Aula 15 Solubilização e Precipitação. Mecanismos de Endurecimentos por:

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1 Aula 15 Mecanismos de Endurecimentos por: Solução Sólida Precipitação O Sistema Al-Cu O Sistema Al-Si-Mg liga 356 Endurecimento por Solutos - A efetividade do soluto depende da diferença do tamanho (com respeito ao solvente), e da sua porcentagem. - Se o átomo de soluto é maior que o de solvente, são induzidos campos de deformação por compressão. - Se o átomo de soluto é menor, são induzidos campos de deformação por tração. - A presença de qualquer um dos dois impede o movimento das discordâncias. 1

2 Endurecimento por Solutos Efeito dos elementos de liga sobre o limite de escoamento convencional de 1%, para policristais de cobre. Medidas feitas a temperatura ambiente. Endurecimento por Solutos No caso do cobre, o gráfico da no limite elástico por unidade de concentração de um soluto substitucional, em função do parâmetro do módulo elástico (ε S ), obtém-se uma linha reta para o Zn, As e Sn. 2

3 Endurecimento por Precipitação - Muito mais efetivo que a redução em tamanho de grão, a deformação a frio ou o endurecimento por solução sólida. - Utilizável para ligas que podem formar soluções supersaturadas. Endurecimento por Precipitação - Posteriormente podem formar um precipitado finamente disperso ao envelhecer-se a temperaturas intermediárias ou baixas. - Ao envelhecer, se formam estruturas de transição muito pequenas, chegando a alcançar um tamanho de até 100 A. 3

4 Endurecimento por Precipitação Diagrama de equilíbrio para a região rica em alumínio do sistema Al Cu. Endurecimento por Precipitação Variação de dureza com o tempo para ligas Al Cu, envelhecidas a 130 º C. 4

5 Zonas GP2 Precipitado em forma de disco: diâmetro de A e espessura de 150 A. Coerente com a matriz de Al através do diâmetro, mas é incoerente em sua espessura. Endurecimento por precipitação em Al Cu: Zonas GP-2. Precipitado θ -Semelhante a GP-2, origina-se desta pela eliminação da coerência com a matriz. - Ao aparecer esta estrutura ocorre um abrandamento do material. Endurecimento por precipitação em Al Cu: precipitado θ 5

6 Precipitado θ - Superenvelhecimento Expansão da célula de θ nas direções radiais das regiões GP-2, e contração na direção da espessura. A dureza de uma liga superenvelhecida pode ser menor do que a solução supersaturada antes do envelhecimento Endurecimento por precipitação em Al Cu: precipitadoθ. T ( 0 C) C L α+l α 5,65Cu C 33Cu α + CuAl 2 Al %Cu Diagrama de Equilíbrio Al-Cu - Região rica em Al 6

7 T ( 0 C) C L α+l α α + CuAl 2 Al Solubilização %Cu Envelhecimento Artificial Liga Al4Cu 1. Aquecida a 540 o C campo monofásico α todo Cu entra em solução sólida α (cfc) 2. Resfriamento rápido em água manutenção do Cu em solução sólida obtenção de uma solução sólida supersaturada força motriz para a precipitação da fase em equilíbrio θ (Cu 2 Al) 3. Aquecimento prolongado da liga à temperaturas entre C propicia a formação de precipitados coerentes com regiões ricas em Cu (Zonas GP) 7

8 Tratamento de solubilização C Líquido 700 L+K K % K (solução sólida) 400 υ+k 300 resfriamento lento precipitados(fase υ) nos contornos de grão da fase K composição, % tempo Precipitados se formam nos contornos de grão quando a liga é resfriada lentamente a partir da mesma solubilizada. Tratamento de precipitação C Líquido 700 L+K K % K (solução sólida) 400 υ+k "microestrutura equilibrada" precipitados(fase υ) nos contornos de tprecipitação fina dispersão de precipitados (proceso de envelhecimento) grão da fase K composição, % tempo Através do controle dos parâmetros (T x t) pode-se conseguir elevados incrementos de dureza e outras propriedades. 8

9 Precipitação em Ligas Al-Cu Diagrama Al-Cu Linhas solvus das fases metaestáveis Zonas GP θ θ α θ θ α +L Zonas GP θ Al Cu Liga Al4Cu aquecida a Nucleação Preferencial de Precipitados Coerentes Ricos em Cu Zonas GP Qual a razão para isto? Zonas GP são totalmente coerentes com a matriz energia interfacial muito baixa Fase θ apresenta uma complexa estrutura cristalina tetragonal formação de interfaces incoerentes com elevadas energias 9

10 Zonas GP precipitam preferencialmente no envelhecimento a baixas temperaturas em diversas ligas tecnologicamente importantes: Em Ligas AlZn e AlAg observa-se a formação de Zonas GP ricas em Zn ou em Ag. Em Ligas a base Cu CuBe e CuCo. Fases de Transição θ e θ São menos estáveis que a fase de equilíbrio θ apresentam maior energia livre Seqüência de Precipitação em Ligas AlCu α 0 α 1 +Zonas GP α 2 + θ α 3 + θ α 4 + θ α 0 = solução sólida supersaturada Resultado do tratamento de Solubilização α n = composição da matriz em equilíbrio com os diferentes precipitados Possíveis Resultados do tratamento de Precipitação ou Envelhecimento Artificial 10

11 α +L α θ θ θ Zonas GP Al Cu Zonas GP e a Matriz apresentam a mesma estrutura cristalina. Em um Diagrama esquemático da Energia Livre em função da composição aparecem na Mesma Curva de Energia Livre. São desprezados os efeitos da energia de distorção da rede cristalina. 11

12 Fases de Transição θ e θ são menos estáveis que a fase de equilíbrio θ Apresentam maiores energias livres do que a fase de equilíbrio. As composições da matriz em equilíbrio com cada fase são dadas pelas retas tangente que passam pelos respectivos pontos de menor energia livre. Estas composições correspondem aos das linhas solvus para Zonas GP e fases θ θ θ no Gráfico anterior G α2 α 1 α 3 α 4 α 0 α G 0 G 1G2 G 4 G 3 Zonas GP θ θ θ X cu Diagrama esquemático da energia livre molar para o sistema AlCu 12

13 G G 0 G 1 G 2 G 3 α 0 α 1 + GP GP θ θ θ α 0 α 4 + θ G 4 θ θ Diagrama esquemático mostrando a energia livre total da liga em função do tempo Tempo 0,5%HF 100 x Bruta de Fusão com premium quality Liga 357 Al7Si0,5Mg0,15Ti T6 - solubilizada e precipitada Rede interdendrítica de silício eutético (cinza) e algumas partículas de Mg 2 Si (preto) Coalescência das partículas de silício eutético (cinza) 13

14 Liga 242 (142) Al4Cu1,5Mg2Ni Coquilha Envelhecida Artificialmente NiAl 3 (plaquetas cinza escuras) em rede de partículas de Cu 3 NiAl 6 (cinza médio). Partículas de CuAl 2 (cinza claro) e Mg 2 Si (escrita preta) Resultados recentes obtidos no LabFund/DEM/PGCEM Efeito do Tempo de Solubilização (a) Amostra bruta de fundição 100 µm (b) Amostra solubilizada por 2 h 100 µm 100 µm 100 µm (c) Amostra solubilizada por 6 h (d) Amostra solubilizada por 10 h Microestrutura da liga A 356 (lote 1) bruta de fundição (a) e solubilizada a 540 C por (b) 2 h, (c) 6 h e (d) 10 h. HASKEL, Tatiane. Efeito do Tratamento Térmico de Solubilização na Microestrutura e nas Propriedades Mecânicas da Liga A356. Dissertação de Mestrado PGCEM/UDESC,

15 Bruta de Fusão partículas aciculares Solubilizada por 10 h, C partículas mais compactas devido a ocorrência de coalescimento. Microestruturas da liga A356 bruta de fundição (a) e solubilizada a 540 C (b). Observa-se nitidamente a ocorrência de alteração na morfologia das partículas de Si HASKEL, Tatiane. Efeito do Tratamento Térmico de Solubilização na Microestrutura e nas Propriedades Mecânicas da Liga A356. Dissertação de Mestrado PGCEM/UDESC, Efeito da Temperatura de Solubilização Solubilizada a 510 C, 10h 100 µm 100 µm Solubilizada a 540 C, 10h 100 µm Solubilizada a 570 C, 10h Como o aumento na temperatura de solubilização tende a aumentar a velocidade de transformações na microestrutura, as partículas de Si coalesceram e cresceram mais rapidamente, deixando-as muito mais grossas com relação às outras condições. HASKEL, Tatiane. Efeito do Tratamento Térmico de Solubilização na Microestrutura e nas Propriedades Mecânicas da Liga A356. Dissertação de Mestrado PGCEMUDESC,

16 Esferoidização e Crescimento das Partículas de Si 50 µm 50 µm (a) (b) (c) 50 µm 50 µm (d) Evolução na morfologia do Si. Liga A356 solubilizada a 570 C por 10 horas. HASKEL, Tatiane. Efeito do Tratamento Térmico de Solubilização na Microestrutura e nas Propriedades Mecânicas da Liga A356. Dissertação de Mestrado PGCEMUDESC, _ Efeito do Tempo de Solubilização nas Propriedades Mecânicas Lote 1 da liga (Mg = 0,15% em peso) HASKEL, Tatiane. Efeito do Tratamento Térmico de Solubilização na Microestrutura e nas Propriedades Mecânicas da Liga A356. Dissertação de Mestrado PGCEMUDESC,

17 _ Efeito do Tempo de Solubilização nas Propriedades Mecânicas Lote 2 da liga (Mg = 0,30% em peso) HASKEL, Tatiane. Efeito do Tratamento Térmico de Solubilização na Microestrutura e nas Propriedades Mecânicas da Liga A356. Dissertação de Mestrado PGCEMUDESC, _ Efeito do Tempo de Solubilização e do % de Mg nas Propriedades Mecânicas da liga A356 Observa-se que para maior teor de Mg ocorreram maiores incrementos nos valores de resistência. HASKEL, Tatiane. Efeito do Tratamento Térmico de Solubilização na Microestrutura e nas Propriedades Mecânicas da Liga A356. Dissertação de Mestrado PGCEMUDESC,

18 _ Mecanismos Atuantes O aumento na dureza da matriz (Alα) foi mais significativo para o lote com maior teor de Mg Ocorrência de endurecimento por solubilização (ou por solutos) HASKEL, Tatiane. Efeito do Tratamento Térmico de Solubilização na Microestrutura e nas Propriedades Mecânicas da Liga A356. Dissertação de Mestrado PGCEMUDESC, _ Mecanismos Atuantes O aumento no alongamento com o acréscimo no tempo de solubilização. Ocorrência de coalescimento das partículas de Si. HASKEL, Tatiane. Efeito do Tratamento Térmico de Solubilização na Microestrutura e nas Propriedades Mecânicas da Liga A356. Dissertação de Mestrado PGCEMUDESC,

19 . Medidas de alongamento com suas correspondentes microestruturas e superfícies de fratura (ampliadas 500x), em função do tempo de solubilização (540 C) para o lote 1(Mg = 0,15% em peso) da liga. HASKEL, Tatiane. Efeito do Tratamento Térmico de Solubilização na Microestrutura e nas Propriedades Mecânicas da Liga A356. Dissertação de Mestrado PGCEMUDESC, Medidas de alongamento com suas correspondentes microestruturas e superfícies de fratura (ampliadas 500x), em função do tempo de solubilização (540 C) para o lote 2 (Mg = 0,30 % em peso) da liga. HASKEL, Tatiane. Efeito do Tratamento Térmico de Solubilização na Microestrutura e nas Propriedades Mecânicas da Liga A356. Dissertação de Mestrado PGCEMUDESC,

20 Efeito do Tempo de Precipitação nas Propriedades Mecânicas da liga 356 RONSANI, Greice S. Tratamento de envelhecimento artificial das ligas 356 e A356: efeitos da composição química, do tempo e da temperatura nas propriedades mecânicas. Dissertação de Mestrado PGCEMUDESC, Efeito do Tempo de Precipitação nas Propriedades Mecânicas da liga 356 RONSANI, Greice S. Tratamento de envelhecimento artificial das ligas 356 e A356: efeitos da composição química, do tempo e da temperatura nas propriedades mecânicas. Dissertação de Mestrado PGCEMUDESC,

21 Efeito da Temperatura de Precipitação nas propriedades mecânicas da liga 356 Limite de Escoamento (MPa) LE BX Mg LE Alto Mg LR Baixo Mg LR Alto Mg Limite de Resistência (MPa) 100 BF Solubilizado 5h 155 C 5h 175 C 5h 195 C 5h 215 C Tratamento 100 Figura 3 - Limites de resistência e de escoamento para amostras brutas de fundição, solubilizadas e envelhecidas 5h usando diferentes temperaturas. RONSANI, Greice S. Tratamento de envelhecimento artificial das ligas 356 e A356: efeitos da composição química, do tempo e da temperatura nas propriedades mecânicas. Dissertação de Mestrado PGCEMUDESC, Efeito da Temperatura de Precipitação nas propriedades mecânicas da liga 356 M icrodureza V ickers (HV ) HV Bx Mg HV alto Mg AL% Bx Mg AL% Alto Mg A l o n g a m en to (% ) BF Solubiliza do 5h 155 C 5h 175 C Tratamento 5h 195 C 5h 215 C Figura 4 - Valores de alongamento e microdureza para amostras brutas de fundição, solubilizadas e envelhecidas durante 5h a diferentes temperaturas. RONSANI, Greice S. Tratamento de envelhecimento artificial das ligas 356 e A356: efeitos da composição química, do tempo e da temperatura nas propriedades mecânicas. Dissertação de Mestrado PGCEMUDESC,

22 ,9 108,4 Evidência do efeito do tratamento de precipitação Microdureza ,8 88,9 84,5 81,8 81,3 80,33 62,5 Bruta de Fusao Solubilizada T6 5h 155 C A bx Mg 356 At Mg Condição de Tratamento 300 Limite de escoamento (MPa) ,8 152,5 142,5 148, , ,4 228,7 A bx Mg 356 At Mg 0 Bruta de Fusao Solubilizada T6 5h 155 C Condição de Tratamento Figura 5: Variações no limite de escoamento nas ligas 356 e A356 para diferentes condições experimentais. RONSANI, Greice S. Tratamento de envelhecimento artificial das ligas 356 e A356: efeitos da composição química, do tempo e da temperatura nas propriedades mecânicas. Dissertação de Mestrado PGCEMUDESC, Limite de Escoamento (MPa) LE BX Mg LE Alto Mg LR Baixo Mg LR Alto Mg Limite de Resistência (MPa) BF Solubilizado 5h 155 C 5h 175 C 5h 195 C 5h 215 C Tratamento Ocorrência de superenvelhecimento? Liga Limites de resistência e de escoamento para amostras brutas de fundição, solubilizadas e envelhecidas 5h usando diferentes temperaturas RONSANI, G. S. ; VERRAN, G. O. ; Vilella, V. M. C. ; Vogel, W.F.. Envelhecimento artificial das ligas 356 e A356: efeitos da composição química e dos parâmetros de processamento. In: Anais do 12 Seminário de Metais Não Ferrosos da ABM. São Paulo: ABM- Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração, v. u p

23 Precipitados β Amostras tratadas 5h a 155 C. SEGUNDO, E.H.; VERRAN, G.O.; BATISTA, G.M. Análise dos efeitos dos tratamentos térmicos de solubilização e envelhecimento artificial sobre a microestrutura da liga de alumínio A356 Revista Matéria, v.20, n.4, pp , Precipitados β Amostras tratadas 5h a 215 C. Precipitados mais grosseiros resultado do super envelhecimento causado pelo uso de altas temperaturas de envelhecimento SEGUNDO, E.H.; VERRAN, G.O.; BATISTA, G.M. Análise dos efeitos dos tratamentos térmicos de solubilização e envelhecimento artificial sobre a microestrutura da liga de alumínio A356 Revista Matéria, v.20, n.4, pp ,