LIGAS NÃO FERROSAS DE ENGENHARIA Principais Aplicações, Tratamentos e Propriedades Mecânicas António Gonçalves de Magalhães
AUTOR António Gonçalves de Magalhães TÍTULO LIGAS NÃO FERROSAS DE ENGENHARIA – Principais Aplicações, Tratamentos e Propriedades Mecânicas EDIÇÃO Quântica Editora – Conteúdos Especializados, Lda. Praça da Corujeira n.º 38 · 4300-144 PORTO Tel: 220 939 053 · E-mail: geral@quanticaeditora.pt · www.quanticaeditora.pt CHANCELA Engebook – Conteúdos de Engenharia DISTRIBUIÇÃO Booki – Conteúdos Especializados Tel. 220 104 872 · Fax 220 104 871 · info@booki.pt – www.booki.pt REVISÃO Quântica Editora – Conteúdos Especializados, Lda. DESIGN Delineatura – Design de Comunicação · www.delineatura.pt APOIO CENFIM – Centro de Formação Profissional da Indústria Metalúrgica e Metalomecânica · www.cenfim.pt Alpha Engenharia – www.alphaengenharia.pt IMPRESSÃO Dezembro, 2021 DEPÓSITO LEGAL 482556/21
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CDU 621.7 Tecnologia mecânica em geral: processos, ferramentas, máquinas, equipamentos ISBN Papel: 9789899017559 E-book: 9789899017566 Catalogação da publicação Família: Engenharia Mecânica Subfamília: Materiais/Metalúrgica
AOS LEITORES
INTRODUÇÃO
1. 1.1. 1.2. 1.3. 1.4.
O ALUMÍNIO E AS SUAS LIGAS Aplicações Codificação das ligas de alumínio Ligas alumínio – cobre Ligas alumínio – silício 1.4.1. Modificação das ligas de alumínio – silício
13 13 15 16 18 19
1.5.
Ligas alumínio – magnésio 1.5.1. Diagrama de equilíbrio 1.5.2. Principais propriedades e aplicações
21 21 23
9
1.6. Ligas alumínio – zinco 1.7. Ligas alumínio – manganés 1.8. Outros elementos de liga com o alumínio 1.9. O tratamento térmico das ligas de alumínio 1.9.1. Distensão 1.9.2. Homogeneização 1.9.3. Amaciamento 1.9.3.1. Restauração 1.9.3.2. Recristalização 1.9.3.3 Recozimento de precipitação
24 25 28 29 29 29 30 30 30 32
1.9.4. Envelhecimento por precipitação estrutural 1.9.4.1. Solubilização 1.9.4.2. Arrefecimento 1.9.4.3. Precipitação estrutural
32 33 33 34
1.9.5. 1.9.6.
1.9.7.
Classificação das diferentes condições de tratamento rigem do aumento de dureza através do tratamento de envelhecimento e da O queda de dureza causada pelo superenvelhecimento Tratamentos termomecânicos – Envelhecimento termomecânico
1.10. Anodização do alumínio e das suas ligas 1.11. Colmatação
35 38 42 42 43
MAGNÉSIO E LIGAS DE MAGNÉSIO
45 45 47 47 48 48 49
3.1. 3.2.
ZINCO E LIGAS DE ZINCO Efeito das principais impurezas Ligas de zinco 3.2.1. Ligas com 4% de alumínio 3.2.2. Ligas com 4% de alumínio e 3% de cobre 3.2.3. Ligas com 12% de alumínio 3.2.4. Ligas com 35% de alumínio
51 51 52 53 54 54 55
3.3. 3.4.
Composição e designação do zinco e das suas principais ligas Tratamento térmico do zinco e suas ligas
55 56
2.
2.1. Classificação ASTM 2.2. Classificação UNS 2.3. Aplicações 2.4. Precauções no manuseamento do magnésio 2.5. Principais ligas de magnésio 2.6. Tratamentos térmicos
3.
ÍNDICE
VII
V
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ÍNDICE
4.
COBRE E LIGAS DE COBRE
4.1. 4.2.
Designação do cobre e suas ligas Ligas de cobre 4.2.1. Latões 4.2.2. Bronzes 4.2.3. Ligas cuproníquel
57 57 58 58 60 63
4.3.
Tratamentos térmicos do cobre e respetivas ligas 4.3.1. Latões 4.3.2. Bronzes
64 64 64
4.4.
Temperaturas de recozimento de algumas ligas de cobre
65
NÍQUEL E LIGAS DE NÍQUEL
5.1. 5.2.
Níquel comercialmente puro Ligas de níquel 5.2.1. Ligas de níquel com cobre 5.2.2. Ligas de níquel com molibdénio 5.2.3. Ligas de níquel com crómio 5.2.4. Ligas de níquel com titânio 5.2.5. Ligas complexas 5.2.6. Superligas de níquel
67 67 68 68 69 71 72 73 73
5.3.
Tratamento térmico do níquel e respetivas ligas
76
TITÂNIO E LIGAS DE TITÂNIO
5.
6.1.
Titânio e respetivas ligas 6.1.1. Titânio puro 6.1.2. Ligas a 6.1.3. Ligas quase – a 6.1.4. Ligas a + b 6.1.5. Ligas b
77 78 78 79 79 80 80
6.2. 6.3.
Classificação das ligas de titânio Tratamento térmico do titânio e respetivas ligas 6.3.1. Tipologia dos tratamentos
80 81 82
7.
Berílio e ligas de berílio
85
8.
Chumbo e ligas de chumbo
87 87 88 88
Estanho e ligas de estanho
91 91 92 94
6.
8.1. Aplicações 8.2. Chumbo e ligas de chumbo 8.3. Tratamento térmico em ligas de chumbo
9.
9.1. Aplicações 9.2. Estanho e ligas de estanho 9.3. Tratamento térmico do estanho e respetivas ligas
10.
Ligas refratárias
10.1. Molibdénio 10.2. Tungsténio 10.3. Tântalo 10.4. Nióbio 10.5. Rénio 10.6. Háfnio
VI
QUESTÕES PROPOSTAS PARA REVISÃO DE CONTEÚDOS ANEXOS BIBLIOGRAFIA & WEBGRAFIA ÍNDICE DE FIGURAS ÍNDICE DE TABELAS
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97 97 98 99 100 101 102 CV CXXI CXXXIII CXXXVII CXLI
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1. O ALUMÍNIO E AS SUAS LIGAS
Consoante o principal processo de fabrico a que se destinam, as ligas de alumínio podem ser classificadas em dois grupos distintos: − L igas para deformação plástica: ligas formadas por uma solução sólida deformável a frio ou a quente e disponibilizadas no mercado sob a forma de chapas e perfis; − L igas para fundição: ligas com constituintes de composição eutética que apresentam melhor colabilidade, menor tendência para rechupes, fissuração e segregações que são empregues para a produção de peças pelo processo de fundição. As suas principais características são: • Baixa viscosidade, o que facilita o preenchimento de secções finas; • B aixa temperatura de fusão, possibilitando a utilização de moldes metálicos e um menor custo de processamento, nomeadamente, custos energéticos associados ao processo de fusão; • E levado coeficiente de transferência de calor, possibilitando a realização de ciclos de fundição curtos; • O teor de hidrogénio (que apresenta solubilidade significativa em ligas de alumínio) pode ser controlado pelos processos de desgaseificação; • N ão apresentam tendência significativa para o fenómeno de fissuração a quente; • N ão apresentam interações ou reações do tipo metal-molde e, consequentemente, apresentam bom acabamento superficial após a fundição.
Figura 1.1. Aplicação do alumínio no setor da construção (produção de perfis) e na indústria aeronáutica. Fontes: APAL – Associação Portuguesa do Alumínio; “Fuselagem Aeroespacial – Mecânica de Precisão – Fatec SP, Notas de estudo de Engenharia Mecânica” de Marcos Merighi.
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1. O ALUMÍNIO E AS SUAS LIGAS
• S érie 8xxx corresponde a ligas de alumínio com outros elementos de liga como, por exemplo, o lítio. − L igas de fundição: são classificadas com 4 algarismos em que os três primeiros e o último estão separados por um ponto. O primeiro algarismo diz respeito, tal como nas ligas para deformação plástica, ao principal elemento de liga. • • • • • • • •
Série 1xx.x alumínio puro (99,5%); Série 2xx.x ligas com Cu; Série 3xx.x ligas com Si e Cu ou Mg; Série 4xx.x ligas com Si; Série 5xx.x ligas com Mg; Série 6xx.x série livre; Série 7xx.x ligas com Zn; Série 8xx.x ligas com Sn.
1.3. Ligas alumínio – cobre O cobre produz um efeito endurecedor muito significativo. Daí que as ligas alumínio-cobre, cujo diagrama de equilíbrio é representado na figura 1.2., apresentem excecionais propriedades mecânicas. Percentagem atómica de Cobre 10
1100
20
30
40
50
60 70
1000
b
L
900 Temperatura (ºC)
80 90 100 1084,87 ºC
b0
CL
800 g 700 600
660,452 ºC 567 ºC
a
548,2 ºC
500
h
400 300
q
(Al)
0 Al
10
20
30
40
50
(Cu) 60
70
80
Percentagem de Cobre em peso
90
100 Cu
Figura 1.2. Diagrama de equilíbrio das ligas Al-Cu. Fonte: Adaptações de ASM Handbook, Volume 3, Alloy Phase Diagrams.
16
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1. O ALUMÍNIO E AS SUAS LIGAS
a)
b)
c)
d)
FIGURA 1.5. Microestrutura de uma liga do tipo A356 com modificação por estrôncio: a) sem modificação; b) com 0,0047% Sr; c) com 0,0156% Sr; d) com 0,0720% Sr. Fonte: Adaptada de Nafisi, S. e R. Ghomashchi, “Effects of modification during conventional and semi-solid metal processing of A356 Al-Si alloy”, Materials Science and Engineering: A, 2006. 415(1– 2): p. 273-285).
As propriedades mecânicas das ligas de Al-Si-Mg são fundamentalmente dependentes da microestrutura e dos parâmetros associados ao processo de fundição. Estas ligas podem ainda ser sujeitas a tratamento térmico que comporta a solubilização e o envelhecimento. Porque realizado a temperatura próxima do eutético, a solubilização promove a dissolução de fases intermetálicas e a modificação térmica das partículas de silício, quer por globulização, quer por coalescimento. Este efeito é ilustrado na figura 1.6. Com a realização do tratamento de solubilização a 540 °C e arrefecimento em água as partículas de silício apresentam-se arredondadas e aglomeradas, o que é acompanhado de uma melhoria das propriedades mecânicas. a)
b)
d)
FIGURA 1.6. Modificação de uma liga Al7Si0.3Mg com tratamento de solubilização: a) estrutura bruta de fusão; b) solubilização a 540 °C durante 4 horas; c) solubilização a 540 °C durante 6 horas. Fonte: Adaptada de Azevedo, T.L.F., Processamento de ligas Al7Si0,3Mg na Firmago, Dissertação do Mestrado Integrado em Engenharia Metalúrgica e de Materiais, FEUP, julho, 2014, pp.45.
O tratamento térmico pode, também, decorrer na presença do elemento modificador. Esta situação corresponde, por regra, a uma estrutura de maior homogeneidade. A título de exemplo, podemos encontrar na tabela 1.2. propriedades mecânicas de algumas ligas de alumínio-silício moldadas em areia.
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700
10
20
30
40
50
60
70
80
660,45 ºC
90
100
650 ºC
600
Temperatura (ºC)
1. O ALUMÍNIO E AS SUAS LIGAS
Percentagem atómica de Magnésio 0
Líquido
500 450 ºC
(Al) a
400
437 ºC Al12Mg17 R
(Mg) d
g
300 Al3Mg2 b
200
100
0
Al
10
20
30
40
50
60
70
80
Percentagem de Magnésio em peso
90
100
Mg
FIGURA 1.7. Diagrama de equilíbrio das ligas Al-Mg. Fonte: Adaptações de ASM Handbook, Volume 3, Alloy Phase Diagrams.
É importante notar que estas ligas podem possuir estruturas instáveis4 como: − A fase b que tem tendência a precipitar em planos de deslizamento e em contornos de grão, quando ultrapassados os 3-4% de magnésio. A corrosão intergranular e a corrosão sob tensão podem ocorrer em ambientes corrosivos. A fase b precipita à temperatura ambiente e é acelerada por deformação a frio considerável ou quando a estrutura é levemente aquecida. A adição de pequenas quantidades de crómio e manganés melhoram as propriedades mecânicas e diminuem a precipitação; − A s ligas endurecíveis por deformação plástica podem sofrer amaciamento à temperatura ambiente. O grau de amaciamento aumenta com o aumento da percentagem de trabalho a frio exercido. Este amaciamento é explicado pelo processo de relaxação ou pela precipitação da fase b em planos de deslizamento. Em ligas ricas em magnésio, o ponto eutético ocorre à temperatura de 437 °C, possuindo uma solubilidade máxima de 12,7% de alumínio. A solubilidade reduz-se com a diminuição da temperatura. A 200 °C, por exemplo, a estrutura hexagonal compacta do magnésio pode dissolver cerca de 3,2% de alumínio. 4 Uma estrutura diz-se instável quando o estado termodinâmico que lhe está associado não corresponde ao mínimo de energia.
22
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1. O ALUMÍNIO E AS SUAS LIGAS
1.6. Ligas alumínio – zinco As ligas de alumínio com zinco, cujo diagrama de equilíbrio é representado na figura 1.8., concorrem com as ligas de alumínio-cobre, embora apresentem globalmente piores características. O diagrama de equilibrio apresenta uma solução sólida a de zinco em alumínio, uma solução sólida b de alumínio em zinco, também identificada por alguns autores como zinco elementar e uma solução sólida intermédia. O zinco apresenta elevado grau de solubilidade no alumínio. Para provocar o mesmo efeito endurecedor do cobre é necessária, contudo, uma maior quantidade de zinco. Podemos encontrar três sistemas entre as ligas de alumínio-zinco: o sistema binário Al-Zn, o sistema ternário Al-Zn-Mg e o sistema quaternário Al-Zn-Mg-Cu. Tal como as ligas de Al-Cu e Al-Mg-Si, são ligas endurecíveis por precipitação estrutural, ou seja, mediante tratamento térmico controlado em condições específicas, geralmente de solubilização e envelhecimento, apresentam ganhos significativos de dureza. As principais aplicações são na indústria aeronautica, uma vez que as ligas da série 7XXX são aquelas que atingem os níveis mais elevados de resistência mecânica entre as ligas de alumínio. Percentagem atómica de Zinco 800
0
700
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Líquido
660,45 ºC
Temperatura (ºC)
600
500 (Al) a
400
94 381 ºC 83,1
351,5 ºC 300
419,58 ºC
b
277 ºC 32,4
77,7
99,3 (Zn)
200
100 0 Al
10
20
30
40
50
60
70
Percentagem de Zinco em peso
80
90
100 Zn
FIGURA 1.8. Diagrama de equilíbrio das ligas Al-Zn. Fonte: Adaptações de ASM Handbook, Volume 3, Alloy Phase Diagrams.
24
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Tensão de rotura (MPa)
peritética (50-100 °C), devido ao zonamento estrutural7, da segregação interdendrítica8 e dos eutéticos e peritéticos, concentrados nas juntas de grão. Não ter isto em consideração poderia ocasionar uma fusão parcial, podendo haver oxidação, o que tornaria a liga “queimada”9.
500
400
ductilidade
resistência mecânica 300
recup.
recristalização
cresc. grão
Tamanho do grão (mm)
grãos deformados por encruamento
0,040 novos grãos
0,030 0,020 0,010 100
200
300
400
500
600
700
Temperatura de recozimento (ºC)
FIGURA 1.10. Representação esquemática do processo de recristalização. Fonte: Adaptação de W. Callister, Materials Science and Engineering: An Introduction, 9.º ed., John Wiley & Sons, Inc., 2013.
Ocorre zonamento estrutural quando uma liga com intervalo de solidificação arrefece em condições de equilíbrio e se verifica uma diferença de composição entre as primeiras regiões a solidificar e as últimas. A consequência desta microsegregação é a diminuição das propriedades. 8 Segregação interdendrítica é um tipo de microsegregação que ocorre durante a solidificação dendrítica. Os ramos das dendrites crescem com as extremidades voltadas para o líquido e entre estes o líquido remanescente é enriquecido pelo soluto rejeitado pela fase sólida. 9 Liga queimada pode ocorrer em diagramas com uma transformação eutética e na presença de fenómenos de segregação que tendem a localizar-se predominantemente nas juntas de grão de tal forma que a posterior elevação de temperatura pode conduzir à desagregação do metal. A recuperação deste estado só pode ser realizada voltando de novo ao estado líquido. 7
31
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Sobre o fenómeno da precipitação estrutural nas ligas de alumínio tratáveis termicamente, vejamos cada um dos casos referidos:
– Envelhecimento artificial (maturação artificial)
O efeito da precipitação é bastante acelerado mediante o aquecimento a temperaturas na ordem dos 95 a 205 °C, bastante inferiores à temperatura da linha de solubilidade (acima da qual ocorre a solubilização dos átomos de soluto); 700
recozido de solução
L
1
a+L
600
Temperatura (ºC)
1. O ALUMÍNIO E AS SUAS LIGAS
1.9.4.3. Precipitação estrutural
a
500
1
5.65
548 ºC arrefecimento rápido envelhecimento
recozido de solução 400 300
a+q
200
3 envelhecimento
100 0
2 arrefecimento rápido Al
2
4
6
Cristais de a
7
Cristais de ass (sobressaturados)
2 solução sobressaturada
3
q q q qq q q q qq qqqqq q q q qq qq q qq qq q q q q qqqqqq qqqqq q q q q q qqqqq q q q qq q q qqq q q q q q qqqqqq
Cristais de a q
precipitação estrutural
% de Cobre
FIGURA 1.11. Evolução da microestrutura durante o tratamento de uma liga de alumínio com cobre. Fonte: Adaptação de Donald R. Askeland e Pradeep P. Phulé, The Science and Engineering of Materials, 4.º ed.
– Envelhecimento natural (maturação natural)
Utiliza-se o termo envelhecimento natural ou maturação natural para designar os processos de precipitação que ocorrem com a manutenção da liga à temperatura ambiente. Nestas condições o processo de envelhecimento por precipitação é muito mais lento e com níveis de dureza atingida bem inferiores aos que ocorrem no envelhecimento artificial.
34
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ambiente), além dos níveis de dureza que podem ser atingidos (bem mais altos para o envelhecimento artificial), é a cinética do processo: enquanto o pico de dureza no envelhecimento artificial pode ser obtido em algumas horas (tanto mais rápido quanto mais alta for a temperatura), no envelhecimento natural o máximo de dureza (inferior ao obtido em forno) somente acontece após uma semana ou mais de manutenção do material à temperatura ambiente. 140
120
GP(2)
130 ºC
Dureza Vickers
100 GP(1)
80
q´
60
190 ºC
q
40
0 0,01
0,1
10
1,0
100
1000
Tempo de envelhecimento (dias)
FIGURA 1.12. Envelhecimento de uma liga de alumínio-cobre com representação das zonas GP1 e GP2. Fonte: Adaptação de J. M. Silcock, T. J. Heal e H. K. Hardy, Alluminium, 1, American Society of Metals, 1967, p.123.
a)
b)
FIGURA 1.13. Representação de precipitados coerentes e incoerentes com a matriz; (a) precipitado incoerente: não existe qualquer relação com a estrutura cristalina da matriz envolvente; (b) precipitado coerente: existe uma relação coerente entre a estrutura cristalina do precipitado e da matriz envolvente. Fonte: Adaptação de Donald R. Askeland; Pradeep e P. Phulé, The Science and Engineering of Materials, 4.º ed.
39
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91: indica os percentuais de alumínio (9%) e zinco (1%) presentes na liga A: indica que esta liga foi a primeira a ser registada na ASTM com estas quantidades de alumínio e zinco T6: indica que a liga sofreu tratamento térmico de solubilização e foi envelhecida artificialmente
2.2. Classificação UNS Outro sistema de identificação é o sistema de numeração unificado (UNS)15. Este sistema reserva as designações de M10001 até M19999 para as ligas de magnésio.
2.3. Aplicações As ligas de magnésio são largamente utilizadas na indústria aeronáutica em componentes de motores, na fuselagem e em trens de aterragem, por exemplo. Encontra aplicação, também, na indústria automóvel (caixas de engrenagem, rodas, colunas de direção), indústria de armamento (mísseis) e em alguns componentes eletrónicos. As figuras seguintes, 2.1. a 2.4., ilustram algumas destas aplicações.
FIGURA 2.1. Componentes diversos.
FIGURA 2.2. Aro de roda de bicicleta.
FIGURA 2.3. Bloco de motor.
FIGURA 2.4. Jante para automóvel.
Fontes: APAL (“Extrusão”); “Fuselagem Aeroespacial – Mecânica de Precisão – Fatec SP, Notas de estudo de Engenharia Mecânica” de Marcos Merighi; Mercado Livre; Oxl. 15
O sistema de classificação UNS (Unified Numbering System), congrega várias entidades que representam diversos fabricantes e consumidores de vários tipos de metais e ligas.
47
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Tendo como base o diagrama de fases Cu-Zn, representado na figura 4.1., podemos dividir os latões em dois grandes grupos, função da estrutura que apresentam – ver esquema da figura 4.2. Percentagem atómica de Zinco
10
20
30
40
50
70
60
80
90
100
1100 1084,87 ºC
1000
37,5 32,5 902 38,8
900
58,5
Temperatura (ºC)
800
834 ºC 59,8
700
L
69,8
600
a
g
b
500 38,95
400
45,5
300
70,8
488 ºC 57,7 48,9
454 ºC
700 ºC 80,3 73,02 d 74,1
76,6 598 ºC 78,8 88,3
580 ºC
88,2 98,3 425 ºC 419,58 ºC 97,23
e
d
h
200 100 0 Cu
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 Zn
Percentagem de Zinco em peso
FIGURA 4.1. Diagrama de equilíbrio Cu-Zn. Fonte: Adaptações de ASM Handbook, Volume 3, Alloy Phase Diagrams.
Na tabela 4.1. são indicadas composições tipo para latões com as morfologias a e b. TABELA 4.1. Tipos de latões e respetivas composições químicas. Tipo
Designação comercial
Composição principal
a
C22000 – Latão comercial
90% Cu – 10% Zn
a
C23000 – Latão vermelho
85% Cu – 15% Zn
a
C24000 – Latão baixa liga
80% Cu – 20% Zn
a
C26000 – Latão para munição
70% Cu – 30% Zn
a
C27000 – Latão amarelo
65% Cu – 35% Zn
a+b
C28000 – Metal Muntz
60% Cu – 40% Zn
A presença de um segundo elemento, para além do zinco, leva à classificação de latões especiais. Os latões especiais são ligas ternárias de cobre, zinco e outro elemento que dará a designação pelo qual são conhecidos: latão ao alumínio, latão com chumbo, latão com estanho, latão com silício, etc. A existência de outros elementos além dos citados levam à formação dos latões designados como complexos.
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4. Cobre e ligas de cobre
BRONZES
BRONZES ESPECIAIS Bronzes de alumínio
BRONZES NORMAIS
Bronzes de manganés
Bronzes de silício
Cuproníquel
Niquelina
Constantan
Alpacas
Cunifer
Bronzes
Bronzes macios
Bronzes fosforosos
Bronzes duros
Bronzes vermelhos
Bronzes extraduros
Bronzes de berílio
FIGURA 4.3. Tipos de bronzes.
Percentagem atómica de Estanho 10
1200 1100
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1084,87 ºC
1000 755 ºC
900
Temperatura (ºC)
800
13,5
798 ºC 22
b
700
a
600
586 ºC
L
25,5 576 ºC 30,6
g
640 ºC
24,6 520 ºC 15,8 27,6
500
58,8
z
582 ºC
b
415 ºC
59
400
92,4
~350 ºC 11
300
32,55
h 227 ºC
60,9
200 100
189 ºC
1,3
60,3
h’ 0 Cu
10
20
30
40
50
99,3
186 ºC
231,9881 ºC
(Sn)
60
70
Percentagem de Estanho em peso
80
90
100 Sn
FIGURA 4.4. Diagrama de equilíbrio Cu-Sn. FONTE: Adaptações de ASM Handbook, Volume 3, Alloy Phase Diagrams.
62
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resistências elétricas para aquecimento porque apresentam elevada resistividade. Comercialmente são disponibilizadas no mercado ligas para fundição e para deformação. A tabela 5.3. apresenta algumas propriedades mais características de ambos os tipos. TABELA 5.3. Propriedades de algumas ligas Ni-Cr comerciais. E (GPa) sy (MPa) Rm (MPa) sf (MPa) e(%) Tmax (°C)
Liga
Ligas de fundição
re (mohm. cm)
Inconel 713, as cast
200-210
685-900
755-990
200-360
3-8
852-982
140-148
Inconel 713L, as cast
190-200
675-825
805-985
200-360
12-20
852-982
135-150
Ligas de deformação N06008
155-175
520-590
880-970
350-485
30-40
947-1150
112-124
Nichrome V, annealed
205-220
365-460
615-760
245-380
20-35
937-1150
102-114
Nickrome, annealed
192-208
310-380
645-800
255-400
25-55
887-1100
108-116
Percentagem atómica de Crómio 10
1900
20
30
40
60
50
70
80
90
100 1663 ºC
1700
Temperatura (ºC)
L 1500
1455 ºC (Cr)
1345 ºC 1300
1100 (Ni) 900
700 590 ºC g
500 0 Ni
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 Cr
Percentagem de Crómio em peso
FIGURA 5.3. Diagrama de equilíbrio níquel-crómio. Fonte: Adaptações de ASM Handbook, Volume 3, Alloy Phase Diagrams.
5.2.4. Ligas de níquel com titânio As ligas de níquel-titânio (figura 5.4.), conhecidas por nitinol, são ligas em que os dois elementos estão presentes em percentagens atómicas praticamente iguais. O nitinol exibe duas propriedades únicas: efeito térmico de memória e superelasticidade. Podemos ainda acrescentar uma elevada capacidade de amortecimento e biocompatibilidade. Os efeitos de memória 71
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6. Titânio e ligas de titânio
As principais aplicações destas ligas são nas indústrias aeroespacial e biomédica, em ambientes extremamente corrosivos e para a produção de equipamentos industriais avançados utilizados para na produção de energia e nos transportes. Na figura 6.2 ilustram-se três exemplos de aplicações do titânio e respetivas ligas.
FIGURA 6.2. Aplicações industriais de titânio em implantes dentários, próteses e no trem de aterragem do B787 Dreamliner. Fonte: Clínica Odontológica BH – Edson Mariano e DefesaNet (“Titânio – Boeing, Airbus e Embraer em Guerra”).
6.1. Titânio e respetivas ligas Para além do titânio comercialmente puro, podemos encontrar uma diversidade de ligas de titânio para aplicações industriais. Estas ligas dividem-se basicamente em quatro grandes grupos: ligas monofásicas a, ligas quase-a, ligas bifásicas a + b e ligas monofásicas b. A estrutura apresentada depende essencialmente dos elementos de liga e da realização de tratamentos térmicos.
6.1.1. Titânio puro O titânio comercialmente puro apresenta teores residuais de oxigénio na sua composição, o que afeta a sua resistência mecânica. Apresenta como propriedades típicas: módulo de elasticidade de aproximadamente 103 GPa, resistência máxima à tração entre 240 e 690 MPa e ductilidades de 40 a 60%. Tratando-se de um elemento fortemente reativo facilmente se junta com outros elementos como o Al, V, Cr, Fe, Mn e Sn, formando sistemas binários, ternários e até mais complexos. A presença destes elementos aumenta a dureza e a resistência mecânica, embora promovam redução de ductilidade. Na figura 6.3. ilustra-se o diagrama de equilíbrio Ti-Al, um dos sistemas mais importantes.
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7. Berílio e ligas de berílio
TABELA 7.1. Propriedades do berílio e de algumas das suas ligas. Designação E (GPa) sy (MPa) Rm (MPa)
er (%)
sf (MPa)
Tmáx (°C)
Composição
AlBeMet 162
179-200
193-324
262-447
2-10,3
172-207
320-340
Be 60-40 Al 36-40
Beralcast 191, cast
198-208
136-150
196-227
1,9-2,6
110-160
320-350
Be 61-69 Al 28-34 Si 1,6-2,4
Beralcast 310
185-238
315-330
388-444
10,611,5
210-232
320-350
Be 60-70 Al 27-38 Ag 1,5-2,5
Beralcast 363, cast
198-212
209-223
269-301
2,9-3,2
111-123
320-350
Be 61-69 Al 25-35 Ag 2,6-3,4 Co 0,65-1,4 Ge 0,55-0,95
Beryllium grade S 200-FC, cold isostatically pressed
290-315
205-260
280-355
2-4
180-270
530-830
Be 98-100
Beryllium grade S 200-FH, hot isostatically pressed
290-315
275-365
410-545
2-4
265-410
530-830
Be 98-100
Percentagem atómica de alumínio 20 30 40 50
1300
60
70
80
100
1219 ºC 1199 ºC ~33
L
~36
1200
34,5
~38,4
1289 ºC
(bBe)
~47,1
1100
Temperatura (ºC)
90
1270 ºC ~1275 ºC
1109 ºC 54,4
d 1000
900 ºC 8,4
900
(aBe)
933 ºC ~20,3 12 10,7
5,3 858 b g
800 700
618 6,09
600
(Cu) 500 0 Cu
10
20
30
40
50
60
70
Percentagem de alumínio em peso
80
90
100 Be
FIGURA 7.2. Diagrama de equilíbrio do sistema berílio-cobre. Fonte: Adaptações de ASM Handbook, Volume 3, Alloy Phase Diagrams.
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Anexo ao caso de estudo n.º 1: Características de envelhecimento para a liga 2014 550
500
105 C (225 F)
70
135 ºC (275 ºF)
400
60
150 ºC (300 ºF)
350
50 175 ºC (350 ºF)
300
190 ºC (375 ºF) 205 ºC 230 ºC (400 ºF) (450 ºF)
260 ºC (500 ºF)
250
0
≈
30 min
200
0,01
0,1
1 day
1
10
1 week
100
40
2 months 1 year
10
104
3
Tensile strength, ksi
Tensile strength, MPa
450
30 105
Duration of precipitation heat treatment, h 500
70
Yield Strength, Mpa
400
60 50
135 ºC (275ºF)
300
150 ºC (300 ºF) 175 ºC (350 ºF)
200
190 ºC (375 ºF) 205 ºC (400 ºF) 230 ºC (450 ºF) 260 ºC (500 ºF)
100 0
30 min
0
0,01
0,1
1 day
1
10
1 week
100
2 months 1 year
103
104
40 30 20
Yield strenght, ksi
105 ºC (225ºF)
10 0 105
Duration of precipitation heat treatment, h Elongation, % in 50 mm or 2 in.
40 205 ºC (400 ºF)
190 ºC (375 ºF)
30
175 ºC 150 ºC (350 ºF) (300 ºF)
135 ºC (275 ºF)
20 105 ºC (225 ºF)
10 260 ºC (500 ºF)
0
0
230 ºC (450ºF)
0,01
0,1
30 min
1 day
1
10
1 week
100
2 months 1 year
103
104
105
Duration of precipitation heat treatment, h
Fonte: Retirada de ASM Handbook; Heat Treating, vol. 4: 10.ª Edição: American Society for Materials, Ohio, USA.
CXXIII
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LIGAS NÃO FERROSAS DE ENGENHARIA Principais Aplicações, Tratamentos e Propriedades Mecânicas António Gonçalves de Magalhães Sobre a obra Esta obra destina-se a estudantes das áreas de engenharia, cursos profissionais e afins que estejam interessados no estudo ou aprofundamento dos conhecimentos relacionados com as ligas metálicas não ferrosas, as suas aplicações e os seus tratamentos. Resultando de um conjunto de notas de aulas, teóricas e práticas, lecionadas ao longo de vários anos, tem como complemento algumas questões com a tipologia verdadeiro/falso e de escolha múltipla, além de casos de estudo para reflexão, com o objetivo de permitir a fácil consolidação dos assuntos tratados. Neste sentido, o objetivo é que possa ser útil a jovens estudantes e todos aqueles que, no presente e no futuro, vão dedicar algum do seu tempo a estudar materiais, que acabam por estar sistematicamente ligados ao princípio de qualquer realização de engenharia.
Sobre o autor António Gonçalves de Magalhães obteve a Licenciatura, o Mestrado e o Doutoramento pela Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP). Atualmente exerce funções de Professor Coordenador do Departamento de Engenharia Mecânica (DEM) do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP), Portugal. No DEM exerceu diversas tarefas de coordenação como coordenador do grupo de disciplinas de Materiais e Processos de Fabrico e Diretor de Curso da Licenciatura de Engenharia Mecânica. Foi membro do Conselho Pedagógico, Conselho Técnico-Científico e foi recentemente eleito para membro do Conselho Coordenador de Cursos. Atualmente leciona disciplinas na área dos materiais metálicos, não metálicos e seleção de materiais nos cursos de Licenciatura e Mestrado em Engenharia Mecânica. Exerce ainda tarefas de orientação de estágio e de Mestrado. As suas áreas de especialização incluem os materiais compósitos, os adesivos estruturais, a caracterização mecânica de materiais e a avaliação não destrutiva. Participou como arguente em vários júris académicos de Doutoramento, Mestrado e Mestrado integrado. É autor e coautor de 4 livros sobre a caracterização de materiais, juntas adesivas e materiais compósitos, publicados em língua portuguesa, bem como autor ou coautor de cerca de 30 publicações em revista internacional, cerca de 60 artigos científicos em conferências nacionais e internacionais, e participou em alguns projetos nacionais e europeus nas áreas científicas referidas. Colabora frequentemente com algumas revistas internacionais como revisor.
Apoio
Também disponível em formato e-book
ISBN: 978-989-901-755-9
www.engebook.pt