INFLUENCIA DA TEMPERATURA DE ENVELHECIMENTO NA TENACIDADE AO IMPACTO DA LIGA AA2024

Transcrição

1 INFLUENCIA DA TEMPERATURA DE ENVELHECIMENTO NA TENACIDADE AO IMPACTO DA LIGA AA2024 P.H.R. Tobias; A. da Silva; M.L.N.M. Melo Universidade Federal de Itajubá, Av. BPS, 1303, Itajubá MG. CEP: E- mail: Universidade Federal de Itajubá RESUMO O alumínio puro é muito macio para a maioria das aplicações estruturais e, portanto, é geralmente ligado com vários elementos para aumentar sua resistência à corrosão, inibir o crescimento de grão e aumentar a resistência mecânica. O aumento da resistência mecânica do alumínio é conseguido através da adição de elementos de liga e realização de tratamentos térmicos. Os tratamentos térmicos normalmente utilizados para aumentar a dureza e a resistência mecânica das ligas 2024 são solubilização e precipitação. Esse trabalho teve como objetivo estudar a influência da temperatura envelhecimento na tenacidade ao impacto da liga AA Para tanto amostras da liga comercial AA2024 foram submetidas ao tratamento térmico de solubilização a 490 C durante 1 hora, resfriadas em água e envelhecidas a 190ºC e 210ºC com tempos de encharque variando de 30 a 1440 minutos. Após serem tratadas termicamente as amostras foram submetidas a ensaios de impacto e ensaios de microdureza. Palavras-chave: Ligas de Al-Cu, envelhecimento, impacto. INTRODUÇÃO Ligas de alumínio são usadas extensivamente em componentes de manufatura para indústria automotiva e aeroespacial devido a suas propriedades físicas e mecânicas (1). Estas ligas são excelentes materiais para serem empregadas em componentes estrutural de indústria automotiva e aeroespacial pelo seu baixo peso, que permite uma elevada capacidade de carregamento e, excelente usinabilidade (2). A liga 2024 apresenta boas características de usinabilidade, capacidade de acabamento superficial e perfuração profunda. Os altos níveis de propriedades mecânicas da liga 2024 fazem dessa liga ideal para aplicações que requerem alta resistência. Aplicações típicas incluem equipamentos e estruturas para aviação, engrenagens, eixos, pinos de dobradiças, parafusos, prendedores, componentes de freios e caminhões. Para obter propriedades adequadas para estas aplicações, as 225

2 ligas de alumínio têm que ser tratadas termicamente. O tratamento térmico de solubilização seguido de endurecimento por precipitação é amplamente utilizado atualmente visando atingir estes objetivos. A solubilização consiste em aquecer o material a uma temperatura bem elevada, em geral relativamente próxima do ponto de fusão, de tal modo que nesta temperatura, com os coeficientes de difusão dos elementos de liga no alumínio já suficientemente aumentados, seja possível a migração desses átomos, proporcionando a dissolução completa, depois de certo tempo de permanência nesta temperatura, das fases secundárias inicialmente presentes na liga. Esta etapa do tratamento térmico é fundamental para assegurar que o envelhecimento subseqüente, realizado em temperatura bem mais baixa e tempo mais prolongado, ocorram de modo controlado, de tal maneira que os precipitados sejam formados de forma controlada, principalmente no que se refere ao tamanho dos mesmos e conseqüentemente sua coerência com a matriz. Quando é feito um resfriamento rápido em água, mantém-se à temperatura ambiente a solução sólida supersaturada. Posteriormente, a manutenção do material à temperatura ambiente (envelhecimento natural) ou a uma temperatura mais elevada (envelhecimento artificial) leva à formação de precipitados endurecedores. No envelhecimento natural a cinética de precipitação é mais lenta do que no envelhecimento artificial, no qual o controle de temperatura e tempo permite a obtenção de valores de dureza mais elevados. No envelhecimento artificial é possível atingir o máximo de dureza para um determinado tempo de tratamento, após o qual o crescimento excessivo dos precipitados e a conseqüente perda de coerência dos mesmos com a matriz levam à queda de dureza denominada superenvelhecimento (3). Teoricamente qualquer temperatura inferior à temperatura de solubilização pode ser utilizada para promover o envelhecimento ou precipitação e o tempo de máxima dureza será menor para temperaturas maiores. De maneira geral a bibliografia mostra que temperaturas demasiadamente baixas ou altas favorecem picos de dureza inferiores (4,5). Em outras palavras parece existir um par tempotemperatura otimizados onde será obtido um pico de dureza máxima logo a maior resistência mecânica possível. Contudo para desenvolver um tratamento térmico para um processo industrial vale lembrar que é importante verificar se o par tempo temperatura escolhidos para a precipitação é o melhor economicamente. Economicamente, é melhor escolher processos visando menor consumo de energia 226

3 aliado ao mínimo tempo de operação e obviamente atender as especificações finais exigidas pelo cliente (6). Esse trabalho teve como objetivo estudar a influência da temperatura envelhecimento na tenacidade ao impacto da liga AA MATERIAIS E METODOS O material estudado nesse trabalho foi a liga comercial de alumínio 2024, cuja composição química é dada na Tabela 1. Tabela 1: Composição da liga de alumínio 2024 (% peso) Cu Mg Mn Si Zn Fe Ti 4,1 1,3 0,460 0,080 0,220 0,160 0,030 Inicialmente foram usinadas amostras da liga no formato do ensaio de impacto segundo ASTM E-23. As amostras foram submetidas ao tratamento térmico de solubilização a 490 C durante 1 hora, resfriadas em água e envelhecidas a 190ºC e 210ºC por 0, 5, 1, 4, 8, 12 e 24 horas. Após serem tratadas termicamente as amostras foram submetidas a ensaios de impacto Charpy. Os ensaios de impacto foram realizados a temperatura ambiente sendo determinada à energia absorvida em cada impacto. Foram realizados 3 (três) ensaios para cada tratamento térmico. As amostras também foram submetidas a ensaios de microdureza, visando avaliar a influência das alterações microestruturais nas propriedades mecânicas da liga. Para medidas de microdureza utilizou-se um Microdurômetro HV-1000 da marca Digimess, com carga de 100g, realizando-se 10 medidas em cada amostra. RESULTADOS E DISCUSSÃO Ensaio de Impacto O resultado do ensaio de impacto para as amostras envelhecidas a 190ºC e 210ºC está apresentado e 2, respectivamente. 227

4 Energia Absorvida (J) Energia de Absorvida (J) TTT VI Conferência Brasileira sobre Temas de Tratamento Térmico Tempo de Envelhecimento (horas) Figura 1: Gráfico da Energia Absorvida em Função do Tempo de Envelhecimento das amostras envelhecidas a 190ºC Tempo de Envelhecimento (horas) Figura 2: Gráfico da Energia Absorvida em Função de Tempo de Envelhecimento das amostras envelhecidas a 210ºC. Analisando as Figuras 1 e 2 nota-se que as amostras envelhecidas a 190 e 210ºC apresentam comportamentos diferentes. Para o envelhecimento a 210ºC, observa-se uma queda da energia absorvida até o tempo de 8 horas de envelhecimento. Em 12 horas observa-se um aumento da 228

5 Microdureza (HV) TTT VI Conferência Brasileira sobre Temas de Tratamento Térmico energia e após esse tempo nota-se que a energia absorvida permanece constante. Nota-se que para o tempo de 8 horas de envelhecimento tem-se a menor energia absorvida. Para o envelhecimento a 190ºC observa que a menor energia absorvida ocorre para o tempo de 24 horas de envelhecimento. Ensaio de Microdureza O resultado do ensaio de microdureza para as amostras envelhecidas a 190ºC e 210ºC está apresentado nos gráficos das Figuras 3 e 4, respectivamente Tempo de Envelhecimento (horas) Figura 3: Gráfico da Microdureza em Função do Tempo de Envelhecimento das amostras envelhecidas a 190ºC. Observando-se o gráfico da Figura 3 observa-se que a dureza do material aumenta até o tempo de 4 horas de envelhecimento, onde sofre uma pequena queda. Após 4 horas a dureza da liga sobe novamente atingindo seu máximo (134,78 HV) em 12 horas de envelhecimento, permanecendo praticamente constante após esse tempo. 229

6 Microdureza (HV) TTT VI Conferência Brasileira sobre Temas de Tratamento Térmico Tempo de Envelhecimento (horas) Figura 4: Gráfico da Microdureza em Função do Tempo de Envelhecimento das amostras envelhecidas a 210ºC. Observando-se o gráfico da Figura 4 observa-se que a dureza do material aumenta até o tempo de 8 horas de envelhecimento, onde sofre uma pequena queda. permanecendo praticamente constante após esse tempo. Observa-se ainda que para o tempo de envelhecimento de 8 horas a liga atinge sua dureza máxima (158,34). Nota-se que o tempo de envelhecimento onde a liga atingiu sua maior dureza é o mesmo tempo onde se tem menor energia absorvida no ensaio de impacto. CONCLUSÃO Com os resultados obtidos podemos concluir que a temperatura de envelhecimento influencia a quantidade de energia absorvida e a dureza da liga de alumínio Neste caso podemos concluir que para a maior temperatura de envelhecimento (210ºC) obteve-se um pico dureza maior com menor tempo do que para a temperatura de envelhecimento menor (190ºC). AGRADECIMENTOS Agradecimentos a CAPES e à FAPESP pelo apoio financeiro concedido. 230

7 REFERÊNCIAS (1) HERNÁNDEZ-PAZ, J.F.; PARAY, F.; GRUZLESKI, J.E. Natural Aging and Heat Treatment of A356 Aluminium Alloy, AFS Transaction, 2004 apud HASKEL, Tatiane - Efeito do Tratamento Térmico de Solubilização na Microestrutura e nas propriedades Mecânicas da Liga de Alumínio A356 Dissertação de Mestrado - PGCEM/UDESC, Joinville, p. (2) CHAUDHURY, S.K.; APELIN, D. Effects of Solution Heat Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of Al-Si-Cu-Mg (354) Alloy Using a Fluidized Bed Reactor, AFS Transactions, p. 1-14, 2005 apud HASKEL, Tatiane - Efeito do Tratamento Térmico de Solubilização na Microestrutura e nas propriedades Mecânicas da Liga de Alumínio A356 Dissertação de Mestrado - PGCEM/UDESC, Joinville, p. (3) BRESCIANI FILHO, ETTORE. Seleção de Metais Não Ferrosos, 2ª. Edição, Editora da Unicamp, (4) KLIAUGA, A.M., VIEIRA, E. A., FERRANTE, M., The influence o impurity level and tin addition on the ageig heat treatment of the 356 class alloy, Materials Science Engineering A, 480, 5-16, 2008 apud BROMERSCHENCKEL, J. ; COUTINHO, P. H.; OLIVEIRA, J. R. ; DO NASCIMENTO JUNIOR, R.C. ; VIEIRA, E. A.. Influência da velocidade de resfriamento na precipitação de Al-2Cu em liga de Al-4Cu homogeneizadas. In: XVIII Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais - CBECIMAT, 2008, Porto de Galinhas. (5) Wang Q. G., Microstructural effects on the tensile fracture behaviour of aluminum casting alloys A356/357, Metallurgical and Materials Transactions A, 34, , (2003) apud BROMERSCHENCKEL, J. ; COUTINHO, P. H. ; OLIVEIRA, J. R. ; DO NASCIMENTO JUNIOR, R.C. ; VIEIRA, E. A.. Influência da velocidade de resfriamento na precipitação de Al-2Cu em liga de Al-4Cu homogeneizadas. In: XVIII Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais - CBECIMAT, 2008, Porto de Galinhas. (6) BROMERSCHENCKEL,J.; COUTINHO, P.H.; OLIVEIRA, J. R.; DO NASCIMENTO 231

8 JUNIOR, R.C.; VIEIRA, E. A. Influência da velocidade de resfriamento na precipitação de Al-2Cu em liga de Al-4Cu homogeneizadas. In: XVIII Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais - CBECIMAT, 2008, Porto de Galinhas. ABSTRACT Pure aluminum is too soft for most structural applications and thus is generally alloyed with different elements to increase its resistance to corrosion, inhibit grain growth and increase mechanical resistance. The increased mechanical strength of aluminum is achieved by the addition of alloying elements and thermal treatments. The thermal treatments typically used to increase the hardness and mechanical strength of the alloys 2024 are solubilization and precipitation. This work aimed to study the influence of temperature aging on impact toughness of the alloy AA For this purpose samples of the commercial AA2024 alloy were subjected to thermal solubilization treatment at 490 C for 1 hour, cooled in water and aged at 190 C and 210 C with soaking times ranging from 30 to 1440 minutes. After being heat treated samples were subjected to impact tests and hardness tests. Keywords: Al-Cu alloys, aging, impact 232