ESTUDO DO ENVELHECIMENTO ARTIFICIAL DA LIGA DE ALUMÍNIO 7075

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1 ESTUDO DO ENVELHECIMENTO ARTIFICIAL DA LIGA DE ALUMÍNIO 7075 D. J. de Araújo(1); J. A. de S. Romero (2); F.S. Madani (3); F. C. Barbieri (4). (4) km 157,5 - Rod. Pres. Dutra - Jardim Limoeiro, São José dos Campos - SP, fc-barbieri@hotmail.com (1,3,4) Universidade Paulista (UNIP) Campus São José dos Campos (2) Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE) Divisão de Sistemas Aeronáuticos (ASA) RESUMO: Os tratamentos térmicos têm como finalidade causar modificações nas propriedades dos materiais pela alteração do tipo e proporção das fases presentes, pela variação da morfologia dos microconstituintes ou pela variação da concentração e distribuição de defeitos cristalinos; essas modificações têm por consequência alterações nas propriedades mecânicas e comportamento em serviço. O presente trabalho permite estudar a relação entre o comportamento mecânico da liga de alumínio 7075 sujeita a diferentes condições de tratamento térmico de envelhecimento artificial. O tratamento térmico foi dividido em etapas de: solubilização a uma temperatura de C, têmpera (água) e envelhecimento para os tempos de 1/2h, 2h, 6h, 9h, 12h, 18h, 24h e 30h na temperatura de C. Para a caracterização mecânica, foram realizados ensaios de dureza Rockwell B e ensaio de tração, para verificar as mudanças nas características da liga de alumínio 7075, para todos os tempos do tratamento. Palavras-chaves: Alumínio 7075, Envelhecimento, Propriedades Mecânicas. 5049

2 1. INTRODUÇÃO A indústria aeronáutica é a grande responsável pelo desenvolvimento das ligas de alumínio e a sua utilização em aplicações militares começou na primeira guerra mundial. O alumínio tem sido o material predominante na indústria aeronáutica com cerca de 80% em peso, devido ao desenvolvimento de ligas com resistência mecânica mais elevada. A rigorosa exigência dos foguetes espaciais tem demandado cada vez mais o uso deste metal. Quando um engenheiro aeronáutico ou aeroespacial projeta uma nave, a preocupação com peso e segurança dos materiais utilizados é uma constante (5). As ligas 7075 foram introduzidas em 1943 e contém 5,6% Zn, 2,5% Mg, 1,6% Cu e 0,30% Cr. As ligas de alumínio-zinco possuem baixa densidade (entre 2,7 e 2,94 g/cm3), característica proveniente do alumínio, associada à dureza atribuída pela adição de zinco e são forjadas entre 400 e 530ºC (2). A liga 7075 possui a maior resistência dentre todas as ligas de alumínio e devido a sua alta resistência, a liga 7075 é utilizada em estruturas sob altas tensões. A solubilização consiste em aquecer a liga até uma temperatura dentro do campo monofásico a e aguardar nessa temperatura até que toda a fase α 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 α (retida). Logo após a têmpera, inicia-se o processo de envelhecimento, e esse 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 forma-se inicialmente com partículas finamente dispersas com uma composição enriquecida por soluto. Após um tempo de envelhecimento apropriado, a liga é resfriada até a temperatura ambiente (1,4). A Figura 1 mostra resumidamente as três etapas que envolvem o processo de envelhecimento. 5050

3 Figura 1- Processo de envelhecimento em ligas de alumínio (1). No final deste processo espera-se obter uma dispersão densa e fina de precipitados na matriz do alumínio. O tamanho, a forma e a distribuição dos precipitados obtidos são parâmetros que dependem da eficácia deste processo, e logo condicionam as propriedades mecânicas finais da liga. As transformações de fase que ocorrem pela mobilidade individual dos átomos, por difusão, podem ser totalmente (ou quase totalmente) inibidas por um resfriamento rápido do sólido (têmpera) até uma temperatura muito mais baixa que a temperatura de fusão do metal ou da liga metálica. Na prática, o controle da precipitação possibilita triplicar a resistência mecânica útil de como, por exemplo, de ligas de alumínio (Al) e de Zinco (Zn). Com tratamento térmico adequado, ligas de alumínio podem ser tão resistentes quantos alguns aços para ferramentas (1,3). 2. MATERIAIS E MÉTODOS Os tratamentos foram submetidos a diferentes condições de tratamento térmico de envelhecimento. Foi estudado o efeito da variação do tempo de envelhecimento no comportamento mecânico desta liga. O ensaio de dureza 5051

4 Rockwell B e o ensaio de tração axial foram as técnicas para avaliarem o comportamento mecânico da liga. 2.1 Padronização dos corpos de provas. As amostras para o ensaio de dureza tratadas tinham as seguintes dimensões: 8 mm de largura e 10 mm de comprimento e para o ensaio de tração tratadas tinham as seguintes dimensões: 20 mm de largura, 210 mm de comprimento e uma área útil de 80 mm como mostra a Figura 2. a b Figura 2: Amostras para o ensaio de dureza (a) e de tração (b) 2.2 Estudo do efeito do tempo de solubilização e tempera na liga. Primeiramente foi realizada a solubilização à 480ºC, a fim de dissolver toda a fase (solução sólida substitucional do zinco no alumínio) dentro do campo monofásico (Solução sólida do alumínio) e aguardar nessa temperatura até que toda a fase que está presente seja completamente dissolvida. A Figura 3 mostra as amostras dentro do forno no processo de solubilização. Em seguida foi realizado um resfriamento brusco (têmpera), ou seja, resfriada em agua, com a finalidade de manter a solução sólida super-saturada, mesmo após o resfriamento. 5052

5 Figura 3: Amostras dentro do forno no processo de solubilização. 2.3 Estudo do efeito do tempo de envelhecimento na liga. Finalmente o envelhecimento: logo após a têmpera, iniciou-se o processo de envelhecimento artificial a uma temperatura de C, com a finalidade de formar a fase precipitada novamente e localizada dentro da região bifásica +, onde as taxas de difusão se tornam apreciáveis. Após um tempo de envelhecimento apropriado, a liga é resfriada até a temperatura ambiente. A Figura 4 mostra as amostras dentro do forno no processo de envelhecimento. Figura 4: Amostras dentro do forno no processo de envelhecimento. Neste trabalho estudou-se o comportamento de perfis da liga 7075 variandose os tempos de envelhecimento nos tempos de ½, 2, 6, 9, 12, 18, 24 e 30 horas. A Figura 5 mostra o ciclo completo de endurecimento por precipitação desde solubilização até as horas em que a liga foi tratada. 5053

6 Figura 5- Esquema do tratamento das amostras nas condições de horas tratada. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Serão analisados os resultados de propriedades mecânicas obtidos nos ensaios de dureza Rockwell e ensaio de tração em cada condição de tempo de envelhecimento antes e depois de ser solubilizada. 3.1 Análise do ensaio de dureza Rockwell B da liga 7075 A Figura 6 mostra respectivamente, os resultados da liga os resultados dos ensaios de dureza em função do tempo de envelhecimento da liga padrão em comparação com os tratamentos de envelhecimento e o tratamento de solubilização. Figura 6: Resultados das durezas em função do tempo de envelhecimento 5054

7 Tensão (MPa) 21º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais Como pode ser visto na Figura 6 o tratamento que obteve o melhor resultado está compreendido entre 12 e 18 horas, sendo que o melhor resultado é obtido com 12 horas, ou seja, neste tempo a concentração e tamanhos dos precipitados de cobre (fase ) se tornaram coerentes aumentando a resistência mecânica, gerando obstáculos ao movimento de discordância na liga. 3.2 Análise do ensaio tração da liga 7075 Para uma melhor comparação dos resultados obtidos nos ensaios de tração, foi construído um gráfico onde são apresentadas as tensões máximas e ruptura em função do tempo (horas) de envelhecimento. A Figura 7 mostra respectivamente, os resultados da liga os resultados dos ensaios de tração em função do tempo de envelhecimento da liga padrão em comparação com os tratamentos de envelhecimento e o tratamento de solubilização horas 12 horas 9 horas horas 30 horas 6 horas padrão horas 2 horas solubilizado Envelhecimento a C Padrão 7075 Solubulizado 30 min 2 horas 6horas 9 horas 12 horas 18 horas 24horas 30 horas 30 min Deformação específica (%) envelhecimento Figura 7: Resultados de todos os ensaios de tração em função do tempo de 5055

8 Como pode ser visto Figura 7, o tratamento que obteve o melhor resultado está compreendido entre 12 e 18 horas, sendo que o melhor resultado é obtido com 12 horas, ou seja, neste tempo a concentração e tamanhos dos precipitados de cobre (fase ) se tornaram coerentes aumentando a resistência mecânica, gerando obstáculos ao movimento de discordância na liga. 4. CONCLUSÃO Pode-se concluir que o melhor tempo de tratamento foi de 12 horas como sendo o melhor tempo de envelhecimento tendo um incremento da resistência mecânica de 90HRB (padrão) para 97HRB e 530MPa (padrão) para 598MPa, ou seja, o material ficou com elevada dureza e maior resistência à tração comparada aos demais tempos de envelhecimento com relação ao padrão da liga. Nesse tipo de liga as fases em equilíbrio com a matriz rica em alumínio são a fase heta ( ), também chamada (MgZn 2 ), e a fase T (Al 2 Mg 3 Zn 3 ). Esta última somente aparece quando o teor de magnésio é muito mais alto que o teor de alumínio. Além da formação da fase heta endurecedora, o magnésio (T) tem importante efeito no endurecimento por solução sólida. REFERENCIAS 1.Callister, W. D. Jr. Ciência e Engenharia de Materiais: uma introdução. 7a edição, Rio de Janeiro: LTC, (2007). 2.Cammett, J.; Prevéy, P., Low cost corrosjon damage mitigation and improved fatigue performance of 10w plasticity burnished T6. ln: International Aircraft Corosion Workshop, 4., solomons. Proceedings, (2000). 3.Cotrell, A. H., Introdução à Metalurgia, p. 576, Fundação Calouste Gulbenkian, Lisboa (1996). 4.Coutinho, T. A. Metalografia de Não-Ferrosos: análise e prática. São Paulo: Edgard Blucher, (1980). 5.Rodrigues, L. E. M., Rodrigues J., Introdução ao Projeto de Aeronaves, Materiais Aeronáuticos. acessado em 20 de Setembro de

9 STUDY OF ARTIFICIAL AGING OF ALUMÍNUM ALLOY 7075 ABSTRACT The thermal treatments are intended to cause changes in material properties by changing the type and proportion of the phases present, by varying the morphology of microconstituents or by varying the concentration and distribution of crystal defects, and these changes have the effect of changes in mechanical properties and service behavior. The study of aging of these alloys is of fundamental importance to evaluate the mechanical behavior of the alloy. This work allows studying the relationship between the mechanical behaviors of 7075 aluminum alloy subjected to different heat treatment conditions artificial aging. The heat treatment was divided into solubilization step at a temperature of C, quenching (water) and aging times for 1/2h, 2h, 6h, 9h, 12h, 18h, 24h and 30h at the temperature of C. To characterize mechanical tests were performed Rockwell B hardness and tensile testing to verify the changes in the characteristics of aluminum alloy 7075, for all treatment times. Key-word: 7075 aluminum, Aging, Mechanical Properties. 5057