ANÁLISE DA FRATURA EM MATERIAIS COMPÓSITOS DE MATRIZ DE ALUMÍNIO REFORÇADOS COM Ni 3 Al OBTIDOS VIA METALURGIA DO PÓ.

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1 ANÁLISE DA FRATURA EM MATERIAIS COMPÓSITOS DE MATRIZ DE ALUMÍNIO REFORÇADOS COM Ni 3 Al OBTIDOS VIA METALURGIA DO PÓ. C.E. da Costa, J.S.Q. Espinoza Centro de Ciências Tecnológicas CCT/UDESC Departamento de Engenharia Mecânica Campus Universitário, S/N, Bairro Bom Retiro, Joinville/SC dem2cec@joinville.udesc.br Resumo: Na literatura, muitos dos trabalhos sobre materiais compósitos utilizam o alumínio e suas ligas como matriz metálica, principalmente por apresentarem uma excelente resistência/ peso e alta ductilidade. Atualmente, as ligas da série 6XXX, são de interesse particular nas áreas automobilística e aeroespacial, pois apresentam atrativas combinações de propriedades, entre elas, facilidade de conformação e elevada resistência a corrosão, fazendo deste um excelente material estrutural. A metalurgia do pó aliada a técnica de conformação via extrusão a quente, tem possibilitado obter ótimas vantagens na fabricação de materiais compósitos, pois permitem a eliminação da etapa de sinterização e ocorre um aumento nas propriedades mecânicas, devido a obtenção de um material com uma microestrutura refinada com baixos ou nulos níveis de segregação, possibilitando o processamento dos mesmos a temperaturas menores. Neste trabalho analisa-se o comportamento de fratura ocorridos em compósitos extrudados de matriz AA6061 reforçados com Ni 3 Al, submetidos ou não a tratamento térmico, nas distintas etapas de processamento. A liga base AA6061 foi fabricada através do processo de moagem de alta energia e posterior extrusão apresentando uma fratura do tipo dúctil. Esta característica de ductilidade da matriz também é verificada nos materiais compósitos evidenciando que os reforços não têm um efeito de fragilização. Palavras chaves: Materiais Compósitos, AA6061, Fratura dúctil, Moagem de Alta Energia, Extrusão. INTRODUÇÃO Os materiais compósitos de matriz metálica, MMCs, tem alcançado um nível de emprego muito elevado em todo o mundo, pois constituem uma classe de material de nova geração cujas propriedades podem ser projetadas para serem adaptadas a determinados setores industriais (6). Entre os metais que mais se destacam, como material de matriz, encontram se as ligas de alumínio, que propiciam uma composição mais específica e também uma redução de peso, características importantes para conseguir propriedades mecânicas específicas aos materiais compósitos de matriz metálica, sendo superiores aos materiais convencionais (1,3). Em particular, a ductilidade e a tenacidade a fratura que estão fortemente influenciadas pela matriz de alumínio e por seu posterior tratamento térmico. As ligas da série 6XXX, principalmente a 6061 e 6063, são de interesse particular em todo o setor de transporte. Isto se deve a sua atrativa combinação de propriedades, incluindo na facilidade de conformação e excelente resistência a corrosão, sendo que está é maior que as da série 2XXX e 7XXX, ligas consideradas tradicionais no setor aeroespacial, mas que são propensas ao ataque intergranular (10). Isto unido ao baixo custo relativo do material de reforço particulado, a quantidade adicional e, as mudanças provocadas pelos métodos empregados na fabricação dos materiais compósitos de matriz alumínio (Al MMCs), fazem com que possam chegar a ser competitivos em aplicações de escala industrial, com no setor automobilístico. Os compostos intermetálicos, em especial os aluminetos de níquel e ferro, tem sido amplamente utilizados com material de reforço, por apresentarem uma excelente relação resistência/peso e altas temperaturas de fusão. O alumineto de níquel, Ni 3 Al, é o intermetálico mais conhecido e vem sendo produzido por diferentes métodos, entre os quais encontra se a técnica de solidificação rápida (RST) e moagem de alta energia (MAE) (1). O alumínio possui características adequadas para ser processado via metalurgia do pó (M/P) (7), como a elevada compressibilidade e baixa temperatura de sinterização, além da possibilidade de obter produtos com grande homogeneidade e precisão dimensional, com uma economia de matéria 2001

2 prima e energia. Dentro da área da M/P, uma técnica que vem se destacando atualmente, é Moagem de Alta Energia (MAE) (3). Esta foi desenvolvida em 1960 por J. S. Benjamin e co autores. Consiste num processo de moagem de alta energia, produzindo pós metálicos, compósitos e cerâmicos no estado sólido, onde os pós de partida são submetidos a soldagem e a fratura pela ação contínua do movimento das bolas, favorecendo uma microestrutura fina e controlada (2,3). Esta técnica aliada a conformação mecânica, tipo extrusão a quente, tem permitido seu processamento a temperaturas menores, apresentando características microestruturais muito boas, com uma densificação quase total. Este trabalho visa analisar a superfície de fratura procedentes do ensaio mecânico, dos materiais compósitos de matriz AA6061 reforçados com 5 e 10 % de Ni 3 Al e conformados por extrusão a quente, via microscopia eletrônica de varredura (MEV). Esta técnica resulta numa ferramenta muito importante na análise fractográfica, já que nos auxilia a determinar o comportamento em fratura dos materiais, intimamente relacionados com as características microestruturais dos materiais tratados ou não tratados termicamente. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Os materiais compósitos de matriz alumínio reforçados com partículas de Ni 3 Al, foram fabricados através da combinação das técnicas de M/P e extrusão a quente. A liga AA6061, parte constituinte da matriz do compósito, foi obtida mediante o processo de moagem de alta energia (MAE), com uma composição de 1,0% Mg 0,5%Si 0,2%Cu e mais 1,5 % de PCA, sob as condições de 10 horas de moagem a uma velocidade de moagem de 700rpm. O Agente Controlador do Processo (PCA), tem a finalidade de evitar a aglomeração dos pós de alumínio, por estes serem muito dúcteis. O composto intermetálico, Ni 3 Al, foi produzido pelas técnicas de moagem de alta energia (MAE) e técnica de solidificação rápida (RST), ambos caracterizados por da Costa (3) e Perez (8) respectivamente. Ambos os pós foram misturados manualmente por um período de 30 minutos, com duas diferentes percentagem quanto ao material de reforço, 5 e 10 % em peso. Estes então foram compactados uniaxialmente a 250 MPA, obtendo se um compactado a verde cilíndrico de aproximadamente 20 gramas, logo após lubrificados numa pasta a base de óleo e grafite, para facilitar o processo de conformação e evitar a oxidação dos mesmos. Os materiais compósitos foram submetidos a extrusão a quente, a uma temperatura de 540 o C (4), homogeneizados por 30 minutos, com uma redução de 25:1, sob uma pressão de 385 MPa. O produto final, apresenta se na forma de uma barra cilíndrica de 5mm de diâmetro. Durante o processo o material compósito assegura um refinamento microestrutural, com uma boa distribuição do reforço, e com uma porosidade praticamente nula. Os materiais extrudados, foram divididos em dois grupos, os que sofreram tratamentos térmicos T6, e os não tratados, visando analisar sua evolução microestrutural, e quanto ao comportamento a fratura. Os materiais tratados foram solubilizados a 520 o C por 40 minutos, temperados e envelhecidos artificialmente a 177 o C por 8 horas, segundo a norma da ASTM (4). No caso da observação fractográfica, via microscopia eletrônica de varredura, o procedimento é muito simples, pois que somente e necessário realizar um corte cuidadoso da zona de ruptura das amostras prodecentes do ensaio de resistência a tração, de maneira que se obtenha uma peça de reduzidas dimensões (aproximadamente 1 cm). Desta forma facilita se seu manuseio no interior do microscópio, minimizando a possibilidade de danos. 2002

3 RESULTADOS A microscopia eletrônica de varredura, resulta numa ferramenta muito importante na análise fractográfica, para determinar o tipo de comportamento da fratura do material (6), intimamente relacionados com as características microestrutural da liga. Os materiais compósitos sobre os quais se realizaram estes ensaios foram baseados na liga AA6061 reforçados com os distintos percentuais de Ni 3 Al e, submetidos ao tratamento térmico T6. 20 µm 50 µm Figura 01 Superfície de fratura, liga AA6061. T6. Figura 02 Superfície de fratura,liga AA6061 A figura 01, apresenta um aspecto geral e detalhado da morfologia da fratura da liga base AA6061 constituinte da matriz. Esta apresenta uma clara aparência de fratura do tipo dúctil (7), com grande quantidade de cavidades próprias deste tipo de fratura, por toda a sua superfície. Sendo melhor visualizado a maiores aumentos, como aparece na figura 02, para a liga base extrudada e tratada, T6. Nesta, pode se apreciar a tipologia dúctil da fratura, com a abundante presença de cavidades produzidas pela deformação plástica (9). Cabe destacar, a formação de dois tipos de cavidades, uma de maior tamanho e profundidade, frente a outra de menor tamanho, que se encontram distribuídas homogeneamente por toda a superfície de fratura. As figuras a seguir, mostram a típica imagem de fratura obtida, com as diferentes falhas nos materiais compósitos. Pode se ver o tipo de morfologia de fratura que ocorre na matriz e nas partículas intermetálicas. A superfície de fratura do tipo dimples observada no material compósitos extrudado indica a significativa deformação plástica experimentada pela matriz durante a carga de tensão, sendo assim considerado que a falha da matriz de alumínio neste materiais é do tipo dúctil (6). O estudo da fratura, determina que os materiais compósitos extrudados falham devido a iniciação de microcavidades, crescimento e mecanismos de coalescência, com também a iniciação de vazios que tendem a ocorrer na interface matriz reforço (5), ou ao rompimento do material de reforço. Para os materiais reforçados com Ni 3 Al via MAE, a figura 03, mostra que a superfície de fratura, apresenta uma boa coerência e união entre os materiais de reforço e a matriz, sendo esta melhor visualizada nos materiais com menor quantidade de reforço. Os reforço não são arrancadas da matriz, mas sim rompidas, por sua vez a fratura nestes materiais ocorre no meio da partícula intermetálicas, observando se a permanência do núcleo do intermetálico. Isto se deve a morfologia alcançadas pelas partículas neste tipo de processo, no qual se apresenta de forma equaixial, µm 10 µm

4 possibilitando uma melhor ligação mecânica com a matriz. Figura 03 Fractografia do compósito com Figura 04 Fractografia do compósito com 5% de Ni 3 Al via MAE. 10% de Ni 3 Al via MAE. No material com 10 % Ni 3 Al via MAE, a superfície de fratura, figura 04, apresenta em pouquíssimas partículas uma má aderência com a matriz, sendo que as fraturas também ocorrem no meio das partículas, já neste material aparecem partículas fraturadas. 50 µm 5 µm Figura 05 Mat. com 10% Ni 3 Al via RST. superficial. Figura 06 Partícula com arrancamento É evidente que a falha do material com 10 % Ni 3 Al via RST, se produz principalmente pelo arrancamento do reforço, como mostra a figura 05,observando - se perfeitamente a separação entre as partículas de reforço e a matriz. A má aderência entre ambos os materiais, provoca o surgimento de pequenos vazios voids nas interfaces, e que posteriormente coalescem provocando a falha prematura do material. O mesmo se verifica no compósito com 5% Ni 3 Al via RST, mas em menores quantidades, porém estes materiais, com se vê na figura 06, a partícula que permanecem unida a matriz de alumínio, apresentam um arrancamento superficial da partícula. Após o tratamento T6, para uma temperatura de solubilização de 520 o C, foram observadas diferentes camadas de reação ao redor das partículas intermetálicas. Estas camadas são devido a interdifusão dos elementos presentes em ambos os materiais, matriz e intermetálico (1), (11). De maneira geral, a superfície de fratura de todos os materiais tratados, se apresentam de forma similar aos materiais não tratados. Porém nos materiais reforçados com Ni 3 Al via MAE, pode se observar através da figura 07, que o núcleo primitivo das partículas Ni 3 Al, surge cercada pela camada de reação com um aspecto peculiar de fratura, possivelmente devido a estrutura de grãos finos. T6 20 µm Figura 07 Partícula, Ni 3 Al T6. Fratura na camada de reação, quanto obtida por MAE. 5 µm Figura 08 Partícula, com 5% Ni 3 Al via RST formação da fratura ao redor do reforço. 2004

5 Nos materiais com 5 e 10 % de reforço, Ni 3 Al, obtidos por RST, figura 08, observa se um grande números de partículas de reforço arrancadas, em comparação aos mesmos materiais sem tratamento térmico. O desenvolvimento da fratura ocorre através da interface, isto é, a fratura ocorre ao redor da partícula, sendo o resultado similar em ambos os compósitos. Esta fotografias nos permitem afirmar a íntima relação que existe entre a microestrutura do material e suas propriedades. Alem da relação entre as características dos materiais iniciais, a mistura inicial dos pós e o comportamento final uma vez conformado. CONCLUSÃO A técnica de observação, via microscopia eletrônica de varredura, mostra claramente o comportamento de fratura dos diferentes materiais, tanto da liga base, como dos materiais compósitos, matriz, partícula, interface matriz reforço. A análise das fractografias na liga base AA6061, revelam a ductilidade presente na parte constituinte da matriz. Esta característica, vem a confirmar que o processo de moagem de alta energia, é adequado para se obter uma matriz do tipo dúctil. Este aspecto é de grande importância, já que na hora de fabricar um material compósito reforçado com partículas, a matriz tem de apresentar uma ductilidade mínima necessária para que ocorra a deformação, fornecendo coerência ao material e atuando como verdadeiro ligante com o material de reforço. A ausência da regular separação na interface matriz reforço, sugere que a ligação interfacial é de boa qualidade. Esta característica é melhor apresentada pelo material compósito reforçado com 5% do intermetálico obtido por moagem de alta energia. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. AMIGÓ, V., SALVADOR, M. D., FERRER, C., BUSQUETS, D. Cryofracture Techniques used in the Study of Ni 3 Al Particles on Aluminium Matrix Composite. PM World Congress BENJAMIN, J. S. The Mechanical Alloying Process. Modern Developments in Powder Metallurgy. v DA COSTA,C. E. Obtención de Materiales Compuestos de Matriz de Alumínio reforzados Con Intermetálicos via Pulvimetalurgia. Estudio y Optimización de la Aleación Base y los Intermetálicos Obtenidos por Aleación Mecánica. Tesis Doctoral. Universidad Politécnica de Madrid. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas. Espanha, GUIA TÉCNICO DO ALUMÍNIO EXTRUSÃO. Associação Brasileira do Alumínio ABAL, v.1. 1 o ed e S. P. 5. KANETAKE, N., NOMURA, M., CHOH, T. Continuous Observation of Microstructural Degradation During Tensile Loading of Particle Reinforced Aluminium Matrix Composites. Materials Science and Technology. v MANOHARAN, M., GUPTA, M. Effect of Silicon Carbide Volume Fraction on the Work Hardening Behaviour of Thermomechanically Processed Aluminium based Metal Matrix Composites. Composites : Part B. v OGEL, B., GURBUZ, R. Microstructural Charaterization and Tensile Properties of hot Pressed Al SiC Composites Prepared from Pure Al and Cu Powders. Materials Science and Engineering. v. A PÉREZ, P., GONZÁLEZ CARRASCO, J. L., CARUANA, G., LIEBLICH, M., ADEVA, P. Mater. Charact. 2005

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7 FRACTURE ANALYSIS OF COMPOSITE MATERIALS USING ALUMINIUM MATRIX REINFORCED WITH Ni 3 Al OBTAINED VIA POWDER METALLURGY C.E. da Costa, J.S.Q. Espinoza Centro de Ciências Tecnológicas CCT/UDESC Departamento de Engenharia Mecânica Campus Universitário, S/N, Bairro Bom Retiro, Joinville/SC dem2cec@joinville.udesc.br The literature shows several works on composite materials using Aluminium or Aluminium alloys as metallic matrix, mainly due to its excellent strength / weight relation and high ductility. The car and aerospace industries have shown a growing interest in alloys of the 6XXX series because of good combined characteristics, such as high formability and corrosion resistance, thereby constituting an excellent structural material. Powder metallurgy allied to the heat extrusion technique has made possible to achieve excellent advantages in composite materials manufacturing due to elimination of the sintering step. The procedure yields materials with better mechanical properties due to a more refined microstructure, which, allied to low segregation levels, makes possible to use a lower process temperature. The present work analyses the fracture behaviour of composite materials based on a AA6061 matrix reinforced with Ni 3 Al, with and without thermal treatment performed during specific processing steps. The AA6061 base alloy is obtained by means of high energy milling followed by extrusion, which leads to a ductile fracture. The ductility exhibited by the matrix is also observed in the composite materials, which evince that the reinforcements have not increased the brittleness effect. Key-words: Composite materials, AA6061, Ductile fracture, High energy milling, Extrusion. 2007