Endurecimento por precipitação em ligas de alumínio

O alumínio possui propriedades bastante interessantes: é pouco denso em relação aos outros metais, é abundante na crosta terrestre, tem excelente condutividade térmica e elétrica e apresenta boa resistência à corrosão em diversas condições. Ainda assim, há diversas aplicações para as quais o alumínio não consegue atender a todos os requisitos necessários, mas se encaixa muito bem em alguns deles. Foi nesse contexto que surgiram as ligas de alumínio,  que permitem que através da adição de elementos de liga seja possível continuar usufruindo em parte das propriedades interessantes deste metal, ao mesmo tempo em que outras de suas características são aprimoradas. A principal modificação feita nas ligas de alumínio é o endurecimento por precipitação, o qual visa a uma melhora da resistência mecânica do material através da adição de elementos de liga específicos e tratamentos térmico. No entanto, como podemos ver na figura abaixo, nem todos os elementos de liga são adicionados com o objetivo de promover precipitação por envelhecimento.

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As principais ligas de alumínio que são tratadas dessa forma são aquelas pertencentes aos grupos 2XXX, 6XXX e 7XXX, nomenclaturas dadas respectivamente às ligas de Al-Cu, Al-Mg-Si e Al-Zn.  Os níveis de resistência mecânica mais elevados são atingidos pelas ligas 7XXX.

Para realizar o endurecimento por precipitação nas ligas em questão, são realizadas as etapas de solubilização, têmpera e envelhecimento, mostradas na figura abaixo e esclarecidas em seguida.

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Mecanismo de precipitação por envelhecimento para ligas Al-Cu (2XXX), mostrando as etapas de solubilização (1), têmpera (2) e envelhecimento (3).

Primeiramente é necessário que todos os elementos precipitados no alumínio sejam solubilizados na matriz. Em outras palavras, os elementos devem movimentar-se de regiões em que estão concentrados, na forma de um composto, para as regiões ricas em alumínio. Ao ocuparem lacunas e/ou interstícios nas células cristalinas do alumínio, incorporam-se ao material de forma a formar uma única fase. Para que isso aconteça, a temperatura da liga é elevada até que a solução sólida entre os elementos seja a condição mais favorável termodinamicamente (região 1 da figura) e mantida por um tempo necessário para que todo o material esteja em uma faixa adequada de temperatura e todos os precipitados tenham sido dissolvidos. Em seguida, o material é resfriado relativamente rápido, na tentativa de “congelar” essa microestrutura (região 2), já que uma vez que se retorna à temperatura ambiente, ela não é mais a mais termodinamicamente estável. Para realizar essa etapa, chamada de têmpera, o material pode ser colocado em meios refrigerantes como água em temperatura ambiente, água fervente, pode ser realizada uma ventilação forçada do ambiente, etc. O resultado é uma solução sólida, como se havia obtido anteriormente durante a solubilização, no entanto metaestável, supersaturada. Assim, para retornar ao estado de menor energia, o material tenderá a iniciar um processo de precipitação. Como a quantidade de precipitados irá depender do tempo, a etapa é denominada envelhecimento do material. Esse envelhecimento pode ser natural, deixando o material por alguns dias na temperatura ambiente, ou artificial, provocada através de mais uma etapa de tratamento térmico (região 3). Nos momentos iniciais do envelhecimento, ocorre a formação de alguns pré-precipitados, conjunto de alguns átomos que se aglomeram em uma região determinada e são coerentes com a matriz. Estes são denominados de zonas Guinier-Preston. Em seguida, tendo sempre a supersaturação como força motriz, os aglomerados evoluem para estruturas de transição, que com o passar do tempo atingem o equilíbrio, formando as estruturas finais. A formação desses precipitados na matriz aumenta a resistência mecânica, por dificultar o movimento das discordâncias. No entanto, pela mesma razão, também diminui a ductilidade do material. O envelhecimento natural é o processo que obtém a melhor relação resistência mecânica-ductilidade, no entanto é mais demorado do que o artificial. Além disso, apenas através do envelhecimento artificial é possível atingir a resistência máxima para uma determinada liga. Muitas vezes, para obter-se esses maiores graus de resistência, é necessário realizar tratamentos de envelhecimentos duplos. Inicialmente o material é elevado até uma temperatura não muito elevada, para que o grau de supersaturação não seja significantemente diminuído e então diversos pré-precipitados sejam formados. Isso ajuda a evitar a formação de zonas livres de precipitados e também a precipitação dos mesmos nos contornos de grão. Em seguida, uma vez que o precipitados já estão devidamente nucleados, a temperatura é elevada mais significantemente para que os mesmos possam crescer mais rapidamente. Assim, conseguem-se boas propriedades e otimiza-se o tempo de tratamento térmico.

Fontes:

VASUDEVAN, Asuri K.; DOHERTY, Roger D. (Ed.). Aluminum Alloys–Contemporary Research and Applications: Contemporary Research and Applications. Elsevier, 2012.

ALUMINUM ASSOCIATION et al. Aluminum: properties and physical metallurgy. ASM International, 1984.

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