TRATAMENTO TÉRMICO EM LIGAS DE ALUMÍNIO - ENDURECIMENTO POR PRECIPITAÇÃO

1. UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E AERONÁUTICA TRATAMENTO TÉRMICO EM LIGAS DE ALUMÍNIO - ENDURECIMENTO POR PRECIPITAÇÃO Materiais Aeronáuticos Prof. Dr. FERNANDO CRUZ BARBIERI S.J. dos Campos

2. UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 1 – Introdução • O tratamento térmico do alumínio refere-se aos processos básicos de aquecimento e/ou resfriamento controlados do metal, com o principal objetivo de gerar benefícios e melhorar as características metal-mecânicas das peças produzidas em alumínio; • Existem ligas de alumínio que são tratáveis termicamente, geralmente pelos processos de solubilização e posterior envelhecimento, no entanto, nem todas as ligas de alumínio são consideradas termicamente tratáveis para aumento de suas caraterísticas metal-mecânicas; • Existem ligas de alumínio que só aumentam essas características (dureza e resistência, por exemplo) após um algum processo de conformação mecânica e encruamento (laminação é um exemplo de processo); • Pode-se dizer que as ligas tratáveis termicamente são as dos grupos 2XXX, 6XXX, 7XXX e 8XXX e as que só aumentam suas características metal-mecânicas após conformação, as ligas dos grupos 1XXX, 3XXX, 4XXX e 5XXX.

3. UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 2 – Endurecimento por precipitação • O objetivo do endurecimento por precipitação é o de promover a formação de partículas de precipitados no metal alumínio; • As partículas dos precipitados atuam como obstáculos ao movimento das discordâncias, e como conseqüência, aumentam a resistência mecânica da liga tratada termicamente; • O processo de endurecimento por precipitação envolve três passos: Solubilização; Têmpera; Envelhecimento. Planos do solvente Partícula de soluto Precipitado

4. UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 2.1 – Solubilização: • O tratamento térmico de solubilização consiste em aquecer a liga até uma temperatura dentro do campo monofásico e aguardar nessa temperatura até que toda a fase  que está presente seja completamente dissolvida. Esse procedimento é seguido de resfriamento rápido, ou têmpera, até a temperatura ambiente, para prevenir qualquer difusão ou formação da fase  (retida); Campo monofásico 

5. UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 2.1 – Solubilização: • O objetivo da solubilização é por em solução sólida a maior quantidade possível de átomos de soluto, deseja-se dissolver ao máximo possível, todos os elementos presentes na liga de alumínio no próprio alumínio, sendo que este deve permanecer no estado sólido, onde a fusão ou o super aquecimento, mesmo que sejam parciais ou localizados, devem ser evitados. • Essa dissolução dos elementos presentes na liga, leva um determinado tempo, em temperatura, para ser concluída e esse tempo deve ser o suficiente para que também haja a total dissolução de todas as fases do metal (estrutura uniforme e monofásica da solução sólida; • O processo de solubilização é vital para um perfeito envelhecimento posterior e é um fator preponderante para o atigimento das características mecânicas desejadas.  Tempo 1h

6. UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 92,5 m 92,5 m 2.1 – Solubilização: • Solubilização a 5000C e 5900C

7. UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 2.2 – Têmpera: • Logo após a solubilização, em correta temperatura e tempo, o material deve ser temperado, ou seja, resfriado rapidamente; • Esta etapa do processo térmico de solubilização é de suma importância e requer máxima atenção, pois deseja-se que com esse resfriamento rápido, a solução sólida super-saturada, que anteriormente estava em alta temperatura, permaneça idêntica em temperatura ambiente (solução sólida supersaturada de elementos de liga); • O meio usualmente utilizado para temperar (resfriar) o material é a água. O resfriamento ao ar permite a formação de precipitados descontroladamente, não proporcionando a melhor resposta possível, quando realizar o envelhecimento.  

8. UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 2.3 – Envelhecimento: • Logo após a têmpera, inicia-se o processo de envelhecimento, seja ele natural (a temperatura ambiente) ou artificial (a uma temperatura mais elevada e controlada); • O tratamento térmico de envelhecimento consiste em aquecer a liga até uma região intermediária, localizada dentro da região bifásica  + , onde as taxas de difusão se tornam apreciáveis. A fase  precipitada começa a se formarna forma de partículas finamente dispersas com uma composição enriquecida por soluto. Após o tempo de envelhecimento apropriado, a liga é resfriada até a temperatura ambiente

9. UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 2.3 – Envelhecimento: • Este processo de envelhecimento é realizado em temperaturas bem inferiores e em tempos superiores, se comparado ao processo de solubilização; • No processo de envelhecimento natural, além de não se controlar completamente a formação dos precipitados que endurecem o material, os tempos para a geração destes precipitados são mais longos, ou seja, a formação dos precipitados é lenta e demorada, se comparado ao envelhecimento artificial; • Se o processo de envelhecimento (formação de precipitados) não for corretamente controlado pode não se formar a quantidade e a distribuição correta dos precipitados, não se atingindo a resistência desejada, ou também, pode se gerar um excesso no tamanho dos precipitados, fato que também não proporciona as melhores características mecânicas. Este segundo caso, é conhecido como super-envelhecimento. 

10. UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 3 – Liga família 2XXX (2024): • Essa família é indicada para esse tipo de tratamento, pois como o cobre é o principal elemento de liga neste grupo; • Tomaremos como exemplo a liga 2024 (liga do sistema Al-Cu contendo 4,5% de Cu 0u 94,5% de Al); • Possui cerca de 4% de peso na liga, o cobre se solubiliza no alumínio acima de 5150C.

11. UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 3 – Liga família 2XXX (2024):

12. UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 4 – Etapas do tratamento térmico: • A solubilização tem como objetivo solubilizar a fase endurecedora, mantendo a liga em uma condição metaestável. • O envelhecimento tem como objetivo a precipitação controlada da fase endurecedora na matriz previamente solubilizada. A temperatura e o tempo de envelhecimento determinam a mobilidade dos átomos de Cu, que tendem a formar a fase θ.

13. UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 4 – Etapas do tratamento térmico: tempo de envelhecimento determinam a mobilidade dos átomos de Cu, que tendem a formar a fase θ. 

14. UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 4 – Etapas do tratamento térmico:

15. UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 4 – Etapas do tratamento térmico: vídeo

16. UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 5 – Nucleação dos precipitados: • Os átomos supersaturados tendem a se acumular ao longo de planos craistalinos específicos. A concentração de átomos de cobre (soluto) nessas posições abaixa a concentração em outras áreas, produzindo menos supersaturação, e assim sendo, uma estrutura cristalina mais estável; • Neste estágio, os átomos de cobre não terão formado uma fase totalmente distinta, uma coerência de espaçamento atômico existe através de uma fronteira; • Movimentos de discordâncias ocorrem com maior dificuldade nessas regiões, consequentemente o metal, sob altas pressões, se torna mais duro e mais resistente às deformações.

17. UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 5 – Nucleação dos precipitados:

18. UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 5 – Nucleação dos precipitados: vídeo

19. UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 6 – Superenvelhecimento: • O superenvelhecimento é caracterizado pela redução da resistência mecânica com o tempo de envelhecimento. Quando o tempo de envelhecimento é superior ao ponto de resistência máxima, os precipitados coerentes de fase θ aumentam de tamanho e tornam-se incoerentes, diminuindo a resistência mecânica

20. UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 7 – Condições do tempo de envelhecimento e tensão de escoamento: Sub-envelhecimento Super envelhecimento 0 1 10 100

21. UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 7 – Condições do tempo de envelhecimento e tensão de escoamento: Envelhec 6h CP5 Envelhec 24h CP 6 Envelhec 2h CP4 Alumínio CP1 Envelhec 1/2h CP3 Solubilizado CP2

22. UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 8 – Aplicação do envelhecimento • Um exemplo interessante de utilização do processo de envelhecimento é o modo pelo qual é utilizado na construção de aviões; • Rebites de alumínio são mais fáceis de guiar e se ajustam mais perfeitamente se forem macios e dúcteis, mas nesta condição, falta-lhes a resistência desejada; • Assim sendo, os fabricantes selecionam uma liga de alumínio que possa ser temperada como uma solução supersaturada, mas que irá envelhecer à temperatura ambiente; • Os rebites são inseridos nos componentes a ligar, enquanto ainda estão relativamente maiores e dúcteis, endurecendo após a montagem ; • Uma vez que eles endurecem muito rapidamente na temperatura ambiente, surge um problema prático de retardamento do processo de endurecimento se os rebites não forem usados imediatamente após o tratamento de solubilização ; • Uma vez que sejam conhecidos os efeitos de temperatura na taxa de ração de envelhecimento, tudo poderá ser controlados; • Após o tratamento de solubilização os rebites são guardados num refrigerado, onde a baixa temperatura irá retardar o endurecimento por um tempo razoável.

23. UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 9 - Metodologia • As amostras sofreram tratamento térmico de solubilização a 540°C por 1 hora, seguido de resfriamento em água (Têmpera à +/- 200C). • Após a solubilização e têmpera, o tratamento de envelhecimento foi realizado a 190°C, no qual cada amostra foi submetida a um tempo diferente de tratamento: ½ h, 2h, 6h, 12h e 24h, seguido de resfriamento lento. Para efeito de comparação, uma amostra foi somente solubilizada e uma outra sem tratamento. 1) amostras de liga de alumínio 2024; • 2) amostras solubilizadas a 540ºC e 1h; • 3) amostras solubilizadas a 540ºC e envelhecidas a 190°C por ½ h • 4) amostras solubilizadas a 540ºC e envelhecidas a 190°C por 2 h • 5) amostras solubilizadas a 540ºC e envelhecidas a 190°C por 6 h • 6) amostras solubilizadas a 540ºC e envelhecidas a 190°C por 12 h • 7) amostras solubilizadas a 540ºC e envelhecidas a 190 ºC por 24 h

24. UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 10 – Roteiro Caracterização mecânica: Dureza • Executar ensaios de dureza Rockweel B para cada amostra indicada (1 a 7); • Montar um gráfico de dureza em função das amostras estudadas (1 a 7), e identifique cada amostra e explique os perfis de dureza correlacionando os tratamentos de cada amostra; Caracterização microestrutural: Microscopia • Olhe no microscópico óptico cada amostras indicada (1 a 7): • Faça uma figura para cada tipo de tratamento térmico e explique a dureza baseado nas observações feitas no microscópico relacionando as propriedades mecânicas à microestrutura.

25. UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E AERONÁUTICA Cinética das Reações no Estado Sólido Como a maioria das reações dá origem à formação de novas fases via difusão, elas não ocorrem instantaneamente. As etapas de uma transformação são: 1)Nucleação = formação de partículas (ou núcleos) da nova fase. 2)Crescimento = aumento de tamanho dos núcleos até que as condições de equilíbrio sejam atingidas. energias envolvidas na solidificação: energia livre de volume (libertada na solidificação) e energia de superfície, necessária para formar os novos agregados

26. UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA , PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 10 – Roteiro Caracterização mecânica: Dureza Padrão = 79 HRB Solubilizado = 72 HRB E ½ h = 78 HRB E 2 h = 78 HRB E 6 h = 82 HRB E 12 h = 83 HRB E 24 h = 84 HRB