecimento a 200 oC muito longos surge o precipitado de
equilíbrio β, completamente incoerente com a matriz. Este precipitado, cuja composição
química corresponde à relação estequiométrica Mg2Si, possui forma de plaqueta e
dimensões relativamente grandes. Sua presença está associada ao amolecimento da
liga acarretado pelo superenvelhecimento.
O aumento da dureza com o tempo e a temperatura de envelhecimento estão
relacionados com o crescimento das partículas de segunda fase, desde dimensões
características de zonas de Guinier-Preston até partículas com menor grau de
coerência (KARABAY, 2007). A queda de dureza, que ocorre para tratamentos térmicos
em altas temperaturas e/ou longos tempos de envelhecimento, está relacionada com o
crescimento excessivo dos precipitados, favorecendo o movimento das discordâncias
quando de uma solicitação mecânica, o que possibilita o amolecimento da liga, e que
caracteriza o superenvelhecimento.
Na Figura 2.3 podemos ver um esquema de precipitados coerentes (precipitados
β’’),
precipitados
semi-coerentes
(precipitados
(precipitados β), conforme KARABAY, 2007.
β’)
e
precipitados
incoerentes
43
Figura 2.3 – Estágios do endurecimento por precipitação em ligas do sistema Al-Mg-Si.
a) precipitados coerentes. b) Precipitados semi-coerentes. c) precipitados incoerentes
devido ao envelhecimento excessivo (KARABAY, 2007).
A tabela 2.7 mostra a composição química dos precipitados β’’, β’ e β e os parâmetros
do reticulado cristalino.
Aglomerados e zonas GP-1 são muito pequenos, formam em grande densidade
numérica e são completamente coerentes com a matriz de alumínio. Eles são
praticamente invisíveis em um microscópio de transmissão eletrônica (TEM). Isto faz
com a única técnica disponível para estudar os primeiros estágios da sequência de
precipitação seja a sonda atômica (HASTING, 2007).
Tabela 2.7 – Fases da precipitação no sistema Al-Mg-Si (MARIORA, 2005).
Fase
Forma
Componente
Parâmetros do reticulado
(nm)
GP zones
Agulha
-----
a=1,48, b=0,405, c=0,648,
=105,3 deg
β”
Agulha
Mg5Si6
a=1,516,
c=0,674,
β’
Agulha
Mg1,8Si
b=0,405,
=105,3 deg
a=b=0,715,
=120 deg
β
Placas
Mg2Si
a=0,6354
c=0,405,
44
2.11 – Ligas de alumínio 6101 e 6201.
A grande maioria das linhas de transmissão de energia elétrica são feitas de
materiais não–homogêneos. Tipicamente, estas são feitas de um material central de
alta resistência, envolto por um material de alta condutividade. O tipo mais comum de
condutor é aquele feito com uma alma de aço envolto por cabos de alumínios.
Aluminium Conductor Steel Reinforced (ACSR). Mais recentemente, o condutor
homogêneo All-Aluminium Alloy Conductor (AAAC), tem se tornado bem popular. Estes
condutores são feitos de ligas tratáveis termicamente do sistema Al-Mg-Si (DAVIES,
1988).
Há somente 2 ligas na série 6.000 que são aprovadas como condutores elétricos.
Estas ligas são conhecidas como 6101 e 6201. (PRECKEL, 2010).
Segundo A.A. (Aluminum Association, 1997), as faixas permitidas para as liga
6101 e 6201 se encontram na tabela 2.8.
Tabela 2.8 – Faixa química para as ligas 6101 e 6201 USA, (porcentagem em peso).
%Mg
%Si
%Fe
Cu
Mn
Cr
B
O.C.*
O.T.**
6101
0,35
0,30
0,50
0,10
0,03
0,03
0,06
0,03
0,10
USA
a 0,8
a 0,7
máx
máx
máx
máx
máx
máx
máx
6201
0,6 a
0,50
0,50
0,10
0,03
0,03
0,06
0,03
0,10
USA
0,9
a 0,9
máx
máx
máx
máx
máx
máx
máx
*O.C. = Outros Cada ; ** O.T. = Outros Total
2.11.1 – Vantagens de cabos condutores com liga 6101 / 6201.
Segundo DAVIES (1988), as vantagens dos cabos AAAC sobre os ACSR são:
- Maior resistência mecânica por peso.
- Possibilidade do uso de estruturas mais leves e torres mais distantes.
45
- Menor resistência elétrica e melhor taxa de corrente do que o tamanho equivalente de
ACSR.
- Maior dureza superficial, e consequentemente, menor probabilidade de danos
superficiais durante o manuseio.
- Melhor performance de resistência a corrosão.
- Alta resistência à fluência.
Além das propriedades acima, os condutores AAAC podem reduzir os custos da
perda elétrica, conforme Tabela 2.9.
Tabela 2.9 – Economia de energia condutores ACSR versus AAAC. (DAVIES, 1988)
Corrente (I)
A.C. Resistência a 50 oC (R)
ACSR
AAAC
350 amp
350 amp
0,177 ohm/km
0,102 Ohm/km
0,5
0,5
0,2875
0,2875
6,23 kW/km
3,59 kW/km
Fator de carregamento (Load factor)
(LF)
Fator de perda de carregamento (Load
loss factor ) (LLF)
Potência de perda (PL) I2RxLLFx0,001
2.12 – Métodos industriais da produção das ligas 6101 / 6201.
2.12.1 – Hot Rolled Rod. (DAVIES, 1988).
Barras extrudadas são laminadas na temperatura de 450 oC para vergalhões de
9,5 mm. O vergalhão é solubilizado e trefilado para o diâmetro requerido.
O arame é finalmente aquecido a baixas temperaturas de 150 a 170 oC por várias
horas. Embora ainda em uso, este método foi largamente substituído pelo
desenvolvimento dos processos Properzi e Secim Mills.
46
2.12.2 – Lingotamento contínuo.
Neste método o vergalhão de 9,5 mm é diretamente produzido do metal fundido
em um laminador Properzi ou Secim, que pode ser solubilizado das seguintes formas:
a) Imediatamente resfriado após laminação e antes do bobinamento. Conhecido
como tratamento de solubilização T1.
b) Solubilizado em bobinas de até 2 t em uma operação separada. Conhecido
como tratamento de solubilização de T4.
O método (a) produz um produto com propriedades mecânicas mais uniformes e
menor custo, enquanto o método (b) produz um produto mais fácil de ser trefilado.
Estes dois tipos de tratamento térmico, chamados de T1 e T4, podem ser
aplicados ao vergalhão antes do rebobinamento. De acordo com a opção, diferentes
propriedades finais serão obtidas, nas quais as combinações entre composição química
e tratamento térmico promove uma variedade de processos e produtos, porém estas
características não são bem conhecidas (PRECKEL, 2010)
47
CAPÍTULO 3
MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 – Matérias Primas
3.1.1 – Alumínio primário
Como fonte de alumínio foram utilizados lingotes de alumínio primário, com a
seguinte análise química, conforme certificado do fornecedor (Tabela 3.1).
Tabela 3.1 – Análise química do alumínio utilizado para produzir a liga 6101,
(porcentagem em peso).
%Al
%Fe
%Si
%V
%Cr
%Mn
%Cu
%Ti
99,84
0,10
0,04
0,01
0,0002
0,0011
0,0004
0,0055
Figura 3.1 – Alumínio primário, em lingotes, utilizado para produzir a liga 6101 utilizada
neste trabalho.
48
3.1.2 – Magnésio Metálico.
Como fonte de magnésio foram utilizados lingotes de magnésio metálico, com a
seguinte análise química, conforme certificado do fornecedor (Tabela 3.2)
Tabela 3.2 – Análise química do magnésio metálico utilizado para produzir a liga 6101,
(porcentagem em peso).
%Mg
%Si
%Al
%Mn
%Fe
%Cu
%Cl
%Ni
99,93
0,018
0,019
0,019
0,0038
0,0036
0,0035
0,0005
3.1.3 – Silício Metálico.
Como fonte de silício foi utilizado Silício metálico na granulometria de 10x100 mm,
com a análise química (Tabela 3.3), conforme certificado do fornecedor.
Tabela 3.3 – Análise química do silício metálico utilizado para produzir a liga 6101,
(porcentagem em peso).
%Si
%Ca
%Fe
%Al
%Ti
%Cr
%Cu
%B
99,23
0,07
0,34
0,36
0,05
<0,01
<0,01
<0,01
3.2 – Descrição do processo produtivo.
3.2.1 – Fluxograma.
Na Figura 3.2, vemos o fluxograma do processo de produção da liga 6101. O
fluxograma é dividido em dois, sendo que a primeira parte encerra-se com o tratamento
49
térmico de solubilização do vergalhão 9,52 mm. Este vergalhão solubilizado é então
enviado ao trefilador que irá produzir os cabos de transmissão de energia elétrica. O
tempo necessário para este produto solubilizado ser utilizado pelos trefiladores pode
demandar semanas ou até meses, por este motivo é interessante que este prazo seja o
mais longo possível, conservando as características necessárias da liga.
Cada etapa do processo será discutida adiante.
Figura 3.2 – Fluxograma do processo produtivo da liga 6101.
3.2.2 – Fusão do alumínio - Forno Revérbero.
O forno revérbero (Figura 3.3) é utilizado como forno de fusão do alumínio, onde o
alumínio sólido é fundido através da queima do GLP (gás liquefeito de petróleo). O
alumínio líquido é retirado deste forno e abastecido nos fornos de indução, através de
um cadinho de transferência.
50
Figura 3.3 – Forno revérbero utilizado para a fusão do alumínio sólido.
3.2.3 – Fornos de indução.
Nos fornos de indução é feita a adição do magnésio e do silício metálico para
adequar a composição química da liga.
O funcionamento do forno de indução baseia-se na indução eletromagnética. Uma
bobina de cobre, refrigerada à água é alimentada com uma corrente elétrica alternada,
o que induz correntes de Foucault na carga metálica, que produz grande elevação de
temperatura e agitação do banho, conforme esquema ilustrativo das Figuras 3.4 e 3.5.
51
Figura 3.4 – Esquema do forno de indução.
Figura 3.5 – Agitação do metal no forno de indução, provocada pelo campo
eletromagnético.
52
3.2.4 – Desgaseificador.
Após ajustada a análise química da liga no forno de indução e durante o
vazamento, a mesma passa por um processo de tratamento em linha com argônio e
cloro gasoso, conforme o esquema ilustrado na Figura 3.6, abaixo, e com o objetivo de
reduzir o hidrogênio contido, remoção de inclusões e álcalis.
Figura 3.6 – Esquema sistema do tratamento com gases.
3.2.5 – Filtro Cerâmico.
Após passar pelo desgaseificador o metal líquido é filtrado em um filtro cerâmico
de 30 ppi, ou seja, 30 poros por polegada quadrada (30 pores per square inch - ppi),
para retenção de óxidos e partículas não dissolvidas. Na Figura 3.7 vemos um esquema
do processo de filtragem.
53
Figura 3.7 – Esquema do sistema de filtragem utilizado na produção da liga 6101.
3.2.6 – Refino de grão.
Após a filtragem a liga recebe a adição de um refinador de grão TiBAl 5/1 (5% de
titânio, 1% de boro e o restante alumínio) da LSM Brasil a uma taxa de 2,5 kg/t, para o
refinamento do grão. O refino de grão é necessário para melhorar a capacidade de
conformação da liga, distribui melhor porosidades, melhorar as propriedades mecânicas
e permite uma maior velocidade de vazamento. Na Figura 3.8 é mostrada uma estrutura
da liga 6101 sem a utilização do refinador de grão e outra com a utilização do refinador
de grão.
3.2.7 – Lingotamento contínuo.
Após os processamentos já descritos anteriormente, a liga é solidificada em um
molde de cobre, refrigerado com água. É formada uma barra de formato trapezoidal,
conforme Figuras 3.8 e 3.10, com dimensões de 39,5 mm x 32,9 mm x 23,5 mm (base
maior x altura x base menor)
54
Figura 3.8 – Exemplo da estrutura da liga 6101 com e sem adição de refinador de
grão.
Abaixo é mostrado o sistema de lingotamento continuo Properzi utilizado para a
produção dos corpos de prova.
Erro! A referência de hiperlink não é válida.
Figura 3.9 – Sistema de lingotamento continuo Properzi.
3.2.8 – Aquecimento da barra de liga 6101.
Para o tratamento térmico de solubilização em linha (T1), existe um forno de
indução em linha que aquece a barra acima da linha solvus antes da mesma ser
laminada. Isto é necessário para garantir total solubilização antes do resfriamento
brusco e para aumentar o nível de recristalização durante a laminação.
3.2.9 – Laminação.
A laminação em vergalhões ocorre em um laminador Properzi (Figura 3.10).
Neste laminador, a barra é conformada em vergalhões, de seção circular, de 9,52 mm
55
de diâmetro através de 12 stands compostos de 3 roletes. A redução total de área da
barra para o vergalhão equivale a uma redução de 93 %.
Figura 3.10 – Laminador Properzi.
3.2.10 – Bobinamento.
O vergalhão produzido é rebobinado em bobinas de 1.000 kg a 2.000 kg que
serão solubilizadas em forno industrial, no caso do tratamento de solubilização T4, ou
expedidas, no caso do tratamento de solubilização T1.
56
Figura 3.11 – a) Bobinamento após laminação; b) bobinas após rebobinamento e
prontas para serem solubilizadas nos fornos de tratamento térmico ou expedidas.
3.2.11 – Tratamento de solubilização.
Industrialmente, existem dois processos mais comuns de tratamento térmico de
solubilização de vergalhões da liga 6101. No primeiro, chamado de T1, o vergalhão ao
sair do laminador recebe um jato de água e é resfriado para temperaturas inferiores a
100 oC, mantendo assim a estrutura solubilizada. No segundo processo, chamado T4, o
vergalhão não é resfriado na saída do laminador e as bobinas são novamente
aquecidas em um forno individual acima da linha solvus e resfriadas em uma piscina de
água, que se encontra abaixo deste forno, conforme Figura 3.12.
57
Figura 3.12 – Forno industrial de tratamento térmico de solubilização, T4.
Para o desenvolvimento deste trabalho, foram retirados corpos de prova de 33 cm
cada, de um lote da liga 6101 e estes foram solubilizados, em uma mufla de laboratório,
Figura 3.13.
Figura 3.13 – Mufla utilizada para solubilização dos corpos de prova.
58
Em cada solubilização foram tratados 9 corpos de prova por 40 minutos. As
temperaturas escolhidas foram 450 oC, 480 oC, 520 oC, 550 oC e 580 oC +/- 10 oC e
resfriados em um tambor de 200 litros, contendo água em temperatura ambiente. Estes
tratamentos foram repetidos em intervalores de tempos diferentes e as amostras
estocadas em temperatura ambiente, de tal forma que as amostras dos primeiros
tratamentos apresentam um maior tempo de envelhecimento do que as amostras
subsequentes.
As temperaturas acima foram escolhidas por cobrirem uma vasta faixa, desde
temperaturas ligeiramente inferiores ao necessário para a solubilização (450 oC) até a
temperatura eutética (580 oC), como pode ser visto no diagrama binário, Figura 3.14.
Durantes os primeiros estágios da precipitação artificial a 170 oC, para ligas
solubilizadas T4 apresenta-se um fenômeno de amolecimento. A dureza da liga tende a
aumentar após de 30 minutos de envelhecimento artificial (LIU, 2007). Este fenômeno é
conhecido como pré envelhecimento.
Figura 3.14 – Diagrama de fases do Al-Mg2Si, mostrando a composição da liga
produzida e a faixa de solubilização utilizada. (MACHADO, 2008 - Modificado)
59
Por este motivo, para se estudar o comportamento de um pré-envelhecimento
artificial antes do envelhecimento natural, amostras foram solubilizadas na temperatura
de 520 oC, resfriadas em água e logo após precipitadas artificialmente por 5 minutos na
temperatura de 170 oC,. Foi escolhida esta temperatura, pois já é pratica industrial
solubilizar as amostras na temperatura de 520 oC.
Estas amostras foram envelhecidas naturalmente, por um período de até 380 dias
(13 meses). Foram acompanhadas a evolução das seguintes variáveis: Limite de
Resistência à tração; Limite de Escoamento; Alongamento; Coeficiente de Encruamento
da curva de tração verdadeira; Microdureza Vickers e Condutividade Elétrica, antes e
após um novo tratamento térmico de precipitação por 2 horas à 170ºC. Todas as
medidas foram feitas em três corpos de prova.
3.3 – Análise química.
Foi utilizado um espectrômetro que é um instrumento ótico utilizado para medir as
propriedades da luz em uma determinada faixa do espectro eletromagnético. Conforme
mostra o esquema da Figura 3.15, sua estrutura básica se resume na existência de
uma grade de difração e um foto-tubo captador. A luz incidente sobre a fenda primária
do espectrômetro, ao chocar-se contra a grade de difração ranhurada, se divide em
feixes de onda monocromáticos. Esses feixes difratados são direcionados pelos
espelhos para serem captados por sensores fotovoltaicos de cujos pulsos elétricos é
obtida uma leitura da intensidade luminosa correspondente a cada comprimento de
onda existente no feixe incidente gerado pelo arco voltaico. Com isso pode-se
caracterizar uma série de ligas metálicas quanto ao teor dos elementos da sua
composição química, considerando-se a proporcionalidade entre a intensidade luminosa
de cada comprimento de onda com a quantidade do elemento presente na liga (SILVA
FILHO, 2009).
A análise química do lote em que foram retirados os corpos de prova, foi feita por
um Espectrômetro de Emissão Óptica, Spectrolab da SPECTRO Analytical Instruments
GmbH, calibrado com padrões internacionais, Figura 3.16.
60
Figura 3.15 – Esquema de um espectrômetro ótico (SILVA FILHO, 2009).
Figura 3.16 – Espectrômetro de Emissão Óptica, utilizado para
análise química da liga 6101.
61
3.4 – Ensaios de Tração (SOUZA, 2004)
A facilidade de execução e a reprodutividade dos resultados tornam o ensaio de
tração um dos mais importantes ensaios mecânicos.
A aplicação de uma força num corpo sólido promove uma deformação do material
na direção do esforço e o ensaio de tração consiste em submeter um material a um
esforço que tende a esticá-lo ou alongá-lo.
Com este tipo de ensaio, pode-se afirmar que praticamente as deformações
promovidas no material são uniformemente distribuídas em todo o seu corpo, pelo
menos até ser atingida uma carga máxima próxima do final do ensaio e, como é
possível fazer com que a carga cresça numa velocidade razoavelmente lenta durante
todo o teste, o ensaio de tração permite medir satisfatoriamente a resistência do
material. A uniformidade da deformação permite ainda obter medições precisas da
variação dessa deformação em função da tensão aplicada.
3.4.1 – Corpos de prova.
Os corpos de prova utilizados para a realização dos ensaios de tração foram os
próprios vergalhões de 9,5 mm da liga 6101. Os vergalhões foram cortados no
comprimento de 330 mm e o ensaio de tração realizado sob o comprimento útil de 250
mm, conforme Figura 3.17. A norma utilizada foi a ABNT NBR 6810.
Figura 3.17 – Corpo de prova (vergalhão da liga 6101) para o ensaio de tração.
62
3.4.2 – Ensaio de tração convencional. (SOUZA, 2004)
Tensão é definida genericamente como a resistência interna de um corpo a uma
força externa aplicada sobre ele, por unidade de área. Deformação é definida como a
variação de uma dimensão qualquer desse corpo, por unidade da mesma dimensão,
quando esse corpo é submetido a um esforço qualquer.
Considere-se uma barra metálica cilíndrica de secção transversal uniforme, So,
onde é marcada uma distância Lo, ao longo de seu comprimento. Se essa barra é
submetida a uma única força de tração Q, isto é, a uma força normal à secção
transversal da barra e coincidente com o seu eixo longitudinal, a tensão média de
tração, σ, produzida na barra é dada por:
σ = Q / So.
(4)
Com a aplicação da tensão, σ, a barra sofre uma deformação, ε. A carga, Q,
produz um aumento da distância, Lo, de um valor, ∆L. A deformação linear média é
dada então por:
ε = ∆L / Lo.
(5)
Verifica-se que a tensão tem a dimensão de força por unidade de área e a
deformação é uma grandeza adimensional.
3.4.2.1 – Limite de Resistência à Tração (LRT). (SOUZA, 2004)
O limite de resistência é calculado, pela carga máxima atingida no ensaio pela
área da seção transversal original do corpo de prova. Embora o limite de resistência
seja uma propriedade fácil de ser obter, seu valor tem pouca significação com relação à
resistência dos metais dúcteis. Para esses, o valor do limite de resistência dá a medida
da carga máxima que o material pode atingir sob a restrita condição de carregamento
63
uniaxial. O limite de escoamento hoje em dia, é mais usado nos projetos, do que o limite
de resistência, para os metais dúcteis. Entretanto, o limite de resistência serve para
especificar o material, do mesmo modo que a análise química identifica o material. Por
ser fácil de se calcular e ser uma propriedade bem determinante, o limite de resistência
é especificado sempre com as outras propriedades mecânicas dos metais e ligas.
Na máquina em que foram feitos os ensaios de tração deste trabalho, o software
registra e calcula o Limite de Resistência à Tração do ensaio.
3.4.2.2 – Limite de Escoamento (LE). (SOUZA, 2004)
O escoamento é um tipo de transição heterogênea e localizada entre a
deformação elástica e plástica. Em geral, nos ensaios de tração, a probabilidade de não
ser possível a observação do escoamento nítido é grande, de modo que se deve estar
sempre preparado para a determinação do limite n. O limite convencional n de
escoamento é um valor convencionado internacionalmente para substituir o limite de
escoamento. A substituição pelo limite n é conveniente, porque esse último é
determinado mais rapidamente, é mais prático e atende a todos os fins de aplicação
dos materiais metálicos na engenharia, quanto ao conhecimento do início da
plasticidade dos metais. Geralmente o valor de n é especificado para 0,2% para metais
e ligas em geral, o que significa uma deformação plástica de 0,002, por unidade de
comprimento depois que ultrapassa o limite de proporcionalidade.
No caso da máquina utilizada, o software calcula e reporta o limite n para 0,2 % de
deformação plástica, que chamaremos neste trabalho de Limite de Escoamento (LE),
como pode ser visto na Figura 3.19.
3.4.2.3 – Alongamento. (SOUZA, 2004)
O alongamento total é uma propriedade facilmente determinada pelo ensaio de
tração. O alongamento A é calculado pela expressão:
A = ( L – Lo ) / Lo x 100
(6)
64
Lo é uma distância inicial marcada no corpo de prova antes do ensaio e L é a
distância final, após ruptura do corpo de prova. O alongamento é expresso em %.
Figura 3.18 – Corpo de prova, antes e após o ensaio de tração, com as marcas feitas
para a medição do alongamento.
Na Figura 3.19, podemos ver um gráfico Carga (Q) X Deslocamento (∆L),
fornecido pela máquina de ensaio de tração, para uma amostra da liga 6101. O ponto
verde é o Limite de Escoamento, calculado pelo software da máquina.
3.4.3 – Ensaio de tração real. (SOUZA, 2004)
Os valores obtidos no ensaio de tração convencional são baseados na secção
inicial do corpo de prova, So,(limite de escoamento e limite de resistência) ou na base
inicial da medida, Lo (alongamento), dimensões essas que se alteram à medida que o
ensaio prossegue.
Desse modo, foi estabelecido um novo método para se calcular os valores reais
daquelas propriedades, denominado modernamente ensaio de tração real (ou
verdadeiro) que se baseia nos valores instantâneos da secção do corpo de prova e da
base de medida para o alongamento, quando da aplicação da carga Q.
A tensão de tração real é definida como o quociente entre a carga em qualquer
instante e a área da secção transversal do corpo de prova no mesmo instante, Si, isto é
65
σR = Q / Si
Figura 3.19 – Gráfico Carga x Deslocamento de um corpo de prova da liga 6101, obtido
do software da máquina de tração.
A deformação real é baseada na mudança do comprimento com relação ao
comprimento-base de medida instantâneo, em vez do comprimento inicial de medida.
Assim sendo, com a aplicação de uma carga, Qi, o comprimento inicial passa de Lo para
Li. Aumentando a carga, Qi, de uma quantidade pequena dQi, o comprimento, Li,
aumenta de dLi. A deformação real unitária ou simplesmente deformação real será e
não igual a dLi/Li e para o caso de um aumento de carga de 0 até Q e do comprimento
inicial indo desde Lo até L, a deformação real, δ, temos:
66
Ou seja,
δ = ln ( L/Lo )
Podemos obter a correlação entre as deformações real e convencional da seguinte
forma:
ε = ∆L / Lo = ( L – Lo ) / Lo = L/Lo – 1
ou
1 + ε = L/Lo
Pela expressão da deformação real chega-se
δ = ln (1 + ε)
(7)
A correlação entre as tensões real e convencional pode ser determinada da
seguinte maneira, σR = Q/Si = Q/So So/Si. Como o volume do material permanece
aproximadamente constante na região plástica (podendo-se desprezar pequenas
mudanças elásticas de volume), tem-se que SoLo = SiL ou So/Si = L/Lo. Substituindo
essa relação na equação da deformação real, temos,
δ = ln ( So/Si ) = ln (1 + ε)
ou
So/Si = 1 + ε
isto é
Si = So / ( 1+ ε )
Substituindo o valor de Si dessa relação na equação da tensão real, obtém-se
σR = (Q/So ) / (1 + ε ), como Q/So é igual a tensão convencional (σ), conclui-se
σR = σ(1+ε)
(8)
67
A máquina de tração em que foram realizados os ensaios, possui um sistema de
coleta de dados, gerando pares de dados Carga x Deslocamento a cada 0,2 segundos
durante todo o ensaio de tração, assim é possível através das correlações acima gerar
curvas de Tensão x Deformação Reais, conforme pode ser visto na Figura 3.20.
Figura 3.20 – Curvas Tensão x Deformação Convencional e Real para um ensaio de
tração realizado com o corpo de prova da liga 6101.
3.4.3.1 – Coeficiente de encruamento (n).
A curva real, entre os Limite de Escoamento (LE) e o de Resistência à Tração
(LRT), pode ser representada pela expressão exponencial do tipo
σR = Kδn
(equação Holloman)
(9)
Onde os termos K e n são constantes para cada material, denominados
respectivamente “coeficiente de resistência” e “coeficiente de encruamento”.
68
Para ter melhor conformabilidade, um material precisa ser capaz de suportar maior
deformação
antes
da
falha
ou,
precisa
ter
a
capacidade
de
resistir
à
deformação.(OTOMAR, 2010)
As curvas tensão vs deformação verdadeira para muitos metais, podem ser
aproximadas pela equação Holloman. Da equação de Holloman, n é definido como o
expoente da relação tensão deformação. Também chamado de coeficiente de
encruamento, sendo que este determina o aumento de tensão para cada incremento de
deformação. Quanto maior o valor de n, mais duro será o material. Quanto maior o valor
de n, maior a resistência à estricção. (OTOMAR, 2010)
Com os dados numéricos para cada ensaio de tração é possível determinar estes
coeficientes com excelente correlação, conforme Figura 3.21.
Figura 3.21 – Determinação dos Coeficientes de Resistência e Encruamento.
Foram feitos ensaios de tração dos vergalhões, em triplicata, nos vários tempos de
envelhecimento natural, em uma máquina de tração Kratos, com célula de carga de
2,5t. Também foi feito ensaio de tração, em triplicata, para as amostras envelhecidas
naturalmente e precipitadas por 2 horas a 170 oC após envelhecimento natural.
69
O sistema de acionamento da máquina de tração é composto por um motor, um
redutor de rosca sem fim e um conjunto de engrenagens. Foi utilizada uma velocidade
de 30 mm/min e o diâmetro da amostra foi medido com paquímetro digital calibrado.
Deste ensaio obtivemos o Limite de Resistência à Tração, Limite de Escoamento,
Alongamento e o Coeficiente de Encruamento n da curva de escoamento verdadeira.
3.5 – Ensaio de dureza Vickers. (SOUZA, 2004)
Essa dureza foi introduzida em 1925 por Smith e Sandlanc, levando o nome
Vickers, porque a Companhia Vickers-Armstrong Ltda, fabricou as máquinas mais
conhecidas para operar com este tipo de dureza. O penetrador é uma pirâmide de
diamante de base quadrada, com um ângulo de 136º entre as faces opostas.
Como o penetrador é um diamante, ele é praticamente indeformável e como todas
as impressões são semelhantes entre si, não importando o seu tamanho, a dureza
Vickers (HV) é independente da carga, isto é, o número de dureza obtido é o mesmo
qualquer que seja a carga usada para materiais homogêneos. Para esse tipo de dureza,
a carga varia de 1 até 100 ou 120 kgf. A mudança da carga é necessária para se obter
uma impressão regular, sem deformação e de tamanho compatível para a medida de
suas dimensões no visor da máquina; isso depende, naturalmente, da dureza do
material que se está ensaiando. A forma da impressão é um losango regular, ou seja,
quadrada, e pela média L das suas diagonais, tem-se, conforme a expressão seguinte,
a dureza Vickers.
HV = carga / área da superfície piramidal = 2Q sen(136/2) / L2
(10)
ou seja, HV = 1,8544Q/L2.
Como Q é dado em kgf ou N e L em mm, a dimensão da dureza Vickers é N/mm2
ou kgf/mm2.
70
3.5.1 – Ensaio de microdureza Vickers.
Como o próprio nome diz, a microdureza produz uma impressão microscópica no
material, empregando uma carga menor que 1 kgf, com penetrador de diamante.
A preparação do corpo de prova é feita metalograficamente e através de um
microscópio é medido o valor de L.
Foram feitos ensaios de microdureza Vickers das amostras solubilizadas e
envelhecidas naturalmente e amostras solubilizadas, envelhecidas naturalmente e
precipitadas artificialmente, em intervalos em um período de 380 dias.
Foi utilizado um microdurômetro Mitutoyo MVK-G1 com carga de 0,5 kg e lente
55x.
3.6 – Análise micrográfica.
Foram feitas metalografias das amostras nos vários tempos de envelhecimento,
Utilizando-se Microscópio Eletrônico de Varredura, MEV de Bancada, da Hitachi modelo
TM-3000. As micrografias foram realizadas a uma tensão de 5kV, nos aumentos de 100
e 2.500X. As amostras foram atacadas com solução de HF a 0,5% por 30 segundos.
3.7 – Ensaios de condutividade elétrica.
A resistência elétrica foi medida por uma Ponte Kelvin do fabricante Nansen
modelo PK 230, conforme pode ser visto na Figura 3.22 abaixo, para vários tempos de
envelhecimento para as amostras solubilizadas nas temperaturas propostas e também
após envelhecimento e precipitação artificial. O comprimento utilizado para medida de
resistência elétrica nos corpos de prova foi de 30 cm. As medidas foram realizadas em
três corpos de prova diferentes e a média foi corrigida para 20 oC. A condutividade
elétrica resultante foi comparada com a condutividade do cobre recozido puro e
transformada em % de IACS (International Annealed Copper Standard). O que significa
que uma peça de cobre puro recozido tem a condutividade elétrica de 100% IACS. O
71
alumínio puro recozido apresenta um valores próximos de 62% IACS. A liga 6101, por
norma ABNT NBR 5285, deve apresentar %IACS superior a 52,5% após precipitação
artificial.
Figura 3.22 – Ponte Kelvin utilizada nos testes.
72
CAPÍTULO 4
RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 – Análise Química
Foi produzida nas instalações da LSM Brasil, uma liga 6101 em vergalhões de
9,52 mm, com a análise química da Tabela 4.1, realizada no Espectrômetro de emissão
ótica Spectrolab. (Figura 3.18)
Tabela 4.1– Análise química da liga 6101, utilizada nos testes.
6101
%Mg
%Si
%Fe
%Cu
%Mn
%Cr
%B
%Ti
%O.C.*
%O.T.**
0,57
0,51
0,11
0,005
<0,01
<0,001
0,002
0,018
0,03
0,10
*O.C. = Outros Cada Máximo ; ** O.T. = Outros Total Máximo.
Pelos cálculos estequiométricos, esta liga apresenta %Mg2Si = 0,90% e uma %Si
livre = 0,09%.
4.2 – Diâmetro do Vergalhão.
Foram feitas 24 medidas do diâmetro do vergalhão, conforme Tabela 4.2.
Tabela 4.2 – Medidas dos diâmetros dos vergalhões.
9,53 mm
9,52 mm
9,55 mm
9,43 mm
9,51 mm
9,57 mm
9,43 mm
9,48 mm
9,48 mm
9,56 mm
9,44 mm
9,47 mm
9,56 mm
9,55 mm
9,50 mm
9,58 mm
9,54 mm
9,55 mm
9,53 mm
9,51 mm
9,48 mm
9,53 mm
9,58 mm
9,50 mm
Obteve-se a média de 9,52 mm e desvio padrão de 0,05 mm, esta média foi
utilizada nos ensaios de tração e condutividade elétrica.
73
4.3 – Limite de Resistência à Tração (LRT).
4.3.1 – Limite de Resistência à Tração para solubilizações a 580 oC.
A Tabela 4.3, mostra o Limite de Resistência à Tração (média de 3 ensaios) de
corpos de provas solubilizados a 580 oC envelhecidos naturalmente e também de
corpos de provas solubilizados a 580 oC envelhecidos naturalmente e logo após
precipitados por 2 horas a 170 oC.
O LRT dos corpos de prova envelhecidos naturalmente, apresentou a melhor
correlação em uma curva log-log, resultando em uma equação do tipo y = a xb, com boa
correlação (0,93), conforme pode ser visto na Figura 4.1.
Estes corpos de prova, após serem precipitados artificialmente por 2 horas a 170
o
C, apresentaram uma média de 240 MPa e desvio padrão de 4,8 MPa. Isto mostra que
uma amostra envelhecida naturalmente após 365 dias apresenta um LRT semelhante a
uma amostra com poucos dias de envelhecimento, após a precipitação artificial. Não
sendo, portanto, o envelhecimento natural um fator que altere significativamente o LRT
após a precipitação artificial, no período de tempo estudado.
A diferença entre os LRT, antes e após o tratamento de precipitação artificial
apresenta uma tendência de queda, com uma correlação linear R2 = 0,84, conforme
pode ser visto na Figura 4.2.
4.3.2 – Limite de Resistência à Tração para solubilizações a 550 oC
O comportamento do LRT dos corpos de prova solubilizados a 550 oC
apresentou semelhanças aos solubilizados à 580 oC. A curva de envelhecimento natural
apresentou uma tendência log-log, com boa correlação R2 = 0,98, conforme Figura 4.3.
Após 23 dias de envelhecimento, o LRT da liga que sofreu tratamento de precipitação
estabilizou-se próximo a 237 MPa, com um desvio padrão de 2,6 MPa. Neste caso
também, o LRT após precipitação artificial, Figura 4.4, não se altera significativamente
74
após 23 dias de envelhecimento natural, sendo que, o envelhecimento natural não
altera o LRT para tempos de até 365 dias.
Tabela 4.3 – LRT para corpos de prova
solubilizados a 580 οC.
Limite de Resistência (MPa) , antes e
após Precipitação Artificial
Dias Env.
∆%
Antes
Após
382
220
233
6,1
347
221
232
5,0
297
219
236
7,4
290
222
242
8,7
250
216
247
14,1
240
217
250
15,3
229
215
242
12,5
210
212
239
12,7
192
213
240
12,6
177
212
234
10,5
159
214
236
10,5
14
211
242
14,9
126
210
239
14,2
91
207
242
16,6
84
207
244
17,8
61
205
246
19,7
44
202
240
19,1
23
198
238
19,7
4
193
228
18,4
1
189
227
20,2
Figura 4.1 – Limite de Resistência à Tração para
corpos de prova solubilizados a 580 oC, antes e
após precipitação artificial.
Figura 4.2 – Variação relativa do LRT após
tratamento de precipitação, para solubilizações a
580 oC.
75
Tabela 4.4 – LRT para corpos de prova
solubilizados a 550 οC.
Limite de Resistência (MPa) , antes e
após Precipitação Artificial
Dias Env.
Antes
pós
∆%
365
220
240
9,4
344
218
233
7,0
329
219
237
8,4
311
217
237
9,1
293
218
240
9,7
276
218
241
10,5
242
215
238
10,9
234
216
239
10,5
211
216
237
9,7
194
214
239
11,5
172
213
238
11,9
153
213
237
11,6
136
211
231
9,4
125
211
239
13,5
10
211
233
10,8
82
207
235
13,8
72
206
236
14,5
52
203
236
16,1
23
200
236
18,0
1
183
211
15,1
Figura 4.3 – Limite de Resistência à Tração para
corpos de prova solubilizados a 550 oC, antes e
após precipitação artificial.
Figura 4.4 – Variação relativa do LRT após
tratamento de precipitação, para solubilizações a
550 oC.
76
4.3.3 – Limite de Resistência à Tração para solubilizações a 520 oC
O comportamento do LRT das amostras solubilizadas a 520 oC após a
precipitação artificial apresentou-se bem distinto das amostras solubilizadas a 580 oC e
550 oC, como pode ser visto na Figura 4.5.
Estas amostras após precipitação artificial apresentaram os mais altos valores de
LRT em até 83 dias após a solubilização, com uma média de 255 MPa, neste intervalo.
Indicando ser uma boa prática solubilizar a liga na temperatura de 520 oC e proceder a
precipitação artificial em até 83 dias, para obter-se o maior LRT.
O
aumento
relativo
do
LRT
após
a
precipitação
também
comportamento bem distinto das amostras solubilizadas a 580
o
apresentou
C e 550
o
C,
apresentando uma tendência logarítmica com boa correlação R2 = 0,90, conforme
Figura 4.6, diferente de uma tendência linear com baixa correlação das amostras
solubilizadas a 580 oC e 550 oC.
4.3.4 – Limite de Resistência à Tração para solubilizações a 480 oC
No caso da solubilização feita em 480 oC, houve uma baixa correlação entre o
LRT e o tempo de envelhecimento, sendo a melhor correlação encontrada para o
modelo log-log, com R2= 0,53, conforme pode ser visto na Figura 4.7.
Houve uma variação média de +26,3% após a precipitação artificial, e desvio
padrão de 3,9. Porém não houve correlação deste ganho com o tempo de
envelhecimento, como pode ser visto na Figura 4.8.
O LRT das amostras solubilizadas a 480 oC e envelhecidas naturalmente ficou em
patamares inferiores às amostras solubilizadas a 520 oC, 550 oC e 580 oC, conforme
pode ser visto no gráfico da Figura 4.8, indicando que houve uma solubilização parcial
destas amostras.
Este fato pode ser explicado pela micrografia obtida pelo MEV com aumento de
2.500x, que mostra fases grosseiras de Mg2Si (Figura 4.12).
77
Tabela 4.5 – LRT para corpos de prova
solubilizados a 520 οC, antes e após
Precipitação Artificial.
Limite de Resistência (MPa)
Dias Env.
Antes
Após
∆%
364
218
229
4,9
339
219
235
7,5
329
219
237
8,7
308
218
233
6,9
289
217
236
8,3
271
215
231
7,5
256
213
229
7,0
238
214
230
7,8
221
214
228
6,2
204
213
232
9,2
170
210
231
10,1
140
211
229
8,5
13
209
233
11,4
102
207
233
12,3
83
207
250
21,1
56
203
258
26,8
34
201
249
23,6
6
192
262
36,4
Figura 4.5 – Limite de Resistência à Tração para
corpos de prova solubilizados a 520 oC, antes e
após precipitação artificial.
Figura 4.6 – Variação relativa do LRT após
tratamento de precipitação, para solubilizações a
520 oC.
78
Tabela 4.6 – LRT para corpos de prova
solubilizados a 480 οC, antes e após
Precipitação Artificial.
Limite de Resistência (MPa)
Antes
Após
∆%
360
180
233
29,2
350
195
254
30,0
340
179
226
25,9
310
181
228
26,0
292
194
241
24,1
277
174
212
21,6
242
174
224
29,1
225
175
221
26,1
191
165
222
35,1
161
172
213
23,8
144
178
224
25,7
123
191
236
23,8
104
183
224
22,5
77
180
225
24,9
55
167
223
33,3
27
161
192
19,4
8
157
197
25,9
7
159
200
26,1
Dias Env.
Figura 4.7 – Limite de Resistência à Tração para
corpos de prova solubilizados a 480 oC, antes e
após precipitação artificial.
Figura 4.8 – Variação relativa do LRT após
tratamento de precipitação, para solubilizações a
480 oC.
79
4.3.5 – Limite de Resistência à Tração para solubilização a 450 oC
Para os corpos de prova solubilizados a 450 oC, houve grande instabilidade nos
resultados de LRT, como pode ser visto na Figura 4.9.
Isto ocorre porque esta
temperatura de solubilização encontra-se logo abaixo da linha solvus e qualquer
variação na temperatura de solubilização pode provocar a solubilização ou não dos
corpos de prova.
Para esta temperatura de solubilização não foram encontradas correlações entre o
LRT e o tempo de envelhecimento natural.
Pela Figura 4.11, realizada em Microscópio Eletrônico de Varredura, com aumento
de 2.500X e atacada por 20 segundos com solução de HF a 1%, podemos ver grande
quantidade de pontos escuros, que provavelmente são partículas de Mg2Si que foram
atacadas pelo ácido. Pelo fato da temperatura de 450 oC estar abaixo da linha solvus
estas partículas não foram solubilizadas e permanecem como grandes precipitados
incoerentes que não ocasionam o ancoramento de discordâncias.
Já pela Figura 4.12, em amostra solubilizada a 480 oC podemos notar a presença
destas partículas em menor quantidade, indicando que houve uma solubilização parcial
destas partículas de Mg2Si incoerentes.
Desta forma, os corpos de prova solubilizados a 480 oC apresentam maior Limite
de Resistência à Tração que os corpos de prova solubilizados a 450 oC, pois os
mesmos endureceram por solução sólida, enquanto os solubilizados a 450 oC não
endurecem por solução sólida pois o Mg e o Si não entram em solução, como pode ser
observado pela Figura 4.18.
Os corpos de prova solubilizados a 520, 550 e 580 oC apresentam completa
solubilização das partículas de Mg2Si, como pode ser observado pelas micrografias das
Figuras 4.13, 4.14 e 4.15. e desta forma apresentam maior LRT antes da precipitação
artificial pois apresentam maior endurecimento por solução sólida, como pode ser visto
pela Figura 4.18.
80
Tabela 4.7 – LRT para corpos de prova
solubilizados a 450 οC, antes e após
Precipitação Artificial.
Limite de Resistência (MPa)
Dias Env.
Antes
PP
Após
PP
∆%
365
135
148
10,0
354
133
161
20,6
335
146
169
15,3
317
143
135
-5,8
302
13
144
5,2
284
136
136
-0,4
267
135
148
9,7
250
120
34
11,7
214
134
127
-4,8
207
140
159
14,1
167
144
184
27,7
146
158
187
18,0
127
138
162
17,4
100
141
159
12,6
78
139
154
10,7
50
125
134
7,1
30
128
132
3,0
2
130
131
0,9
Figura 4.9 – Limite de Resistência à Tração para
corpos de prova solubilizados a 450 oC, , antes e
após precipitação artificial.
Figura 4.10 – Variação relativa do LRT após
tratamento de precipitação, para solubilizações a
450 oC.
81
Figura 4.11 – Micrografia Eletrônica (MEV) Figura 4.12 – Micrografia Eletrônica (MEV)
– amostra de liga 6101, solubilizada a 450 – amostra de liga 6101, solubilizada a 480
o
o
C e envelhecida naturalmente por um
C e envelhecida naturalmente por um
período de 360 dias (2.500X).
período de 365 dias (2.500X).
Figura 4.13 – Micrografia Eletrônica (MEV) Figura 4.14 – Micrografia Eletrônica (MEV)
– amostra de liga 6101, solubilizada a 520 – amostra de liga 6101, solubilizada a 550
o
o
C e envelhecida naturalmente por um
C e envelhecida naturalmente por um
período de 320 dias (2.500X).
período de 365 dias (2.500X).
82
Figura 4.15 – Micrografia Eletrônica (MEV) – amostra de liga 6101, solubilizada a 580
o
C e envelhecida naturalmente por um período de 250 dias (2.500X).
Como as amostras solubilizadas a 450 oC não foram solubilizadas, as mesmas
não endurecem por solução e também não endurecem por precipitação artificial, desta
forma no gráfico da Figura 4.19 as mesmas não aumentaram o LRT após a precipitação
artificial por 2 horas a 170 oC.
As amostras solubilizadas a 480 oC não aumentaram o LRT após a precipitação
artificial como as amostras solubilizadas a temperaturas superiores, pois estes corpos
de prova não estão completamente solubilizados (Figura 4.19).
4.3.6 – Limite de Resistência à Tração para solubilização a 520 oC + 5 min a
170 oC
Estudou-se o comportamento do LRT nos corpos de prova solubilizados a 520 oC
e logo após precipitados artificialmente por 5 minutos na temperatura de 170 oC (Tabela
4.8). As curvas de LRT nas amostras envelhecidas (antes e após precipitação)
apresentaram uma correlação do modelo log-log, com boa correlação R2 = 0,99 e R2 =
0,86, respectivamente, como pode ser visto na Figura 4.16.
A curva da variação relativa apresentou uma tendência logarítmica de caimento,
com boa correlação (R2=0,9697), conforme Figura 4.17.
83
Tabela 4.8 – LRT para corpos de prova
solubilizados a 520 οC. + 5 min a 170 oC,
antes e após Precipitação Artificial
Limite de Resistência (MPa)
Dias Env.
Antes
Após
∆%
404
225
256
14,1
393
225
253
12,2
364
223
256
15,0
51
220
254
15,1
336
222
252
13,8
317
219
252
15,1
296
223
252
13,4
249
218
255
1,7
241
219
253
15,5
220
219
254
16,1
203
219
252
15,3
182
218
251
15,3
163
216
253
17,4
136
214
251
17,2
113
212
250
17,7
85
210
250
19,1
65
206
252
22,7
49
202
249
23,4
15
195
245
25,6
1
172
240
39,9
Figura 4.16 – Limite de Resistência à Tração para
corpos de prova solubilizados a 520 oC + 5 min a
170 oC, antes e após precipitação artificial.
Figura 4.17 – Variação relativa do LRT após
tratamento de precipitação, para solubilizações a
520 oC + 5 min a 170 oC.
84
4.3.7 – Evolução do Limite de Resistência à Tração
No gráfico da Figura 4.18 é mostrada a evolução do LRT de todas as
temperaturas de solubilização para um envelhecimento natural.
As amostras solubilizadas a 520 ºC e pré-envelhecidas por 5 minutos a 170 oC
apresentaram um LRT ligeiramente superior as amostras solubilizadas a 520 oC, 550 oC
e 480 oC para tempos maiores que 90 dias de envelhecimento, como pode ser visto
pelas Figuras 4.18 e 4.19.
A amostra que apresentou menor LRT foi a tratada na temperatura de 450
o
C, porém não sofreu solubilização, como pode ser observado pela micrografia da
Figura 4.11 e consequentemente não aumentou o LRT pelo mecanismo de
endurecimento por solução sólida, bem como
não endureceu pelo mecanismo de
precipitação artificial.
O LRT das amostras solubilizadas a 480 oC ficou em um nível intermediário
indicando que houve solubilização, porém parcial.
Figura 4.18 – Evolução do LRT das amostras solubilizadas a várias temperaturas
e envelhecidas naturalmente.
85
A Tabela 4.9 mostra os coeficientes “a” e “b” do modelo log-log, obtido para as
temperaturas de solubilização de 520 oC, 550 oC e 580 oC durante o envelhecimento
natural.
Podemos notar que o índice “a” aumenta de acordo com o aumento da
temperatura de solubilização, indicando que temperaturas de solubilizações maiores
aumentam o LRT antes da precipitação artificial, pois promovem uma solubilização mais
efetiva, aumentando ligeiramente a resistência por endurecimento por solução sólida.
Tabela 4.9 - Coeficiente a e b da curva y = a xb, para várias temperaturas de
solubilização.
Temp. de solubilizações
a
b
R2
520 oC
179,27
0,0327
0,97
550 oC
181,73
0,0312
0,98
580 oC
184,06
0,0287
0,93
Figura 4.19 – Evolução do LRT das amostras solubilizadas a várias temperaturas
e envelhecidas naturalmente e precipitadas artificialmente.
86
4.4 – Limite de Escoamento (LE)
4.4.1 – Limite de Escoamento para solubilizações a 580 oC
O Limite de Escoamento para os corpos de prova solubilizados a 580
o
C
apresentou comportamento semelhante ao Limite de Resistência à Tração (Tabela
4.10), seguindo um modelo estatístico log-log, fornecendo uma curva do tipo y= a xb,
conforme Figura 4.20.
A variação relativa apresentou baixa correlação linear e inclinação negativa
conforme Figura 4.21.
4.4.2 – Limite de Escoamento para solubilizações a 550 oC
O Limite de Escoamento para os corpos de prova solubilizados a 550 oC (Tabela
4.11) apresentou comportamento semelhante aos solubilizados em 580 oC, com uma
tendência de regressão de acordo com o modelo log-log, para as amostras
envelhecidas naturalmente. Para as amostras envelhecidas naturalmente e precipitadas
artificialmente o LE apresenta estabilidade após 23 dias de envelhecimento com uma
média de 152 MPa. Este fato revela que o envelhecimento natural não altera
sensivelmente o LE após a precipitação artificial para amostras com tempo de
envelhecimento próximos a 360 dias (Figura 4.21).
4.4.3 – Limite de Escoamento para solubilizações a 520 oC
Da mesma forma que o LRT, o Limite de Escoamento para as amostras
solubilizadas a 520 oC (Tabela 4.12) apresentou os maiores valores para as amostras
precipitadas em até 83 dias, apresentando ganhos de até 140% como pode ser visto na
Figura 4.25. O que indica ganhos substanciais para amostras precipitadas em até 83
dias após a solubilização, para esta temperatura de solubilização, como pode ser visto
na Figura 4.24.
87
Tabela 4.10 – LE para corpos de prova
solubilizados a 580 οC, antes e após
Precipitação Artificial
Limite de Escoamento (MPa)
Dias Env.
Antes
Após
∆%
382
119
164
17,3
347
119
158
13,2
297
117
163
18,7
290
119
175
27,4
250
115
170
48,3
240
115
177
54,7
229
114
160
40,6
210
113
153
35,6
192
113
62
44,2
177
112
149
32,7
159
113
157
39,2
142
111
168
51,1
126
110
161
45,8
91
109
165
51,7
84
108
172
58,6
61
108
176
64,0
44
106
167
58,2
23
104
163
57,0
4
101
153
51,2
1
100
158
58,9
Figura 4.20 – Limite de Escoamento para corpos
de prova solubilizados a 580 oC, antes e após
precipitação artificial.
Figura 4.21 – Variação relativa do LE após
tratamento de precipitação, para solubilizações a
580 oC.
88
Tabela 4.11 – LE para corpos de prova
solubilizados a 550 οC, antes e após
Precipitação Artificial
Limite de Escoamento (MPa)
Dias Env.
Antes
Após
∆%
365
119
155
30,3
344
117
146
24,7
329
117
152
29,9
311
116
155
33,2
293
117
160
37,2
276
116
159
36,6
242
115
153
33,4
234
116
152
31,5
211
114
150
31,1
194
115
153
33,4
172
113
152
33,8
153
112
153
37,0
136
112
141
25,7
125
111
156
40,5
103
111
145
30,2
82
108
150
38,6
72
108
150
39,5
52
106
153
43,7
23
105
160
52,6
1
97
120
23,9
Figura 4.22 – Limite de Escoamento para corpos
de prova solubilizados a 550 oC, antes e após
precipitação artificial.
Figura 4.23 – Variação relativa do LE após
tratamento de precipitação, para solubilizações a
550 oC.
89
Tabela 4.12 – LE para corpos de prova
solubilizados a 520 οC, antes e após
Precipitação Artificial
Limite de Escoamento (MPa)
Dias Env.
Antes
Após
∆%
364
118
144
22,5
339
117
144
23,4
319
115
146
27,4
308
117
144
22,8
289
116
146
26,3
271
114
143
25,3
256
114
137
20,3
238
113
141
24,9
221
114
137
19,7
204
113
141
25,3
170
111
146
31,5
140
111
140
25,8
123
110
145
31,6
102
109
146
34,4
83
108
191
76,5
56
106
209
96,9
34
105
192
81,9
6
101
245
141,7
Figura 4.24 – Limite de Escoamento para corpos
de prova solubilizados a 520 oC, antes e após
precipitação artificial.
Figura 4.25 – Variação relativa do LE após
tratamento de precipitação, para solubilizações a
520 oC.
90
4.4.4 – Limite de Escoamento para solubilizações a 480 oC
O Limite de escoamento para amostras solubilizadas a 480 oC (Tabela 4.13,
Figura 4.26 e 4.27) apresentou o seu melhor índice de correlação para tendência o
modelo log-log, com baixo R2 = 0,51, conforme Figura 4.16, porém uma correlação
muito fraca, que pode ser explicado por esta temperatura estar nos limites da curva
solvus e a solubilização ocorreu de forma parcial (conforme já mostrado na Figura
4.12).
4.4.5 – Limite de Escoamento para solubilizações a 450 oC
O Limite de Escoamento para amostras solubilizadas a 450 oC (Tabela 4.14,
Figura 4.28 e 4.29) apresentou grande instabilidade pelo fato desta temperatura ficar na
abaixo da linha solvus. Para as amostras solubilizadas e envelhecidas naturalmente
não houve correlação entre o LE e o tempo de envelhecimento, indicando o baixo nível
de solubilização obtido, como pode ser visto na micrografia da Figura 4.11.
4.4.6 – Limite de Escoamento para solubilizações a 520 oC + 5 min a 170 oC
Amostra solubilizadas a 520 oC e pré-envelhecidas por 5 min a 170 oC (Tabela
4.15, Figuras 4.30 e 4.31), apresentaram boa correlação para as amostras envelhecidas
naturalmente, seguindo uma curva do modelo log-log, com correlação 0,97.
A variação relativa do LE apresentou uma tendência logarítmica, com correlação
R2 = 0,96, como pode ser visto na Figura 4.31 (Figura 4.30)
O LE destes corpos de prova após a precipitação artificial apresentou grande
estabilidade, com média de170 MPa e desvio padrão de 2,9 MPa.
91
Tabela 4.13 – LE para corpos de prova
solubilizados a 480 οC, antes e após
Precipitação Artificial
Limite de Escoamento (MPa)
Antes
Após
∆%
360
96
192
100,6
350
103
222
115,4
340
96
184
91,5
310
96
173
79,1
292
04
205
96,7
277
93
173
87,2
242
93
178
91,4
225
95
185
95,0
191
88
190
115,3
161
91
146
60,1
144
95
166
74,6
123
102
174
71,0
104
97
161
65,2
77
96
165
72,2
55
90
168
87,9
27
87
122
40,5
8
84
131
55,6
7
86
141
64,3
Dias Env.
Figura 4.26 – Limite de Escoamento para corpos
de prova solubilizados a 480 oC, antes e após
precipitação artificial.
Figura 4.27 – Variação relativa do LE após
tratamento de precipitação, para solubilizações a
480 oC.
92
Tabela 4.14 – LE para corpos de prova
solubilizados a 450 οC, antes e após
Precipitação Artificial
Limite de Escoamento (MPa)
Antes
Após
Dias Env.
PP
PP
∆%
365
74
87
16,4
354
73
93
26,7
335
80
100
24,6
317
78
77
-1,5
302
76
87
15,6
284
75
78
3,7
267
75
85
13,6
250
67
81
19,4
214
75
79
5,0
207
77
95
23,9
167
79
132
67,6
146
86
115
34,3
127
76
102
34,3
100
78
105
34,4
78
77
95
22,8
50
71
77
8,8
30
72
75
3,4
2
73
71
-2,6
Figura 4.28 – Limite de Escoamento para corpos
de prova solubilizados a 450 oC, antes e após
precipitação artificial.
Figura 4.29 – Variação relativa do LE após
tratamento de precipitação, para solubilizações a
450 oC.
93
Tabela 4.15 – LE para corpos de prova
solubilizados a 520 οC + 5 min a 170 oC,
antes e após Precipitação Artificial.
Limite de Escoamento (MPa)
Dias Env.
Antes
Após
∆%
404
124
173
39,3
393
123
167
36,6
364
122
174
43,0
351
121
170
41,0
336
120
168
39,8
317
120
170
41,8
296
121
170
40,6
249
119
169
42,3
241
119
173
45,2
220
118
173
46,6
203
117
169
43,7
182
117
165
40,9
163
116
172
49,0
136
114
168
46,9
113
114
166
46,1
85
110
167
51,2
65
108
172
59,2
49
106
171
61,5
15
103
173
68,0
1
92
176
90,0
Figura 4.30 – Limite de Escoamento para corpos
de prova solubilizados a 520 oC + 5 min a 170 oC ,
antes e após precipitação artificial.
Figura 4.31 – Variação relativa do LE após
tratamento de precipitação, para solubilizações a
520 oC + 5 min a 170 oC.
94
4.4.7 – Evolução do Limite de Escoamento
Na Figura 4.32 é mostrada a evolução do LE para todas as temperaturas de
solubilização. Semelhante à LRT, as amostras que sofreram um pré-envelhecimento
por 5 minutos a 170 oC apresentaram o maior LE após 90 dias de envelhecimento
natural. As amostras que sofreram o tratamento na temperatura de 450
o
C
apresentaram o menor LE. Estas amostras não aumentaram o LE, de forma
consistente, após tratamento de precipitação artificial, como pode ser visto na Figura
4.33.
As amostras que foram solubilizadas a 480 oC apresentaram LE intermediário para
as amostras envelhecidas naturalmente, mostrando a solubilização parcial das
partículas de Mg2Si. O aumento intermediário do LE para estas amostras solubilizadas
a 480 oC indicam que houve um endurecimento por solução sólida, porém não para a
totalidade do Mg2Si existente, o que pode ser provado pela micrografia do MEV a
2.500X (Figura 4.12). Porém estas amostras após sofrerem o tratamento térmico de
precipitação artificial por 2 horas a 170 oC, conforme Figura 4.33, aumentaram o LE.
As amostras solubilizadas a 520 oC e precipitadas artificialmente apresentam o
maior LE entre todas, para tempos de envelhecimento de até 83 dias. Porém com o
envelhecimento (após 100 dias) as amostras solubilizadas a 520
o
C passam a
apresentar menor LE do que as amostras solubilizadas nas temperaturas de 550 oC,
580 oC e 520 oC + 5 min a 170 oC, sucessivamente, como pode ser visto na Figura 4.33.
Para obter o mais alto LE, os dados indicam que é necessário solubilizar a
amostra na temperatura de 520 oC e fazer o tratamento de precipitação em até 83 dias,
conforme pode ser observado na Figura 4.33.
95
Figura 4.32 – Evolução do LE das amostras solubilizadas a várias temperaturas e
envelhecidas naturalmente.
Figura 4.33 – Limite de Escoamento da liga envelhecida naturalmente e
precipitada artificialmente.
96
4.5 – Condutividade Elétrica.
A condutividade elétrica destas ligas está intimamente relacionada com a forma
como os elementos Mg e Si estão organizados na estrutura atômica. Se estes
elementos estão em solução sólida, a condutividade elétrica tende a ser menor, pois
estes causam distorções na rede cristalina do metal causando uma redução na
condutividade elétrica. Se estes elementos estão precipitados de forma grosseira na
fase β, Mg2Si, nos contornos de grão, a condutividade tende a aumentar, pois a
interferência desta fase não ocorre diretamente no reticulado cristalino do alumínio.
Pela norma ABNT NBR 5285, 2010, a condutividade elétrica da liga alumíniomagnésio-silício (6101/6201) deve ser de no mínimo de 52,5% do IACS (Internacional
Annealed Copper Standard), após precipitação artificial. Ou seja, apresentar
condutividade elétrica de no mínimo 52,5% da condutividade elétrica de uma peça de
cobre recozido.
4.5.1 – Condutividade elétrica para solubilizações a 580 oC.
Para os corpos de prova solubilizados a 580 oC, envelhecidos naturalmente e
precipitados artificialmente por 2 horas a 170 oC (Tabela 4.16), a condutividade elétrica
apresentou uma tendência de queda com o tempo, com baixa correlação linear R2 =
0,4298. Mesmo para amostras com poucos dias de envelhecimento a condutividade
elétrica ficou abaixo da norma ABNT 5285, de forma que este tipo de solubilização das
ligas do sistema alumínio-magnésio-silício para fins elétricos não é viável, apresentando
de forma sistemática condutividades elétricas abaixo da especificação, como pode ser
visto na Figura 4.34.
4.5.2 – Condutividade elétrica para solubilizações a 550 oC
Da mesma forma que os corpos de provas solubilizados a 580 oC (Tabela 4.17),
os corpos de prova solubilizados a 550 oC apresentaram condutividade elétrica abaixo
do especificado por norma, como pode ser verificado na Figura 4.36.
97
Tabela 4.16 – Condutividade corpos de
prova solubilizados a 580 οC, antes e
após Precipitação Artificial.
Cond. Elétrica (%IACS)
Dias Env. Antes
Após
∆%
382
49,3
49,6
0,6
347
48,9
49,0
0,2
297
49,6
49,6
0,0
290
49,2
50,3
2,2
250
49,5
49,8
0,6
240
49,1
50,2
2,2
229
49,1
49,9
1,5
210
49,5
49,5
0,1
192
49,5
49,9
0,8
177
49,2
49,5
0,8
142
49,0
49,9
1,7
126
49,5
49,7
0,4
91
49,0
49,9
1,8
84
49,3
50,6
2,5
61
49,2
50,3
2,2
44
49,3
49,9
1,2
23
49,3
50,6
2,5
4
49,3
50,4
2,0
1
49,3
50,5
2,4
Figura 4.34 – Condutividade para corpos de prova
solubilizados a 580 oC, antes e após precipitação
artificial.
Figura 4.35 – Variação relativa da Cond. Elétrica
após
tratamento
de
precipitação,
para
solubilizações a 580 oC.
98
Tabela 4.17 – Condutividade corpos de
prova solubilizados a 550 οC, antes e
após Precipitação Artificial.
Cond. Elétrica (%IACS)
Dias Env. Antes
Após
∆%
365
49,1
50,1
2,1
344
49,5
50,2
1,4
329
49,5
50,3
1,8
311
49,4
50,2
1,6
293
49,4
50,3
1,9
276
49,4
50,1
1,3
242
49,3
50,1
1,6
234
49,8
50,3
1,0
211
49,8
50,2
0,8
194
50,1
50,1
0,2
172
49,3
50,1
1,6
153
48,9
50,2
2,5
136
49,3
50,1
1,7
125
49,5
49,6
0,1
82
49,9
49,8
-0,2
72
49,4
50,1
1,5
52
49,1
50,1
2,0
23
49,1
50,2
2,3
1
49,9
51,0
2,2
Figura 4.36 – Condutividade para corpos de prova
solubilizados a 550 oC, antes e após precipitação
artificial.
Figura 4.37 – Variação relativa da Cond. Elétrica
após
tratamento
de
precipitação,
para
solubilizações a 550 oC.
99
4.5.3 – Condutividade elétrica para solubilizações a 520 oC
A condutividade elétrica medida nos corpos de prova solubilizados a 520 ºC e
precipitados
artificialmente
(Tabela
4.18)
apresentou
b
boa
correlação
log-log,
2
apresentando uma curva do tipo y = a x , com correlação R = 0,9591.
Para este tipo de tratamento de solubilização os corpos de prova atenderam a
norma NBR 5285, para amostras envelhecidas em até 56 dias, a partir deste momento
as amostras não atendem mais a especificação. Portanto, o tempo máximo de
envelhecimento natural deve ser próximo de 60 dias, com o risco de não se atender
mais a especificação de condutividade elétrica da liga (Figura 4.38).
4.5.4 – Condutividade elétrica para solubilizações a 480 oC
Os corpos de prova solubilizados a 480 oC apresentaram boa condutividade
elétrica (Tabela 4.19), sendo que quase a totalidade das amostras que foram
precipitadas por 2 horas a 170 oC apresentaram condutividade elétrica acima da
especificação de 52,5% IACS, como pode ser visto pelo gráfico da Figura 4.40. Este
fato ocorreu, porque grande parte dos precipitados se encontram sob a forma da fase
Mg2Si grandes e incoerentes. Podemos concluir, portanto que solubilizações a
temperaturas menores ocasionam maior condutividade elétrica.
4.5.5 – Condutividade elétrica para solubilizações a 450 oC
Os maiores valores de condutividade elétrica foram encontrados para os
corpos de prova solubilizados a 450 oC (Tabela 4.20), com uma média de 55,7% IACS
após precipitação artificial, bem acima dos 52,5% especificados pela norma. Porém os
valores antes e após o tratamento de precipitação artificial praticamente não se
alteraram, como pode ser visto pela Figura 4.42.
100
Tabela 4.18 – Condutividade corpos de
prova solubilizados a 520 οC, antes e
após Precipitação Artificial.
Cond. Elétrica (%IACS)
Dias Env.
Antes
Após
∆%
364
49,6
49,9
0,6
339
49,8
50,1
0,5
319
49,9
50,0
0,3
308
49,7
49,9
0,3
289
50,0
50,4
0,8
271
49,6
50,3
1,5
256
49,4
50,3
1,8
238
49,8
50,6
1,5
221
49,7
50,5
1,7
204
49,9
50,7
1,6
170
49,9
50,8
1,7
140
49,8
50,8
2,0
123
50,2
50,8
1,2
102
50,4
50,9
1,0
83
50,2
51,8
3,2
56
50,4
52,5
4,2
34
50,6
52,5
3,6
6
50,4
55,3
9,7
Figura 4.38 – Condutividade Elétrica para corpos
de prova solubilizados a 520 oC, antes e após
precipitação artificial.
Figura 4.39 – Variação relativa da Cond. Elétrica
após
tratamento
de
precipitação,
para
o
solubilizações a 520 C.
101
Tabela 4.19 – Condutividade corpos de
prova solubilizados a 480 οC, antes e
após Precipitação Artificial.
Cond. Elétrica (%IACS)
Dias Env.
Antes
Após
∆%
360
53,2
54,6
2,7
350
51,8
55,0
6,3
340
52,5
54,7
4,1
310
52,6
53,8
2,3
292
51,2
54,0
5,4
277
53,2
55,6
4,6
242
52,9
54,3
2,6
225
53,3
55,3
3,8
191
53,3
55,8
4,6
161
52,7
53,4
1,2
144
52,6
53,3
1,3
123
51,7
52,4
1,3
104
51,9
53,0
2,0
77
52,2
53,2
1,8
55
52,7
53,6
1,7
27
53,3
53,5
0,4
8
53,2
53,5
0,6
7
53,5
53,9
0,8
Figura 4.40 – Condutividade Elétrica para corpos
de prova solubilizados a 480 oC, antes e após
precipitação artificial.
Figura 4.41 – Variação relativa da Cond. Elétrica
após
tratamento
de
precipitação,
para
solubilizações a 480 oC.
102
Tabela 4.20 – Condutividade corpos de
prova solubilizados a 450 οC, antes e
após Precipitação Artificial.
Cond. Elétrica (%IACS)
Dias Env. Antes PP Após PP
∆%
365
55,5
55,7
0,4
354
56,0
55,8
-0,4
335
55,7
55,9
0,3
317
55,6
56,1
0,9
302
55,6
56,0
0,7
284
55,8
56,7
1,7
267
55,6
56,0
0,9
250
56,5
56,1
-0,6
214
55,9
55,9
0,1
207
55,5
55,4
-0,2
167
54,9
55,3
0,7
146
54,6
54,2
-0,8
127
54,9
55,0
0,2
100
55,1
55,3
0,4
78
55,4
55,4
0,0
50
55,8
56,2
0,8
30
55,4
56,2
1,4
2
55,5
55,7
0,2
Figura 4.42 – Condutividade Elétrica para corpos
de prova solubilizados a 450 oC, antes e após
precipitação artificial.
Figura 4.43 – Variação relativa da Cond. Elétrica
após
tratamento
de
precipitação,
para
o
solubilizações a 450 C.
103
4.5.6 – Condutividade elétrica para solubilizações a 520 oC + 5 min a 170 oC
Os corpos de prova solubilizados a 520 oC e precipitados por 5 minutos logo após
a solubilização apresentaram condutividade elétrica abaixo da especificação, como
pode ser visto na Figura 4.44 e na Tabela 4.21.
Tabela 4.21 – Condutividade corpos de
prova solubilizados a 520 οC + 5 min a
170 oC, antes e após Precipitação
Artificial.
Cond. Elétrica (%IACS)
Dias Env. Antes
Após
∆%
393
49,9
50,2
0,6
364
50,3
51,0
1,4
351
50,7
51,1
0,7
336
50,6
51,1
0,9
317
50,5
51,6
2,2
296
51,0
51,5
1,1
249
51,0
51,5
0,9
241
50,7
52,1
2,7
220
50,9
51,9
1,9
203
50,9
51,9
2,2
182
51,0
51,5
1,0
163
51,2
51,7
1,0
136
51,2
51,5
0,7
113
50,2
51,7
3,0
85
50,9
51,5
1,3
65
50,2
51,7
2,8
49
49,6
50,7
2,2
15
50,3
51,6
2,6
1
50,6
51,9
2,6
Figura 4.44 – Condutividade Elétrica para corpos
de prova solubilizados a 520 oC + 5 min a 170 oC,
antes e após precipitação artificial.
Figura 4.45 – Variação relativa da Cond. Elétrica
após
tratamento
de
precipitação,
para
solubilizações a 520 oC + 5 min a 170 oC.
104
4.5.7 – Evolução da Condutividade Elétrica
Figura 4.46 – Evolução da Condutividade Elétrica nas amostras solubilizadas a
várias temperaturas e envelhecidas naturalmente.
Figura 4.47 – Condutividade Elétrica da liga envelhecida naturalmente e
precipitada artificialmente.
105
4.6 – Alongamento.
4.6.1 – Alongamento para solubilizações a 580 oC
O alongamento nos corpos de prova solubilizados a 580
o
C (Tabela 4.22)
apresenta uma ligeira tendência de queda com o tempo, conforme pode ser visto nas
Figuras 4.48 e 4.49. Porém apresenta alongamentos maiores que 20% após 380 dias
de envelhecimento natural. Pela prática industrial, estas peças podem ser trabalhadas
com facilidade sem se quebrarem, neste nível de alongamento.
Quando ocorre a precipitação artificial este alongamento se reduz para uma média
de 16,1%. Isto indica que mesmo após 360 dias de envelhecimento natural os corpos
de prova ainda estão com bom nível de solubilização.
4.6.2 – Alongamento para solubilizações a 550 oC
Após 365 dias as amostras solubilizadas a 550 oC (Tabela 4.23) apresentavam
alongamentos maiores que 21%, indicando que podem ser trabalhadas com facilidade
(Figura 4.50). Após serem precipitadas apresentaram um alongamento médio de 19,1%
(Figura 4.51).
4.6.3 – Alongamento para solubilizações a 520 oC
Para corpos de prova solubilizados a 520 oC, o alongamento apresentou níveis
bem inferiores aos das amostras anteriores precipitadas artificialmente com
envelhecimento máximo de até 83 dias, como pode ser visto na Figura 4.52. Isto indica
que solubilizações na temperatura de 520 oC com tempos de envelhecimento máximo
de 83 dias antes da precipitação artificial, promovem uma precipitação mais efetiva que
amostras solubilizadas a 550 oC e 580 oC.
A curva de variação do alongamento antes e após a precipitação artificial
apresentou tendência logarítmica, com R2 = 0,87, Figura 4.53.
106
Tabela 4.22 – Alongamento para corpos
de prova solubilizados a 580 οC, antes e
após Precipitação Artificial.
Alongamento (%)
Dias Env.
Antes
Após
∆%
382
22,4
16,5
-26,2
347
20,4
16,4
-19,6
297
22,4
16,8
-25,0
290
22,8
15,6
-31,6
250
22,3
16,0
-28,1
240
22,3
16,0
-28,1
229
22,3
16,4
-26,3
210
20,4
17,9
-12,4
192
21,9
16,5
-24,4
177
22,0
16,4
-25,5
159
23,5
16,8
-28,4
142
22,0
15,6
-29,1
126
22,3
15,7
-29,3
91
21,3
16,5
-22,8
84
21,7
15,1
-30,7
61
22,1
15,9
-28,3
44
23,3
15,5
-33,7
23
23,5
16,5
-29,5
4
23,3
15,9
-32,0
1
24,0
14,4
-40,0
Figura 4.48 – Alongamento para corpos de prova
solubilizados a 580 oC, antes e após precipitação
artificial.
Figura 4.49 – Variação relativa do Alongamento
após
tratamento
de
precipitação,
para
o
solubilizações a 580 C.
107
Tabela 4.23 – Alongamento para corpos
de prova solubilizados a 550 οC, antes e
após Precipitação Artificial.
Alongamento (%)
Dias Env.
Antes
Após
∆%
365
21,9
17,5
-20,1
344
21,1
18,5
-12,0
329
22,1
19,1
-13,9
311
22,3
17,9
-19,8
293
23,2
17,1
-26,4
276
22,7
18,7
-17,6
242
21,9
18,9
-13,4
234
23,1
18,9
-17,9
211
22,3
18,0
-19,2
194
22,7
19,9
-12,4
172
23,5
20,1
-14,2
153
24,1
19,2
-20,4
136
23,6
21,5
-9,0
125
24,0
19,2
-20,0
103
24,0
20,9
-12,8
82
24,3
19,8
-18,4
72
22,9
19,3
-15,7
52
23,6
18,1
-23,2
23
24,1
17,3
-28,2
1
24,4
21,5
-12,0
Figura 4.50 – Alongamento para corpos de prova
solubilizados a 550 oC, antes e após precipitação
artificial.
Figura 4.51 – Variação relativa do Alongamento
após
tratamento
de
precipitação,
para
o
solubilizações a 550 C.
108
Tabela 4.24 – Alongamento para corpos
de prova solubilizados a 520 οC, antes e
após Precipitação Artificial.
Alongamento (%)
Dias Env.
Antes
Após
∆%
364
21,6
19,2
-11,1
339
20,9
19,9
-5,1
329
21,6
19,1
-11,7
308
22,1
18,5
-16,3
289
21,9
19,9
-9,1
271
21,2
18,8
-11,3
256
21,5
20,3
-5,6
238
21,2
19,2
-9,4
221
22,0
19,6
-10,9
204
20,4
19,6
-3,9
170
20,5
16,8
-18,2
140
22,1
18,2
-17,8
123
22,8
16,9
-26,0
102
23,5
20,7
-11,9
83
23,5
13,7
-41,5
56
23,1
11,7
-49,1
34
23,6
12,5
-46,9
6
21,1
6,5
-69,0
Figura 4.52 – Alongamento para corpos de prova
solubilizados a 520 oC, antes e após precipitação
artificial.
Figura 4.53 – Variação relativa do Alongamento
após
tratamento
de
precipitação,
para
o
solubilizações a 520 C.
109
4.6.4 – Alongamento para solubilizações a 480 oC
O alongamento para os corpos de prova solubilizados a 480 oC (Tabela 4.25)
apresentou uma média de 15,7% para as amostras envelhecidas naturalmente,
indicando que estas amostras possuem menor capacidade de conformação a frio, do
que as amostras solubilizadas a 520 oC, 550 oC e 580 oC (Figura 4.54). Este fato se
deve à estrutura interna da liga, que possui grandes precipitados da fase β, Mg2Si, que
fragilizam o corpo de prova. Após a precipitação artificial este alongamento caiu em
média para 8,5% (Figura 4.54).
4.6.5 – Alongamento para solubilizações a 450 oC
As amostras solubilizadas a 450 oC (Tabela 4.26) envelhecidas naturalmente
apresentaram alongamento médio de 14,8% e após precipitadas artificialmente por 2
horas a 170 oC apresentaram alongamento de 10,0 %, uma redução média de 32,6%
(Figura 4.56).
Este valor de alongamento indica que esta liga apresenta menor capacidade de
transformação mecânica que as ligas solubilizadas em temperaturas mais altas.
4.6.6 – Alongamento para solubilizações a 520 oC + 5 min a 170 oC
O comportamento dos corpos solubilizados a 520 oC e pré-envelhecidos por 5 min
a 170 oC (Tabela 4.27) apresentaram um alongamento médio de 22,1% com uma
tendência de redução deste valor com o tempo (Figura 4.58). Este valor indica uma boa
capacidade de trabalho a frio e esta liga não deve ter problemas para ser trefilada.
Após a precipitação por 2 horas a 170 oC o alongamento se estabilizou próximo de
18% após 25 dias.
110
Tabela 4.25 – Alongamento para corpos
de prova solubilizados a 480 οC, antes e
após Precipitação Artificial.
Alongamento (%)
Antes
Após
∆%
360
17,1
7,2
-57,8
350
16,7
6,9
-58,4
340
15,1
6,5
-56,6
310
16,7
10,9
-34,4
292
15,9
6,9
-56,3
277
16,5
5,6
-66,1
242
13,9
9,2
-33,7
225
15,2
6,3
-58,8
191
14,3
5,9
-58,9
161
15,3
4,1
-73,0
144
15,3
10,3
-33,0
123
16,7
11,6
-30,4
104
16,1
10,4
-35,5
77
15,7
10,5
-33,1
55
13,4
8,9
-33,2
27
15,9
11,3
-28,6
8
16,3
11,2
-31,1
7
17,3
10,0
-42,3
Dias Env.
Figura 4.54 – Alongamento para corpos de prova
solubilizados a 480 oC, antes e após precipitação
artificial.
Figura 4.55 – Variação relativa do Alongamento
após
tratamento
de
precipitação,
para
o
solubilizações a 480 C.
111
Tabela 4.26 – Alongamento para corpos
de prova solubilizados a 450 οC, antes e
após Precipitação Artificial.
Alongamento (%)
Dias Env.
Antes
Após
∆%
365
13,9
10,3
-26,0
354
14,5
11,6
-20,2
335
16,4
11,7
-28,5
317
13,7
9,9
-28,1
302
14,9
9,2
-38,2
284
14,1
9,9
-30,0
267
13,9
10,1
-26,9
250
13,6
9,1
-33,3
214
14,0
8,1
-41,9
207
15,5
10,5
-31,9
167
15,2
8,5
-43,9
146
16,1
11,2
-30,6
127
13,3
9,1
-32,0
100
13,5
8,0
-40,6
78
14,5
8,7
-40,4
50
16,1
10,0
-38,0
30
15,5
10,7
-31,0
2
17,9
13,3
-25,4
Figura 4.56 – Alongamento para corpos de prova
solubilizados a 450 oC, antes e após precipitação
artificial.
Figura 4.57 – Variação relativa do Alongamento
após
tratamento
de
precipitação,
para
solubilizações a 450 oC.
112
Tabela 4.27 – Alongamento para corpos
de prova solubilizados a 520 οC + 5 min a
antes e após Precipitação
170 oC,
Artificial
Alongamento (%)
Dias Env.
Antes
Após
∆%
404
21,6
18,1
-16,0
393
21,6
18,1
-16,1
364
20,5
17,0
-17,0
351
19,9
17,5
-12,0
336
20,7
17,9
-13,5
317
21,1
16,9
-19,6
296
21,6
16,7
-22,8
249
19,7
18,1
-8,4
241
21,6
16,5
-23,5
220
22,5
17,1
-24,3
203
23,5
19,5
-17,0
182
22,7
19,7
-13,2
163
22,3
18,7
-16,4
136
22,8
19,9
-12,6
113
23,5
18,7
-20,2
85
23,1
17,9
-22,3
65
24,0
18,4
-23,3
49
23,5
18,4
-21,6
15
23,4
16,0
-31,6
1
23,2
12,9
-44,3
Figura 4.58 – Alongamento para corpos de prova
solubilizados a 520 oC + 5 min a 170 oC, antes e
após precipitação artificial.
Figura 4.59 – Variação relativa do Alongamento
após
tratamento
de
precipitação,
para
solubilizações a 520 oC + 5 min a 170 oC.
113
4.6.7 – Evolução do Alongamento
De uma forma geral, podemos ver pela Figura 4.60 (foram inseridas linhas de
tendência linear nestas curvas), que o alongamento para os corpos de prova
solubilizados acima da temperatura de 480 oC, tendem a cair ligeiramente com o tempo;
Ficando, porém, acima de 20% para tempos de até 365 dias, o que significa que estas
ligas tem uma boa capacidade de conformação mecânica e não devem ter problemas
durante trefilação.
Já as ligas solubilizadas a temperaturas mais baixas, 480
o
C e 450
o
C,
apresentam baixo alongamento, Figura 4.60, e não devem ter uma boa performance
durante trefilação, devido a este baixo alongamento.
Figura 4.60 – Evolução do Alongamento nas amostras solubilizadas a várias
temperaturas e envelhecidas naturalmente.
114
Figura 4.61 – Limite de Escoamento da liga envelhecida naturalmente e precipitada
artificialmente.
4.7 – Microdureza Vickers
4.7.1 – Microdureza Vickers para solubilizações a 580 oC
Na Tabela 4.28 é mostrado o valor médio de cinco medidas de microdureza para
amostras da liga 6101 em vários tempos de envelhecimento natural e nas amostras
envelhecidas naturalmente e precipitadas artificialmente por 2 horas a 170 oC.
Podemos notar pelo gráfico da Figura 4.62, que existe uma pequena tendência da
microdureza Vickers aumentar com o passar do tempo nas amostras envelhecidas
naturalmente.
Após a precipitação artificial por 2 horas a 170 oC houve um aumento médio de
27,6% na microdureza Vickers para estes corpos de prova.
115
Tabela 4.28 - Microdureza Vickers para
corpos de prova solubilizados a 580 οC,
antes e após Precipitação Artificial.
Dias
250
210
177
142
91
61
44
23
4
1
Microdureza Vickers (HV)
Antes
Após
63,4
77,2
65,5
76,9
64,5
79,8
59,4
79,6
62,1
81,0
59,5
80,3
60,7
74,0
56,7
80,8
61,1
74,3
57,4
73,2
∆%
21,8
17,4
23,7
34,0
30,3
35,0
21,9
42,5
21,6
27,5
Figura 4.62 – Microdureza Vickers para corpos de
prova solubilizados a 580 oC, antes e após
precipitação artificial.
4.7.2 – Microdureza Vickers para solubilizações a 550oC
Tabela 4.29 – Microdureza Vickers para
corpos de prova solubilizados a 550 οC,
antes e após Precipitação Artificial.
Dias
405
365
311
242
194
136
103
72
52
23
Microdureza Vickers (HV)
Antes
Após
65,7
67,6
65,6
76,4
65,2
78,1
65,1
79,3
64,1
75,6
60,4
70,9
63,7
75,1
62,4
76,6
64,9
81,3
61,0
86,0
∆%
2,9
16,4
19,7
21,9
18,0
17,3
17,9
22,7
25,2
40,9
Figura 4.63 – Microdureza Vickers para corpos de
prova solubilizados a 550 oC, antes e após
precipitação artificial.
116
Para solubilizações a 550 oC, os dados se encontram, na Tabela 4.29. Parece
existir uma tendência da microdureza Vickers não aumentar significativamente após
tratamento de precipitação artificial para tempos de envelhecimentos longos (405 dias).
4.7.3 – Microdureza Vickers para solubilizações a 520 oC
Para solubilizações a 520 oC, as amostras envelhecidas naturalmente em até 83
dias e precipitadas artificialmente por 2 horas a 170 oC apresentaram os maiores
valores de microdureza Vickers, com média de 88,5 HV, como pode ser observado no
gráfico da Figura 4.64. Porém após este envelhecimento a microdureza caí para níveis
inferiores a 75 HV. Desta forma, o tempo máximo de envelhecimento natural para ligas
solubilizadas a 520 oC é de 83 dias, quando o interesse é somente a microdureza.
Estes dados são semelhantes aos encontrados quando a análise é feita em cima do
LRT e LE, conforme Tabela 4.30 e Figura 4.64.
Tabela 4.30 – Microdureza Vickers para
corpos de prova solubilizados a 520 οC,
antes e após Precipitação Artificial.
Dias
329
271
238
204
170
123
83
56
34
6
Microdureza Vickers (HV)
Antes
Após
71,7
75,6
67,5
69,2
64,6
72,0
66,7
72,6
64,6
74,1
62,9
70,9
64,0
89,5
60,6
88,2
62,5
87,1
59,0
89,4
∆%
5,5
2,5
11,5
8,8
14,7
12,7
39,9
45,6
39,3
51,6
Figura 4.64 – Microdureza Vickers para corpos de
prova solubilizados a 520 oC, antes e após
precipitação artificial.
117
4.7.4 – Microdureza Vickers para solubilizações a 480 oC
Para solubilizações realizadas a 480 oC houve um aumento médio de 38% após
tratamento de precipitação artificial, saindo de 53,2 HV para 73,5 HV , como pode ser
visto na Tabela 4.31 e na Figura 4.65.
Para solubilizações realizadas a 450 oC apresentaram uma média de 43 HV antes
e 53 HV após tratamento de precipitação artificial por 2 horas a 170 oC, significando um
aumento médio de 23%. Estas amostras apresentaram a menor dureza de todas, o que
é explicado pela presença de precipitados incoerentes em sua estrutura.
Para corpos de prova solubilizados a 520 oC e pré-envelhecidos por 5 min a 170
o
C, houve um ganho médio de 18,6%, saindo de 69,16 HV para amostras envelhecidas
naturalmente para 82 HV para amostras precipitadas artificialmente, como pode ser
visto na Tabela 4.33 e Figura 4.67.
Tabela 4.31 – Microdureza Vickers para
corpos de prova solubilizados a 480 οC,
antes e após Precipitação Artificial.
Microdureza Vickers (HV)
Dias
Antes
Após
350
59,6
85,9
292
56,7
77,5
259
56,4
66,6
225
55,3
77,7
191
48,6
77,7
144
52,2
70,6
104
54,4
68,1
77
55,5
76,6
27
43,3
69,6
7
49,9
65,0
Média
53,2
73,5
∆%
44,0
36,7
18,0
40,5
59,8
35,3
25,1
38,0
60,8
30,1
38
Figura 4.65 – Microdureza Vickers para corpos de
prova solubilizados a 480 oC, antes e após
precipitação artificial.
118
4.7.5 – Microdureza Vickers para solubilizações a 450 oC
Tabela 4.32 – Microdureza Vickers para
corpos de prova solubilizados a 450 οC,
antes e após Precipitação Artificial.
Microdureza Vickers (HV)
Dias
Antes
Após
365
47
59
335
47
57
284
43
52
214
39
55
167
47
62
127
47
58
78
48
58
50
37
41
30
38
45
2
37
43
Média
43
53
∆%
24,9
20,8
20,6
42,6
32,9
23,6
21,5
9,5
19,6
15,1
23
Figura 4.66 – Microdureza Vickers para corpos de
prova solubilizados a 450 oC, antes e após
precipitação artificial.
4.7.6 – Microdureza Vickers para solubilizações a 520 oC + 5 min a 170 oC
Tabela 4.33 – Microdureza Vickers para
corpos de prova solubilizados a 520 οC + 5
min 170 oC, antes e após Precipitação
Artificial.
Microdureza Vickers (HV)
Dias
Antes
Após
364
70,36
80,52
336
70,88
92,26
296
69,94
77,74
241
69,34
79,06
182
68,22
79,16
136
67,68
77,06
113
71,32
81,16
85
66,66
88,8
65
72,48
82,62
49
64,78
81,8
Média
69,16
82
∆%
14,4
30,2
11,2
14,0
16,0
13,9
13,8
33,2
14,0
26,3
18,6
Figura 4.67 – Microdureza Vickers para corpos de
prova solubilizados a 520 oC + 5 min a 170 oC,
antes e após precipitação artificial.
119
4.8 – Coeficiente de Encruamento (n)
Ao estudarmos o Coeficiente de Encruamento (n) para as ligas de alumíniomagnésio-silício, 6101, foi verificado que o mesmo se reduz após a precipitação
artificial, como pode ser visto no gráfico de Tensão versus Deformação Real na Figura
4.68 abaixo, tomando como exemplo uma liga solubilizada a 550 oC.
Existe uma ligeira tendência de queda do Coeficiente Encruamento (n) nas
solubilizações realizadas a 580 oC, 550 oC, 520 oC, 480 oC e 520 oC + 5 min a 170 oC e
envelhecidas naturalmente, como pode ser visto nas Figuras 4.69, 4.71, 4.73, 4.75, 4.77
e 4.79.
Observando a evolução do Coef. de Encruamento para as ligas solubilizadas e
envelhecidas naturalmente (Figura 4.81), nota-se que as ligas solubilizadas a 480 oC e
450 oC apresentam os maiores valores do Coef. de Encruamento (n), diferenciando-se
das curvas das amostras solubilizadas a 520 oC, 550 oC e 580 oC e indicando que as
amostras solubilizadas nas temperaturas de 480
o
C e 450
o
C não terão bom
comportamento durante a trefilação, ou seja, ocorrerá muitas quebras durante a
trefilação.
Figura 4.68 – Curva Tensão vs Deformação Real para uma liga 6101 solubilizada a 550
o
C, antes e após a precipitação artificial.
120
4.8.1 – Coeficiente de Encruamento para solubilizações a 580oC
Tabela 4.34 – Coef. Encruamento para
corpos de prova solubilizados a 580 οC,
antes e após Precipitação Artificial.
Coef. de Encruamento
Dias Env.
Antes
Após
∆%
382
0,39
0,34
-13,0
347
0,38
0,36
-7,4
297
0,38
0,35
-8,8
290
0,39
0,32
-17,6
250
0,41
0,29
-28,7
240
0,44
0,27
-37,4
229
0,40
0,30
-25,6
210
0,42
0,32
-22,3
192
0,40
0,30
-24,5
177
0,42
0,31
-25,9
159
0,40
0,30
-25,1
142
0,40
0,29
-28,8
126
0,42
0,29
-31,0
91
0,41
0,29
-30,0
84
0,42
0,27
-35,0
61
0,42
0,27
-35,0
44
0,40
0,28
-31,2
23
0,41
0,28
-33,0
4
0,42
0,29
-30,6
1
0,43
0,28
-35,8
Figura 4.69 – Coef. de Encruamento para corpos
de prova solubilizados a 580 oC, antes e após
precipitação artificial.
Figura 4.70 – Variação relativa do Coef. de
Encruamento após tratamento de precipitação,
para solubilizações a 580 oC.
121
4.8.2 – Coeficiente de Encruamento para solubilizações a 550 oC
Tabela 4.35 – Coef. Encruamento para
corpos de prova solubilizados a 550 οC,
antes e após Precipitação Artificial.
Coef. de Encruamento
Dias Env.
Antes
Após
∆%
365
0,38
0,32
-16,7
344
0,39
0,32
-19,0
329
0,39
0,32
-17,0
311
0,40
0,31
-23,6
293
0,41
0,30
-26,0
276
0,40
0,30
-25,1
242
0,41
0,31
-24,4
234
0,39
0,32
-18,3
211
0,41
0,31
-24,1
194
0,39
0,32
-18,6
172
0,41
0,31
-24,8
153
0,41
0,31
-25,1
136
0,41
0,33
-17,4
125
0,40
0,30
-25,7
103
0,40
0,32
-19,6
82
0,41
0,31
-22,9
72
0,42
0,32
-24,4
52
0,42
0,32
-25,1
23
0,42
0,30
-29,5
1
0,42
0,34
-18,4
Figura 4.71 – Coef. de Encruamento para corpos
de prova solubilizados a 550 oC, antes e após
precipitação artificial.
Figura 4.72 – Variação relativa do Coef. de
Encruamento após tratamento de precipitação,
para solubilizações a 520 oC.
122
4.8.3 – Coeficiente de Encruamento para solubilizações a 520 oC
Tabela 4.36 – Coef. Encruamento para
corpos de prova solubilizados a 520 οC,
antes e após Precipitação Artificial.
Coef. de ncruamento
Dias Env.
Antes
Após
∆%
364
0,38
0,3
-9,5
339
0,41
0,33
-20,8
319
0,39
0,33
-16,1
308
0,40
0,33
-17,2
289
0,40
0,32
-20,8
271
0,40
0,33
-18,4
256
0,40
0,33
-16,2
238
0,40
0,32
-20,2
221
0,39
0,33
-15,8
204
0,42
0,32
-23,9
170
0,41
032
-22,8
140
0,41
0,33
-19,2
123
0,40
0,32
-19,8
102
0,40
0,31
-21,7
83
0,40
0,23
-42,3
56
0,40
0,21
-47,2
34
0,42
0,23
-46,1
6
0,42
0,41
-1,2
Figura 4.73 – Coef. de Encruamento para corpos
de prova solubilizados a 520 oC, antes e após
precipitação artificial.
Figura 4.74 – Variação relativa do Coef. de
Encruamento após tratamento de precipitação,
para solubilizações a 520 oC.
123
4.8.4 – Coeficiente de Encruamento para solubilizações a 480 oC
Tabela 4.37 – Coef. Encruamento para
corpos de prova solubilizados a 480 οC,
antes e após Precipitação Artificial.
Coef. de Encruamento
Antes
Após
∆%
360
0,43
0,22
-48,5
350
0,42
0,18
-57,4
340
0,44
0,24
-45,4
310
0,44
0,25
-43,0
292
0,42
0,20
-52,0
277
0,44
0,24
-45,1
242
0,43
0,24
-43,7
225
0,43
0,23
-47,7
191
0,46
0,23
-50,1
161
0,44
0,30
-31,9
144
0,44
0,29
-35,3
123
0,42
0,27
-35,0
104
0,42
0,27
-35,5
77
0,43
0,26
-39,5
55
0,44
0,26
-42,0
27
0,45
0,34
-23,6
8
0,46
0,31
-32,1
7
0,45
0,29
-36,6
Dias Env.
Figura 4.75 – Coef. de Encruamento para corpos
de prova solubilizados a 480 oC, antes e após
precipitação artificial.
Figura 4.76 – Variação relativa do Coef. de
Encruamento após tratamento de precipitação,
para solubilizações a 480 oC.
124
4.8.5 – Coeficiente de Encruamento para solubilizações a 450 oC.
Tabela 4.38 – Coef. Encruamento para
corpos de prova solubilizados a 450 οC,
antes e após Precipitação Artificial.
Coef. de Encruamento
Dias Env.
Antes
Após
∆%
365
0,49
0,42
-15,1
354
0,47
0,40
-15,8
335
0,46
0,38
-17,1
317
0,49
0,47
-3,6
302
0,48
0,44
-102
284
0,49
0,46
-6,1
267
0,48
0,42
-13,3
250
0,49
0,42
-14,0
214
0,47
0,43
-8,6
207
0,47
0,39
-17,6
167
0,47
0,32
-31,4
146
0,44
0,35
-20,6
127
0,47
0,39
-17,4
100
0,47
0,37
-20,3
78
0,48
0,38
-19,7
50
0,46
0,45
-1,7
30
0,47
0,43
-7,9
2
0,47
0,45
-5,7
Figura 4.77 – Coef. de Encruamento para corpos
de prova solubilizados a 450 oC, antes e após
precipitação artificial.
Figura 4.78 – Variação relativa do Coef. de
Encruamento após tratamento de precipitação,
para solubilizações a 450 oC.
125
4.8.6 – Coeficiente de Encruamento para solubilizações a 520 oC + 5 min a
170 oC
Tabela 4.39 – Coef. Encru. para corpos de
prova solubilizados a 520 οC + 5 min 170
o
C, antes e após Precipitação Artificial.
Coef. de Encruamento
Dias Env.
Antes
Após
∆%
404
0,38
0,30
-2,3
393
0,38
0,30
-20,0
364
0,39
0,29
-25,5
351
0,38
0,29
-24,2
336
0,38
0,30
-20,5
317
0,38
0,30
-22,6
296
0,39
0,30
-23,4
249
0,39
0,30
-25,2
241
0,39
0,28
-28,3
220
0,39
0,29
-25,9
203
0,39
0,29
-25,1
182
0,39
0,29
-24,6
163
0,39
0,28
-27,3
136
0,40
0,29
-27,6
113
0,43
0,30
-30,7
85
0,41
0,29
-28,8
65
0,44
0,28
-35,2
49
0,42
0,29
-31,5
15
0,43
0,28
-34,4
1
0,45
0,27
-39,8
Figura 4.79 – Coef. de Encruamento para corpos
de prova solubilizados a 520 oC + 5 min a 170 oC,
antes e após precipitação artificial.
Figura 4.80 – Variação relativa do Coef. de
Encruamento após tratamento de precipitação,
para solubilizações a 520 oC + 5 min a 170 oC.
126
4.8.7 – Evolução do Coeficiente de Encruamento
Figura 4.81 – Evolução do Coeficiente de Encruamento nas amostras solubilizadas a
várias temperaturas e envelhecidas naturalmente.
Figura 4.82 – Evolução do Coef. de Encruamento da liga envelhecida naturalmente e
precipitada artificialmente.
127
4.9 – Microscopia Eletrônica.
4.9.1 – Microscopia para solubilizações a 450 oC.
Nas micrografias das Figuras 4.84 e 4.86 aparecem vários pontos escuros, que
provavelmente são partículas de Mg2Si atacados pelo ácido HF , incoerentes com a
matriz de alumínio. A temperatura de 480 oC não foi suficiente para solubilizar as
partículas de Mg2Si e por isto estas amostras apresentam menor LRT e LE.
Fi
gura
4.84
–
Micrografia
MEV
–
Liga
6101
–
Figura 4.83 – Micrografia MEV – Liga 6101
o
o
– solubilizada a 450 C e envelhecida 365 solubilizada a 450 C e envelhecida 365
dias – 5kV – 2500x.
dias – 5kV – 100x.
Figura 4.85 – Micrografia MEV – Liga 6101 Figura 4.86 – Micrografia MEV – Liga 6101
– solubilizada a 450 oC e envelhecida 2 – solubilizada a 450 oC e envelhecida 2
dias – 5kV – 100x
dias – 5kV – 2500x
128
As micrografias das Figuras 4.84 e 4.86 confirmam os dados obtidos pelos
ensaios de tração, dureza e condutividade elétrica, com baixo R.T. e alongamento e alta
condutividade elétrica. Nas Figuras 4.83 e 4.85 são visualizados os tamanhos de grão.
4.9.2 – Microscopia para solubilizações a 480 oC.
Fi
Fi
gura
4.88
–
Micrografia
MEV
–
Liga
6101
gura 4.87 – Micrografia MEV – Liga 6101 –
o
solubilizada a 480 oC e envelhecida 350 – solubilizada a 480 C e envelhecida 350
dias – 5kV – 2.500x.
dias – 5kV – 100x.
Fi
Fi
gura 4.89 – Micrografia MEV – Liga 6101 – gura 4.90 – Micrografia MEV – Liga 6101
o
solubilizada a 480 oC e envelhecida 27 dias – solubilizada a 480 C e envelhecida 27
dias – 5kV – 2500x.
– 5kV – 100x.
129
As micrografias das Figuras 4.88 e 4.90, amostras solubilizadas a 480 oC, são
semelhantes às das Figuras 4.84 e 4.86, amostras solubilizadas a 450 oC, sendo que,
aparentemente, nas micrografias solubilizadas a 480 oC as partículas de Mg2Si são
menos pronunciadas, indicando uma solubilização parcial destas partículas.
4.9.3 – Microscopia para solubilizações a 520oC.
Fi
Fi
gura 4.91 – Micrografia MEV – Liga 6101 – gura 4.92 – Micrografia MEV – Liga 6101 –
solubilizada a 520 oC e envelhecida 271 solubilizada a 520 oC e envelhecida 271
dias – 5kV – 2.500x.
dias – 5kV – 100x.
Fi
Fi
gura 4.93 – Micrografia MEV – Liga 6101 – gura 4.94 – Micrografia MEV – Liga 6101 –
solubilizada a 520 oC e envelhecida 34 solubilizada a 520 oC e envelhecida 34
dias – 5kV – 100x.
dias – 5kV – 2.500x.
130
Já nas Figuras 4.92 e 4.94, amostras solubilizadas a 520 oC, estas partículas
escuras, que achamos ser Mg2Si, praticamente desaparecem, indicando que houve
uma solubilização quase que completa desta fase incoerente com a matriz de alumínio.
Nas Figuras 4.91 e 4.93 podemos ver o tamanho de grão destas amostras.
4.9.4 – Microscopia para solubilizações a 550 oC.
Fi
Fi
gura 4.95 – Micrografia MEV – Liga 6101 – gura 4.96 – Micrografia MEV – Liga 6101 –
solubilizada a 550 oC e envelhecida 311 solubilizada a 550 oC e envelhecida 311
dias – 5kV – 100x.
dias – 5kV – 2.500x.
Figu
Fig
ura 4.97 – Micrografia MEV – Liga 6101 – ra 4.98 – Micrografiao MEV – Liga 6101 –
solubilizada a 550 oC e envelhecida 23 solubilizada a 550 C e envelhecida 23
dias – 5kV – 2.500x.
dias – 5kV – 100x.
131
As micrografias das Figuras 4.96 e 4.98 (amostras solubilizadas a 550 oC) são
semelhantes as micrografias das Figuras 4.92 e 4.94 (amostras solubilizadas a 520 oC),
indicando um alto nível de solubilização.
4.9.5 – Microscopia para solubilizações a 580 oC.
Figu
Figu
ra 4.99 – Micrografia MEV – Liga 6101 – ra 4.100 – Micrografia MEV – Liga 6101 –
solubilizada a 580 oC e envelhecida 250 solubilizada a 580 oC e envelhecida 250
dias – 5kV – 100x.
dias – 5kV – 2.500x.
Figu
Figu
ra 4.101 – Micrografia MEV – Liga 6101 – ra 4.102 – Micrografia MEV – Liga 6101 –
solubilizada a 580 oC e envelhecida 4 dias solubilizada a 580 oC e envelhecida 4 dias
– 5kV – 100x.
– 5kV – 2.500x.
132
Já as Figuras 4.100 e 4.102, micrografia das amostras solubilizadas a 580 oC, são
bastante semelhantes as amostras anteriores, solubilizadas a 520 oC e 550 oC. Pelas
Figuras 4.100 e 4.101 é visto o tamanho de grão das amostras solubilizadas a 580 oC.
4.10 – Discussão dos Resultados.
As amostras solubilizadas a 580 oC e 550 oC apresentaram comportamento muito
semelhante tanto no LRT, LE, Alongamento e Coeficiente de Encruamento, como pode
ser visto pelos resultados obtidos experimentalmente para as amostras envelhecidas
naturalmente.
LRT 580C (MPa) = 184,06 . t 0,0287
LRT 550C (MPa) = 181,73 . t 0,0312
LE 580C (MPa) = 95,71 . t 0,0324
LE 550C (MPa) = 94,92 . t 0,0347
Along 580C (%) = - 0,0039 t + 23,0
Along 550C (%) = - 0,0071 t + 24,4
n 580C = - 9x10-5 t + 0,4238
n 550C = - 8x10-5 t + 0,4192
Para estes resultados de LRT e LE, podemos notar que as amostras solubilizadas
na temperatura de 580 oC apresentaram um índice “a” (y=a.xb) maior do que as
amostras solubilizadas a 550 oC (184,06 > 181,73) e (95,71 > 94,92), esta tendência se
confirmou para temperaturas de solubilização mais baixas. Este fato está relacionado a
uma maior solubilização dos elementos Mg e Si na temperatura de 580 oC do que na
temperatura de 550 oC, ocasionando um maior endurecimento por solução sólida na
temperatura de 580 oC e tempo zero.
O alongamento decresce com o tempo de envelhecimento natural, o que é
esperado, uma vez que após a solubilização inicia-se a precipitação de fases coerentes,
que impedem o movimento das discordâncias, aumentando o LRT e LE e reduzindo o
alongamento. Conforme sequência de precipitação apresentada por Karabay, 2007:
SSSS => aglomerados atômicos => Zonas de Guinier-Preston => β” => β’ => β
(Mg2Si estável).
133
A condutividade elétrica não alcançou o especificado pela norma ABNT NBR 5285
(52,5% IACS min) para duas temperaturas de solubilização (550 oC e 580 oC) após
precipitação artificial por 2 horas a 170 oC. Aumentando-se o tempo ou a temperatura
da precipitação artificial, acreditamos ser possível alcançar esta condutividade elétrica,
pois ocorreria o favorecimento da precipitação de fases menos coerentes com a matriz
de alumínio, menos prejudiciais à condutividade elétrica.
O nível de microdureza Vickers neste conjunto ligas ficou semelhante, com uma
média de 76,7 HV e 77,7 HV, respectivamente para solubilizações a 550 oC e 580 oC.
As ligas solubilizadas na temperatura de 450 oC e 480 oC apresentaram grande
instabilidade nos valores de LRT e LE e baixo níveis de alongamento. Estas amostras
apresentaram as maiores condutividades elétricas, com médias de 55,7 e 54% do IACS
após precipitação artificial, respectivamente.
No processo produtivo dos vergalhões utilizados para a confecção das amostras
deste trabalho, os mesmo resfriam naturalmente após a laminação, alcançando
temperaturas da ordem de 350 oC durante o resfriamento (processo T4).
Neste
momento é favorecida a formação da fase β, Mg2Si grande, estável e incoerente com a
matriz de alumínio.
As temperaturas de solubilização de 450 oC e 480 oC por 40 minutos não foram
suficientes para solubilizar estas fases β (Mg2Si), que permanecem precipitados na
estrutura da liga, como pode ser visto nas micrografias MEV das Figuras 4.84, 4.86,
4.88 e 4.90, acima.
Por este motivo estas amostras apresentaram os menores LRT, antes e após a
precipitação artificial. Antes devido ao fato destas fases não entrarem em solução e não
aumentarem a resistência da liga por solução sólida e após, por não promoverem
precipitados coerentes e endurecedores. Da mesma forma, estas ligas apresentaram as
menores microdurezas, com média de 53HV e 73HV, respectivamente, após
precipitação artificial.
Como as fases de Mg2Si não entraram totalmente em solução sólida na estrutura
cristalina do alumínio, para estas temperaturas de 450 oC e 480 oC, a interferência
destes elementos na condutividade elétrica é menor do que nas amostras solubilizadas
134
em temperaturas superiores, pois estes elementos em solução sólida distorcem a rede
cristalina do alumínio, ocasionando, por este motivo, os menores valores de IACS.
O valor do coeficiente de encruamento (n) determina a habilidade do material ser
estriccionado. Para melhor conformabilidade, um material precisa ser capaz de suportar
maior deformação antes da falha ou, precisa ter a capacidade de resistir a deformação.
Quanto maior o valor de n, maior a resistência à estrição. (OTOMAR, 2010)
Os maiores valores de n foram obtidos para as ligas solubilizadas a 450 oC e 480
o
C de 0,47 e 0,44 respectivamente, contra 0,40 para a solubilização realizada a 520 oC,
indicando que estas ligas apresentariam maiores dificuldades para o trabalho a frio.
Outra variável que indica que a ligas solubilizadas nestas temperaturas terão
dificuldades de conformação, principalmente a trefilação com altas reduções de área, é
o baixo alongamento obtido (14,8% e 15,7% respectivamente, antes da precipitação
artificial).
As amostras solubilizadas a 520
o
C apresentaram curvas com tendências
diferentes das amostras solubilizadas nas outras temperaturas deste trabalho.
Enquanto o grupo de ligas solubilizadas a 450 oC e 480 oC apresentaram boa
condutividade elétrica e pobres propriedades mecânicas e as do grupo solubilizadas a
550 oC e 580 oC apresentaram baixa condutividade elétrica e boas propriedades
mecânicas, a liga solubilizada a 520 oC apresentou boa condutividade elétrica e boas
propriedades mecânicas por um período máximo de até 56 dias após a solubilização e
precipitação artificial. Este fato revela que para atender as especificações da norma
ABNT NBR 5285 é necessário uma temperatura de solubilização de 520 oC, e que o
tratamento de precipitação seja realizado em até aproximadamente 60 dias após a
solubilização.
A máxima dureza nas ligas do sistema Al-Mg-Si é obtida quando a liga contém
uma combinação de pequenas zonas de Guinier-Preston (GP1) com diâmetro
aproximado de 2,5 nm e agulhas da fase β’’, que têm o tamanho típico de 4 nm x 4 nm x
50 nm. Entretanto, o pequeno tamanho dos precipitados β’’, sua baixa fração
volumétrica e sua ocorrência em 24 orientações na matriz de alumínio não permite uma
determinação convencional da estrutura (por exemplo, por Raio X e Difração de
135
Nêutrons). O microscópio convencional de transmissão eletrônica de alta-resolução
(HREM) também não permite detalhes suficientes para elucidar a estrutura e necessita
ser aliado a outras técnicas para melhor resolução dessas fases. (ZANDBERGEN,
1997)
Pelo motivo acima exposto, não foi possível visualizar estas fases no microscópio
eletrônico utilizado neste trabalho e não foi possível fazer uma correlação destas fases
com o comportamento mecânico e elétrico da liga solubilizada a 520 oC. Porém os
resultados práticos são relevantes, uma vez que mostram que para aumentar o tempo
de estocagem desta liga é necessário aumentar a sua condutividade elétrica. Uma
forma de aumentar esta condutividade elétrica é remover do alumínio os residuais dos
elementos de transição V, Ti, Zr e Cr, que são bastante prejudiciais a condutividade
elétrica, através de tratamento com Boro (Karabay, 2007).
Outra revelação importante, é que entre as temperaturas entre 480 oC e 520 oC,
deve existir uma temperatura que proporcione boas propriedades mecânicas e boas
propriedades elétricas, uma vez que a temperatura de 480 oC proporcionou boa
condutividade elétrica, a temperatura de 520 oC proporcionou boa condutividade elétrica
por um período máximo de 56 dias e as temperaturas de 550 oC e 580 oC não
proporcionaram uma boa condutividade elétrica.
A liga solubilizada a 520ºC e pré-envelhecida por 5 minutos a 170 oC apresentou
um LRT médio maior do que as outras solubilizações após a precipitação artificial por 2
horas a 170 oC, com um bom nível de alongamento. A dureza média obtida, também foi
a maior de todas, com 82 HV. Porém este tratamento não atingiu a condutividade
elétrica necessária de 52,5% IACS mínimo exigido por norma. Este tipo de tratamento é
o que apresentou melhores resultados referentes a propriedades mecânicas e pode ser
utilizado para peças que não necessitem de condutividade elétrica.
Este trabalho mostrou que a temperatura de solubilização é de extrema
importância para as propriedades mecânicas e elétricas das ligas de alumínio do
sistema Al-Mg-Si, sendo a sua escolha fundamental para o atendimento da legislação
vigente.
136
CAPÍTULO 5
CONCLUSÕES
- A única condição que atendeu a norma ABNT NBR 5285 para a produção de fios
elétricos para ligas do sistema Al-Mg-Si, foi o tratamento térmico de solubilização a 520
o
C e o tratamento térmico de precipitação em até 56 dias, para a liga estudada. Para
temperaturas de solubilização mais altas os requisitos referentes à Condutividade
Elétrica não foram atendidos. Para temperaturas de solubilização mais baixas os
requisitos referentes às propriedades mecânicas não foram atendidos.
- Amostras solubilizadas a 520 oC após precipitação artificial apresentaram os
mais altos valores de LRT em até 83 dias após a solubilização, com uma média de 255
MPa, neste intervalo, indicando ser uma boa prática solubilizar a liga na temperatura de
520 oC e proceder a precipitação artificial em até 83 dias, para obter-se o maior LRT.
- Amostras solubilizadas a 580 e 550 oC, após serem precipitados artificialmente
por 2 horas a 170 oC, apresentaram uma média de 240 MPa e desvio padrão de 4,8
MPa. Isto mostra que uma amostra envelhecida naturalmente após 365 dias apresenta
um LRT semelhante a uma amostra com poucos dias de envelhecimento, após a
precipitação artificial. Portanto, não é o envelhecimento natural um fator que altere
significativamente o LRT após a precipitação artificial, no período de tempo estudado.
- As amostras solubilizadas na temperatura de 450 oC e 480 oC apresentaram a
maior condutividade elétrica, sempre atendendo a norma NBR 5285 neste requisito,
porém as propriedades mecânicas não foram satisfatórias, com baixo alongamento,
Limite de Resistência à Tração e Limite de Escoamento instáveis e os mais altos
valores do coeficiente de encruamento.
- Alongamentos das ligas solubilizadas em temperaturas acima de 480
o
C
apresentaram-se 20% após 360 dias de envelhecimento natural, o que significa que
podem ser trefiladas sem problema, mesmo para este tempo de envelhecimento
natural.
137
SUGESTÕES PARA PRÓXIMOS TRABALHOS
O estudo acima levou a novos questionamentos, indicando novos caminhos de
pesquisa visando o aumento do tempo limite entre o tratamento de solubilização e o
tratamento de precipitação artificial:
- O principal problema relacionado ao aumento do tempo de estocagem da liga 6101
solubilizada a 520 oC foi relativo à condutividade elétrica. Sugerimos novos estudos em
uma liga 6101, tratada com Boro Alumínio, para reduzir ao máximo os elementos
deletérios à condutividade elétrica, que são: Vanádio, Cromo, Titânio e Zircônio. A liga
estudada não foi tratada com BAl.
- Deve-se fazer novo estudo refinando a temperatura de solubilização entre 480 e 520,
uma vez, que a solubilização na temperatura de 480
o
C apresentou elevada
condutividade elétrica durante todo o envelhecimento natural, porém com baixas
propriedades mecânicas. Já a liga solubilizada a 520 oC apresentou boa condutividade
elétrica por apenas 56 dias e boas propriedades mecânicas por até 83 dias.
- Usar microscópio de transmissão eletrônica (HREM – High Resolution Transmission
Eletron Microscopy), juntamente com outras técnicas para verificar o que motivou o
comportamento diferente das ligas solubilizadas a 520
o
C, uma vez que não
conseguimos visualizar as fases que ocasionaram tal comportamento no Microscópio
Eletrônico de Varredura convencional.
- Fazer EDS (Energy Disperse Spectroscopy) para confirmar precipitados de Mg2Si nas
amostras metalográficas.
138
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