ANÁLISE DA INFLUÊCIA DO TRATAMENTO TÉRMICO NA VIDA EM FADIGA DA LIGA DE ALUMÍNIO 7475 CLAD

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1 ANÁLISE DA INFLUÊCIA DO TRATAMENTO TÉRMICO NA VIDA EM FADIGA DA LIGA DE ALUMÍNIO 7475 CLAD M. P. J. Audinos (1,3), F. T. Gastaldo (2), N. G. I.Iordanoff (3), N. G. Costa (1), A. Cerbone (4) Universidade Federal de Itajubá - Instituto de Engenharia Mecânica - Av. BPS, 1303 CEP Itajubá, Minas Gerais, Brasil (1) costang@unifei.edu.br (1) Universidade Estadual de Campinas (2) École Nationale Supérieure d Arts et Métiers (3) Empresa Brasileira de Aeronáutica Embraer (4) RESUMO As ligas de alumínio aeronáutico agregam duas características extremamente importantes: boas propriedades mecânicas e baixo peso específico (quando comparado com aço). Devido à baixa resistência à corrosão essas ligas muitas vezes necessitam ser revestidas com outras ligas de maior resistência à corrosão. Essa proteção é chamada de Clad. Geralmente a liga de Clad não tem boas propriedades mecânicas. Integrar as ligas de alumínio com boas propriedades mecânicas, em tensão e vida em fadiga, com outra liga de alumínio com boa resistência a corrosão, muda as propriedades dela devido aos diferentes comportamentos mecânicos e resistências e também devido à interface das duas ligas. Assim, nesse trabalho o enfoque será dado pela influência do tratamento térmico de solubilização com posterior envelhecimento sobre a vida em fadiga da liga 7475 Alclad. Palavras chaves: Alumínio, tratamento térmico, difusão de clad, solubilização, vida em fadiga. 6097

2 INTRODUÇÃO O termo, tratamento térmico, aplicado nas ligas de alumínio, é restrito à especificação de operações desenvolvidas para aumentar a dureza das ligas endurecíveis por precipitação. Essas ligas são classificadas como susceptíveis a tratamento térmico e assim podem ser distinguidas das ligas em que não se pode obter nenhum aumento significante de dureza através da adição ou remoção de calor. As ligas que não são tratáveis por calor dependem, principalmente, do trabalho à frio para aumentar sua resistência e dureza. Em ambos os tipos de ligas podem ser usados o aquecimento para diminuir a dureza e aumentar a ductilidade; as reações metalúrgicas podem variar com o tipo de liga e com o grau de ductilidade desejado. As ligas de alumínio que têm boas propriedades mecânicas em tensão e fadiga apresentam um importante problema de resistência à corrosão. É o caso da liga de alumínio Ela tem boas propriedades mecânicas, mas é pobre quanto à resistência a corrosão. Para resolver esta dificuldade, uma fina camada de liga de alumínio com baixas propriedades mecânicas, mas que possui excelentes propriedades quanto à resistência a corrosão, será colocada sobre a liga de modo a protegê-la. Recobrir uma liga de alumínio com outra mistura de melhor resistência à corrosão chama-se ALCLAD. No caso estudado o Clad é um liga de alumínio Al A vantagem deste processo é obtenção de uma peça com boas propriedades mecânicas e uma resistência contra a corrosão muito elevada. Quanto à solubilização das ligas de alumínio, essa as deixa com propriedades mecânicas de uma liga mais dúctil. Assim, permite-se uma deformação plástica mais elevada e sem riscos de surgimento de trincas. Depois, o envelhecimento artificial proporciona à liga, aumento da dureza em forma de precipitados endurecidos. OBJETIVOS O objetivo deste trabalho é comparar as propriedades mecânicas de fadiga da liga de alumínio 7475 recozida com cladeamento, submetidas a solubilização e posterior envelhecimento para a condição T761 (norma EMBRAER). As ligas utilizadas para comparação serão a Al 7475-T761 com e sem cladeamento, tratadas no processo de fabricação. 6098

3 A investigação da liga Al 7475 se faz na direção T-L, direção transversal à direção de grão, pois esse é considerado o pior caso. A liga laminada tem maior resistência mecânica quando os esforços ocorrem na mesma direção que o grão. A comparação dos resultados de fadiga será efetuada em duas etapas: entre as peças com e sem revestimento e entre as peças que possuem revestimento. Isso permitirá concluir se existe decréscimo significativo das propriedades mecânicas em fadiga para diferentes tempos de solubilização e a determinação dos diferentes parâmetros, que podem influenciar esta liga. MATERIAIS E MÉTODOS A preparação das peças é a parte mais importante do projeto, porque esta etapa influenciará todos os resultados dos ensaios sobre diferentes aspectos, os tratamentos térmicos influenciarão as propriedades mecânicas dos corpos de prova, a preparação dos corpos de prova influenciará a vida em fadiga. Três tipos de chapas da liga de alumínio 7475 foram fornecidos pela EMBRAER: Liga de alumínio Alclad (revestidas com a liga 7072 e espessura de revestimento de 76 µm) no estado O (recozida) de espessuras 1,27 mm, Liga de alumínio 7475 T761 (tratada termicamente por envelhecimento pelo fornecedor da chapa) no estado Bare (sem revestimento) e Liga de alumínio Alclad (revestidas com a liga 7072 e espessura de revestimento de 45 µm tratada termicamente pelo fornecedor para T761) de espessuras 1,6 mm. A fim de obter os corpos de prova, inicialmente fez-se necessário recortar os CDPs a partir das chapas disponíveis. O corte na chapa foi realizado com uma guilhotina de modo obter um corte sem danificar as peças. A Figura 1 é um desenho esquemático das posições de corte dos CDPs (corpos de prova) na chapa. 6099

4 (C): Comprimento = 220 mm e (A): Altura = 30 mm Figura 1: Corte dos corpos de prova a partir da chapa recebida. A direção de laminação foi sempre respeitada durante o corte, pois os CDPs cortados em direções diferentes possuem propriedades mecânicas diferentes. Foi escolhido realizar o corte da parte longitudinal do CDP na direção transversal a direção de laminação (direção T-L), direção de propagação da trinca, sendo essa condição a mais desfavorável com relação às propriedades mecânicas. A usinagem foi efetuada utilizando uma máquina CNC para obter uma repetitividade de características geométricas, sendo um fator muito importante na obtenção de resultados uniformes. Os corpos de prova foram realizados simultaneamente na máquina CNC. A norma utilizada foi a ASTM 466. A seqüência de tratamentos térmicos que leva o alumínio 7475 Alcald da condição O (recozido) até a condição T761 é a seguinte: ou seja, o alumínio na condição O passa por dois tratamentos térmicos, a solubilização e o envelhecimento artificial. A obtenção de uma parte das chapas de alumínio 7475 clad dos CDPs teve um tratamento térmico específico de solubilização. A realização da solubilização da liga em diferentes tempos e temperaturas, conforme mostrado abaixo determinará em que casos a liga têm as melhores propriedades mecânicas: A 30 min C + 20 min-493 C 6100

5 B 30 min C C 60 min C D 60 min C Todos CDPs que tem um tratamento de solubilização recebeu o mesmo tratamento térmico de envelhecimento. A outra parte das chapas é composta por as ligas Al 7475-T761 clad e Al 7475-T761 Bare que já tem um tratamento térmico. Uma análise prévia visual de cada CDP foi realizada para verificar a presença de riscos. Quando um risco foi observado este CDP era descartado. Os resultados dos ensaios de fadiga podem estar errados caso haja a presença de riscos. Para o ensaio de fadiga necessita-se de corpos de prova sem risco. Cada defeito pode criar uma fissura, e conseqüentemente uma falha que acarreta uma destruição prematura das peças, mascarando o resultado. Para cada CDP, três medidas devem ser feitas efetuadas sobre diferentes lugares e então verificar a homogeneidade e repetitividade dos CDPs. Os ensaios de tração foram realizados de acordo com a norma ASTM E8, e teve por objetivo, verificar que em todos os casos as características mecânicas em tração dos corpos de prova correspondem aos valores da norma AMS 4100C Aerospace Material Specification e determinar os esforços de tensão que serão aplicados em fadiga. Pelo primeiro nível de tensão de fadiga, serão escolhidos 60% da tensão a ruptura. Os ensaios de fadiga foram efetuados sobre 4 níveis de tensão, 241, 356, 338 e 299 MPa. Com os resultados foram observadas as tendências de fadiga e foi feita a análise estatística dos resultados, traçando as linhas logarítmicas do tipo: Log(N)=A-B*Log(S máx ) onde S máx é a tensão máxima que é aplicada durante o ensaio de fadiga. RESULTADOS E DISCUSSÕES Analisando a micrografia das amostras, pode-se afirmar que os grãos do metal de base são melhores revelados que os grãos da camada de clad. Pode-se até dizer, que com o ataque realizado é mais difícil identificar os contornos dos grãos do clad do que os grãos da liga de alumínio. Esta diferença é uma indicação que a difusão do clad é pequena; caso os grãos fossem visíveis igualmente tanto no clad como na liga, poderia afirmar difusão teria sido maior. A difusão causará mudanças 6101

6 nas resistências a corrosão. Ainda podemos afirmar que a presença de clad vai modificar as características mecânicas (fadiga e tração). Isso será demonstrado posteriormente quando os resultados dos ensaios de tração e fadiga forem apresentados. Com relação à rugosidade das amostras foi feito um exame visual, para ter certeza que não havia CDPs com alta rugosidade e aquelas amostras com alta rugosidade foram eliminadas. No entanto, a repetitividade do perfil dos CDPs é um critério muito importante. Um teste de rugosidade em cada CDP foi efetuado a fim de verificar a homogeneidade das características de superfície de cada CDP. Este teste demonstrou a homogeneidade e a repetitividade das características superficiais de cada grupo de peças. A análise permite afirmar que para as amostras ensaiadas há três faixas de rugosidade: Ra = 0, 118-0, 238 (para as ligas 7475-T761 Bare, T761 Alclad), Ra = 0, 464-0, 567 (liga 7475-O e as ligas tratadas termicamente A - D ). A segunda faixa de rugosidade é bem explicada, pois todas as amostras foram tiradas da mesma chapa. Os ensaios de tração não foram realizados na direção de tração L-T, mas na direção de tração T-L (direção do esforço "TRAÇO" - direção de propagação da trinca), nesta direção as características em tração (resistência a tração e alongamento) são piores, pois o ensaio é realizado perpendicularmente à direção de grão. Os valores médios são principalmente superiores ao proposto pela norma, exceto para os valores de alongamento. Os resultados de fadiga são inicialmente apresentados em forma de uma tabela, Tabela 1, onde se apresenta o número máximo de para cada amostra, para a tensão máxima de 299 MPa. Observa-se que, para a amostra da liga T761 foi possível realizar seis ensaios, o número de amostras se limitou em função do rompimento das mesmas no ensaio de tração. Tratamentos estatísticos desses valores foram realizados. Foi escolhido não considerar os valores máximos e mínimos no objetivo de retirar os valores de menor representatividade estatística, pois são extremos, toda a análise a seguir levou em conta essa consideração. Podese notar uma diferença considerável entre a liga 7475-T761 Bare e Clad, e os tratados. Para o nível de tensão ensaiado a liga 7475-T761 Bare apresenta uma melhor resistência a fadiga que as outras chapas com revestimento clad. No entanto, quando se compara as amostras revestidas com clad fornecidas pela EMBRAER, já tratadas termicamente, e às amostras tratadas termicamente neste 6102

7 trabalho (tratamentos térmicos A, B, C e D ) pode-se afirmar que a amostra fornecida já tratada termicamente apresenta uma melhor vida em fadiga. Deve-se lembrar que existe uma diferença na espessura de clad entre as amostras fornecidas pela EMBRAER. Dois fatores talvez tenham contribuído para uma pior vida em fadiga da liga tratada termicamente: o primeiro seria que essa liga apresenta uma espessura de clad maior (76 µm contra 45 µm), outro fator possível seria um melhor controle da temperatura do forno de tratamento térmico. Isto certamente conferiu melhores propriedades mecânicas à chapa. Os valores de número de (vida em fadiga) encontrados para as amostras solubilizadas na condição D foram muito baixos em comparação com os outros resultados, o que permite afirmar que estatisticamente esses valores podem ser desprezados. Contudo em termo de vida em fadiga será mostrado adiante que há uma anormalidade para esse nível de tensão máxima. Novamente sob um ponto de vista estatístico, todas as amostras solubilizadas nas condições A, B e C apresentam aproximadamente o mesmo número de. Então, comparando esses tratamentos térmicos com base na informação anterior pode-se afirmar que os mesmos não influenciam a vida em fadiga. Tabela 1: Números máximos de obtidos para os ensaios de fadiga das ligas 7475 nas condições T761 Bare, T761 clad e Tratadas Termicamente A a D com S máx igual 299 MPa. Condições de Tratamento Térmico das Ligas de Alumínio T761 Bare T761 Aclad A B C D Os resultados dos ensaios de fadiga foram traçados numa curva tensão versus número de, Figura 2. Nesse mesmo gráfico foi colocada uma curva de 6103

8 referência da mesma liga (Al 7475 T761) obtida do documento da Federal Aviation Administration (EUA) MMPDS-01 para comparar os resultados e principalmente para escolher os outros níveis de tensão para ensaios a ser realizados. Essa curva de referência foi obtida para um corpo de prova com a geometria flat hourglass. Como a área de teste deste CDP é arco de circunferência, a vida em fadiga é variável. No centro do CDP, onde a área é menor, é a área em que a tensão estará maior e, portanto nessa região que o CDP onde ele romperá. Usando o flat hourglass, a falha restringe para uma área muito pequena e dependerá muito da qualidade local do material. A fim de obter uma curva para cada liga estudada, é necessário utilizar diferentes níveis de tensão. As ligas estudadas neste trabalho apresentam comportamento quanto à vida em fadiga, similar a vida em fadiga da curva de referência, Figura 2, conseqüentemente cada curva das ligas ensaiadas terão uma forma aproximadamente paralela a da referência. Assim, três outros níveis de tensão máxima foram escolhidos: 241 MPa esse valor é uma tensão muito baixa quando se deseja um valor máximo de vida em fadiga de 10 6 que ocorre em um tempo muito curto e há a possibilidade de se realizar ensaio de maior duração, 365 MPa esse valor é uma tensão muito alta, corresponde a 73% do limite de resistência a tração e não são realmente representativos quando se deseja resultados de ensaios de fadiga pois desta forma o CDP vai trabalhar muito em deformação plástica. 338 MPa isso é uma tensão que permite obter mais pontos e refinar as curvas. Esse valor de tensão máximo escolhido encontra-se entre 299 e 365 MPa. Neste trabalho, optou-se por apresentar todos os resultados de ensaios de fadiga na Figura 2, onde pode se observar que os resultados do ensaio de fadiga apresentaram uma dispersão relativamente alta. Notamos também que somente curva da amostra tratada na condição D é mais acentuada localmente (entre curva verde escuro). Talvez esse ponto que faz curva se distanciando do trajeto parabólico, seja um erro de medida ou condições internas do material proporcionando assim esse comportamento. 6104

9 Smax (Mpa) N (Cycles) T761 BARE 7475-T761 BARE referência 7475-T761 Alclad CDP"A" CDP"B" CDP"C" CDP"D" Figura 2: Curvas dos resultados dos ensaios de fadiga em todas as configurações O fato das curvas de S máx versus número de, apresentarem quase o mesmo comportamento para altos níveis de tensão da liga 7475-T761 Alclad e a Bare, podemos então observar pontos das ligas sobre a Figura ,00 500,00 400,00 Smax (Mpa) 300,00 200,00 100,00 0, N (Cycles) T761 BARE L-LT Kt=1, R=0,0 "I" "S" Logarithmique ("S") Logarithmique ("I") Figura 3: Linhas de tendência logarítmicas das ligas 7475-T761 Bare e Clad Observa-se que até o valor de 66% do limite de resistência a ruptura ( MPa) as duas ligas apresentam as mesmas resposta quanto a fadiga. Após esse valor é possível ver sobre a Figura 4 que os dois materiais começam a apresentar um comportamento divergente. As linhas de tendência logarítmica relativa aos ensaios 6105

10 de fadiga para as amostras Bare estão plotadas no mesmo gráfico que a curva encontrada no documento da Federal Aviation Administration (EUA) MMPDS-01. Observa-se que essas curvas são praticamente paralelas e apresentam o mesmo comportamento mecânico quanto à fadiga. A Figura 4 mostra as linhas de tendência logarítmicas de todos os materiais que foram revestidos com clad e submetidos aos tratamentos térmico A, B, C e D, eles apresentam um comportamento similar. 600,00 500,00 400,00 max (MPa) 300,00 200,00 100,00 0, N (Cycles) T761 BARE L-LT Kt=1, R=0,0 "A" "B" "C" "D" Logarithmique ("C") Logarithmique ("A") Logarithmique ("D") Logarithmique ("B") Figura 4: Linhas de tendência logarítmicas do T.T. A, B, C e D Ainda pode-se dizer que esses materiais têm uma vida em fadiga inferior à amostra bare, ou seja, o clad pode ter realmente influenciado negativamente a vida em fadiga com a origem que se situa entre a camada de clad e o material base. Menor é a tensão máxima aplicada durante o ensaio em fadiga mais essas curvas divergem da curva do ensaio na amostra Bare. CONCLUSÃO A diferença em fadiga entre as curva feita com os dados dos CDPs tratados com a curva da liga 7475-T761 clad, as diferenças dos resultados em tração e em dureza vem que o tratamento térmico do fornecedor é muito melhor controlado (temperatura, tempo de encharque, limpeza, etc.). Portanto o material do fornecedor possui maior resistência mecânica. 6106

11 O ensaio de fadiga mostra que há nitidamente uma diferença entre o T761 Bare e todas as outras chapas cladeadas. Para as amostras ensaiadas no nível de tensão máxima relativamente alta, os resultados dos ensaios foram os mesmos, mas para os ensaios com um grande número de ciclo, as chapas sem clad têm um tempo de vida em fadiga maior. O clad tem uma influência negativa sobre as características mecânicas da liga 7475-T761. As chapas com clad são mais caras que as chapas Bare e têm características mecânicas inferiores, sendo desnecessário colocá-las onde não há risco de corrosão. REFERÊNCIA AMS 4100C Aerospace Material Specification Aluminum Alloy, Alclad, Sheet 5.7 Zn 2.2 Mg Cu Cr (7475-T761 Alclad) Solution and Precipitation Heat Treated 2005 EMBRAER - NE Aluminum Alloys Hardness and conductivity values rev I, 2006 EMBRAER - NE Aluminum Alloys Solubilização rev O, 2002 EMBRAER - NE Aluminum alloys Envelhecimento Artificial Aging rev L, 2002 American Society for Testing Materials - ASTM E8 04 Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials American Society for Testing Materials - ASTM E Standard practice for conducting force controlled constant amplitude axial fatigue tests of metallic materials R. DEVELAY M Traitements thermiques des alliages d aluminium Techniques de l ingénieur, Traité des matériaux métalliques B. B. VERMA, J. D. ATKINSON and M. KUMAR Study of fatigue behavior of 7475 aluminum alloy Indian Academy of sciences Bull. Mater. Sci., Vol 24, No. 2, ALCOA Alloy 7475 plate and sheet highest toughness/strength De Oliveira, F. S. Analise da influência do tratamento Témico na resistência mecânica e a corrosão da liga de alumínio 7475 Clad. Projeto Final de Graduação; Universidade Federal de Itajubá

12 ANALYSIS OF THE INFLUECE OF THE THERMAL TREATMENT IN THE FATIGUE LIFE OF THE 7475 CLAD ALUMINUM ALLOY ABSTRAC The aeronautical aluminum alloys join together two very important characteristics: good mechanical properties and low specific weight (compared to steel). Due to low resistance to corrosion these leagues often need to be coated with other alloy greater resistance to corrosion. This protection is called Clad. Usually the alloy of Clad has not good mechanical properties. Integrating the aluminum alloys with good mechanical properties in tension and fatigue in life with another aluminum alloy with good resistance to corrosion, it changes the properties due to the different behaviors and mechanical resistance and also due to the interface of the two leagues. So the main point of this paper is the influence of the solution heat treatment plus the aging on the fatigue life of the 7475 Alclad alloy. Key words: Aluminum, heat treatment, clad diffusion, solution heat treatment, fatigue life 6108