O documento descreve os processos de obtenção do alumínio a partir da bauxita, assim como os tratamentos térmicos de solubilização e envelhecimento em ligas de alumínio. Estes tratamentos têm como objetivo aumentar a resistência mecânica das ligas, através da formação controlada de precipitados durante o envelhecimento. O documento apresenta também os procedimentos experimentais realizados nas ligas 2024 e 6082 para avaliar os efeitos destes tratamentos.
1. Relatório dos
Trabalhos Práticos
das Ligas de Alumínio
2024 e 6082
Tratamento Térmico de Envelhecimento e
Solubilização
É importante destacar que termo “tratamento térmico” é, no seu sentido mais
amplo, qualquer operação de aquecimento ou arrefecimento realizada para
modificar as propriedades mecânicas, estrutura metalúrgica ou estado de tensões
internas de um produto metálico. Nas ligas de alumínio, o tratamento térmico é
restrito a operações específicas utilizadas para aumentar a resistência e dureza de
ligas endurecíeis por precipitação (conformadas ou fundidas).
Formador/a: Engª Maria Ferreira
Técnico/a de Tratamento de Metais 004
FT 21 - 5824 - Tratamento de Metais - Revestimentos Metálicos –
Técnico/a de Tratamento de Metais 004
2. Relatório dos Trabalhos Práticos das Ligas de Alumínio 2024 e 6082
Tratamento Térmico de Envelhecimento e Solubilização
Técnico/a de Tratamento de Metais 004
Contents
Abstract: ........................................................................................................................................ 2
Suporte Teórico ............................................................................................................................. 3
Suporte Experimental ................................................................................................................... 8
Procedimento experimental 1: ................................................................................................... 10
Dados experimentais e tratamento dos mesmos ....................................................................... 11
Procedimento experimental 2: ................................................................................................... 14
Dados experimentais e tratamento dos mesmos ....................................................................... 15
Tabela das Médias e Desvios Padrão das Ligas de Alumínio 2024 e 6082 e respectivos Gráficos .
Análise dos resultados................................................................................................................. 19
Sugestões para futuros trabalhos ............................................................................................... 20
Bibliografia .................................................................................................................................. 21
Relatório elaborado por Mariana Vaquinhas Revisto por Engª Maria Ferreira
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3. Relatório dos Trabalhos Práticos das Ligas de Alumínio 2024 e 6082
Tratamento Térmico de Envelhecimento e Solubilização
Técnico/a de Tratamento de Metais 004
Palavras-chave: Ligas de alumínio, tratamentos termoquímicos, solubilização e
envelhecimento
Glossário: Ligas de alumínio: A obtenção do alumínio é feita a partir da bauxita, um minério
que pode ser encontrado em três principais grupos climáticos: o Mediterrâneo, o Tropical e o
Subtropical. A bauxita deve apresentar no mínimo 30% de alumina aproveitável para que a
produção de alumínio seja economicamente viável. O processo de obtenção de alumínio
primário divide-se em três etapas: Mineração, Refinaria e Redução.
Solubilização: O processo térmico de solubilização é o aquecimento do metal
alumínio (peça, barra, tarugo, placa, etc.) a uma temperatura muito elevada, no entanto, ainda
inferior a temperatura de fusão da liga de alumínio. O objectivo da solubilização é por em
solução sólida a maior quantidade possível de átomos de soluto. Numa linguagem mais
coloquial, deseja-se dissolver ao máximo possível, todos os elementos presentes na liga de
alumínio no próprio alumínio, sendo que este deve permanecer no estado sólido, onde a fusão
ou o aquecimento, mesmo que sejam parciais ou localizados, devem ser evitados.
Envelhecimento: O envelhecimento (seja artificial ou natural) é o processo pelo qual
passa o metal alumínio, após ser solubilizado e arrefecido rapidamente. Proporciona uma
correcta difusão dos átomos de soluto (aquilo que foi dissolvido na solubilização) e permite a
formação de finos precipitados endurecedores. Estes finos precipitados endurecedores devem
ter o tamanho e a quantidade suficiente para impedir a movimentação das discordâncias e por
consequência endurecer a liga.
T6: Solubilizado e envelhecido artificialmente. Esta designação aplica-se aos produtos
que não sofrem encruamento após a solubilização, ou para os quais os efeitos de encruamento
associados ao aplanamento ou endireitamento não afecta os limites das características
mecânicas.
Abstract:
O tratamento de solubilização e envelhecimento tem por objectivo a obtenção de
precipitados finos, que ao mesmo tempo que sejam grandes o suficientes para agir como
obstáculos ao movimento das discordâncias, endurecendo a liga, sejam por outro lado
pequenos o suficiente para manter a coerência com a matriz, fundamental para manter o
efeito de endurecimento. A solubilização, ao garantir a obtenção de uma solução sólida
(dissolução dos elementos de liga)mantida à temperatura ambiente de modo instável por meio
de arrefecimento rápido, permite um melhor controle do crescimento dos precipitados
durante o posterior envelhecimento.
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4. Relatório dos Trabalhos Práticos das Ligas de Alumínio 2024 e 6082
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Suporte Teórico
A obtenção do alumínio é feita a partir da bauxita, um minério que pode ser
encontrado em três principais grupos climáticos: o Mediterrâneo, o Tropical e o Subtropical. A
bauxita deve apresentar no mínimo 30% de alumina aproveitável para que a produção de
alumínio seja economicamente viável. O processo de obtenção de alumínio primário divide-se
em três etapas: Mineração, Refinaria e Redução, conforme a imagem abaixo:
Fig. 1
O alumínio não é encontrado directamente em estado metálico na crosta terrestre. A
sua obtenção depende de etapas de processamento até chegar ao estado em que o vemos
normalmente. O processo da mineração da bauxita, que origina o alumínio, pode ser
exemplificado da seguinte maneira:
1) Remoção planejada da vegetação e do solo orgânico;
2) Retirada das camadas superficiais do solo (argilas e lateritas);
3) Beneficiamento:
3.1 Inicia-se na britagem, para redução de tamanho;
3.2 Lavagem do minério com água para reduzir (quando necessário) o teor de sílica contida na
parcela mais fina;
3.3 Secagem
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5. Relatório dos Trabalhos Práticos das Ligas de Alumínio 2024 e 6082
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A refinaria é a fase do processo que transforma a bauxita em alumina calcinada. O
procedimento mais utilizado é o Bayer. Esta é primeira etapa até se chegar ao alumínio
metálico.
1) Dissolução da alumina em soda cáustica;
2) Filtração da alumina para separar o material sólido;
3) O filtrado é concentrado para a cristalização da alumina;
4) Os cristais são secados e calcinados para eliminar a água;
5) O pó branco de alumina pura é enviado à redução;
6) Na redução, ocorre o processo conhecido como Hall-Héroult, por meio da eletrólise, para
obtenção do alumínio.
As principais fases da produção de alumina, desde a entrada do minério até a saída do
produto final são: moagem, digestão, filtração/evaporação, precipitação e calcinação. As
operações de alumina têm um fluxograma de certa complexidade, que pode ser resumido em
um circuito básico simples, conforme figura abaixo.
Fig. 2 Fluxograma das difirentes fases da produção de alumina
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6. Relatório dos Trabalhos Práticos das Ligas de Alumínio 2024 e 6082
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Redução é o processo de transformação da alumina em alumínio metálico:
1) A alumina é dissolvida em um banho de criolita fundida e fluoreto de alumínio em baixa
tensão, decompondo-se em oxigênio;
2) O oxigênio se combina com o ânodo de carbono, desprendendo-se na forma de dióxido de
carbono, e em alumínio líquido, que se precipita no fundo da cuba eletrolítica;
3) O metal líquido (já alumínio primário) é transferido para a refusão através de cadinhos;
4) São produzidos os lingotes, as placas e os tarugos (alumínio primário).
A voltagem de cada uma das cubas, ligadas em série, varia de 4 V a 5 V, dos quais
apenas 1,6 V são necessários para a eletrólise propriamente dita. A diferença de voltagem é
necessária para vencer resistências do circuito e gerar calor para manter o eletrólito em fusão.
Basicamente, são necessárias cerca de 5 t de bauxita para produzir 2 t de alumina e 2 t de
alumina para produzir 1 t de alumínio pelo processo de Redução
Fig. 3 Diagrama de uma célula de redução
As ligas de alumínio são divididas convenientemente em dois grupos: as ligas
“tratáveis” termicamente, propiciando-lhes maior resistência, e as ligas “não-tratáveis”
termicamente, cuja resistência só pode ser aumentada através do trabalho a frio. As ligas
tratáveis termicamente podem ser trabalhadas a frio e, posteriormente, sofrer o tratamento
térmico para o aumento da resistência mecânica. As ligas não tratáveis termicamente podem
ser submetidas a tratamentos térmicos como de estabilização e recozimentos plenos ou
parciais.
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7. Relatório dos Trabalhos Práticos das Ligas de Alumínio 2024 e 6082
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Os tratamentos térmicos de solubilização e envelhecimento das ligas de alumínio de
uma forma geral têm por objectivo remover ou reduzir as segregações, produzir estruturas
estáveis e controlar certas características metalúrgicas tais como: propriedades mecânicas,
tamanho de grão, estampabilidade, etc.
Maior resistência mecânica é obtida nas ligas que respondem ao tratamento térmico
de solubilização/envelhecimento. Primeiramente o metal é aquecido uniformemente até cerca
de 500 0 C, sendo que a temperatura exacta depende da liga em particular. Isto ocasiona a
dissolução dos elementos de liga na solução (tratamento de solução). Então, segue-se um
arrefecimento rápido, geralmente em água, que previne temporariamente que estes
constituintes precipitem. Esta condição é instável e, gradualmente, os constituintes
precipitam-se de maneira extremamente fina (somente visível através de potentes
microscópicos), alcançando, assim, o máximo efeito de endurecimento (envelhecimento).
O objectivo do tratamento de solubilização é por em solução sólida a maior
quantidade possível de átomos de soluto, como cobre, magnésio, silício ou zinco, na matriz
rica em alumínio. Para algumas ligas a temperatura na qual a máxima quantidade de soluto
pode estar dissolvida corresponde à temperatura eutética. Sendo assim, as temperaturas de
solubilização devem ser limitadas a um nível seguro no qual as consequências do aquecimento
e da fusão parcial sejam evitadas.
Outro fenómeno nocivo que pode ocorrer durante a solubilização é o crescimento
excessivo de grãos, tanto mais significativo quanto mais elevadas as temperaturas e mais
longos os tempos de solubilização.
O arrefecimento rápido que se segue é uma etapa crítica do tratamento, porque é
fundamental para manter à temperatura ambiente a solução sólida obtida em alta
temperatura. Além disso, arrefecimento rápido permite manter à temperatura ambiente a
mesma concentração de lacunas existente em altas temperaturas, e estas lacunas são muito
importantes para acelerar o processo de difusão dos átomos de soluto que ocorre no
tratamento posterior de envelhecimento. O meio de arrefecimento rápido mais usado é a
água, embora, caso seja necessária uma taxa de arrefecimento mais baixa, possam ser usados
diversos líquidos orgânicos como meios de arrefecimento rápido. O arrefecimento ao ar é
muito lento para a maioria das ligas de alumínio, permitindo o prosseguimento do processo
deenvelhecimento, embora não seja tão lento como o arrefecimento ao forno,
evidentemente.
Como nota de curiosidade, a figura abaixo apresenta o aspecto típico das curvas de
envelhecimento.
Note-se que quanto maior a temperatura de envelhecimento, mais rapidamente
ocorre o ponto de resistência máxima, porém com um valor de resistência menor. Isto se deve
ao facto de o coalescimento dos precipitados depender da difusão das espécies químicas e da
concentração de lacunas e, como se sabe, ambas crescem com o aumento da temperatura
(processo termicamente activado). O crescimento das partículas dá-se umas às custas das
outras, ou seja, várias partículas pequenas “coalescem” formando uma maior.
Como o volume da fase precipitada é aproximadamente constante, maiores partículas
significaSe a temperatura de solubilização é baixa, as fases de endurecimento não são
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8. Relatório dos Trabalhos Práticos das Ligas de Alumínio 2024 e 6082
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completamente dissolvidas antes do resfriamento e, entretanto, mais baixas tensões de
resistência serão obtidas, uma vez que a densidade de precipitados será mais baixa.
Se a temperatura de solubilização é muito alta, a fusão de algumas das fases com
baixas temperaturas de fusão irá ocorrer, resultando no decréscimo de resistência e
ductilidade.
Fig. 4 O aspecto típico das curvas de envelhecimento.
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9. Relatório dos Trabalhos Práticos das Ligas de Alumínio 2024 e 6082
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Suporte Experimental
Caracterização do material:
Liga de alumínio 2024: A liga 2024 possui manganês em teores relativamente altos,
que causa a formação da fase Al12(Fe,Mn)3Si, presente também em outras ligas, que sob a
forma de partículas despersuades retardam os processos de recristalização e crescimento de
grão.
De um modo geral as ligas Al-Cu(-Mg) apresentam elevada resistência mecânica após
tratamento térmico de endurecimento por precipitação, entretanto, apesar dessa vantagem,
apresentam algumas desvantagens quando comparadas com outros tipos de ligas de alumínio,
que vão desde a resistência à corrosão relativamente baixa e a conformabilidade limitada (são
pouco adequadas a processos com elevada deformação) até a soldabilidade igualmente
restrita (em geral são soldadas somente por processos de resistência eléctrica). Os valores
mais elevados de dureza são obtidos para teores de cobre da ordem de 4 a 6 %, dependendo
da influência de outros elementos de liga presentes .
Fazem parte da sua composição quimica os seguintes elementos:
Cobre 4,4%
Magnésio 1,5%
Silicio 0%
Manganês 0,6%
Liga de alumínio 6082: As ligas da série 6xxx têm despertado um elevado interesse industrial e
científico. Para além da possibilidade de optimizar as suas propriedades mecânicas através de
mecanismos de endurecimento por envelhecimento, estas ligas representam cerca de 90% das
ligas de alumínio extrudidas. A liga 6082, estudada neste trabalho, é aquela que apresenta
maior resistência mecânica do grupo.
Esta liga apresenta um excesso de silício em relação ao necessário para formar o
composto Mg2Si. As propriedades mecânicas máximas desta liga são conseguidas na condição
metalúrgica T6. Esta liga é extremamente sensível. Os sucessivos aquecimentos e
arrefecimentos durante o processamento devem ser devidamente controlados.
Da sua composição química fazem parte os seguintes elementos:
Si 0,930%
Fe 0,210%
Cu 0,001%
Mn 0,490%
Mg 0,690%
Cr 0,001%
Zn 0,003%
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10. Relatório dos Trabalhos Práticos das Ligas de Alumínio 2024 e 6082
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Equipamento utilizado:
Na limpeza e preparação da placa de alumínio foram utilizados:
Escova de aço
Lima
Lixa pneumática
Lixa de grão 120 e 80
Bancada de trabalho
Mufla tradicional
Tanque com água corrente
Tripés para suporte das placas de alumínio
1 placa de alumínio 2024
1 placa de alumínio 6082
Durómetro TH – 110 Universal Hardness Tester penetrador tipo D, escala HL (Leeb)
Paquimetro digital
Rugosímetro Mitutoyo, Surftest SJ-301,
Pinças e tenaz
Engenho de furar com brocas de 4mm e de 5mm (para retirar possíveis limalhas)
100 mm
200 mm
200 mm
Fig. 5 Placa de alumínio 2024 Fig. 6 Placa de alumínio 6082
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11. Relatório dos Trabalhos Práticos das Ligas de Alumínio 2024 e 6082
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Procedimento experimental 1:
1) Medição das dimensões
2) Foi feita uma limpeza mecânica com lima bastarda e lixa de diferentes grãos para
eliminar a possíveis gorduras e sujidades na superficie da placa
3) Divisão da peça em células quadradas 20 x 20 mm
4) Medição da dureza em cada uma das células (ao centro)
5) Furação em cada célula com uma broca de ≈ Φ4 mm (de preferência aproveitando as
marcas deixadas pelo durómetro
6) Solubilização (Colocação das placas na mufla tradicional a 515ºC com patamar de 30
minutos) relativamente à liga 2024
7) Arrefecimento – em água (em menos de 10 segundos)
8) Medição da dureza em cada uma das células
9) Envelhecimento forçado (Colocação das placas na mufla a 190ºC com patamar de de
24 horas) relativamente à liga 2024
10) Medição da dureza em cada uma das células
11) Relatório do trabalho com interpretação dos resultados através de gráficos de
superfície e de linhas
Fig. 7 Divisão da peça de alumínio 2024 em células
quadradas 20 x 20 mm
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13. Relatório dos Trabalhos Práticos das Ligas de Alumínio 2024 e 6082
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Gráfico 1. . Valores da 1ª medição de durezas após
o riscamento relativamente á liga 2024
250
200-250
200
150-200
150 100-150
100 L1 50-100
L2
50 0-50
L3
0
L4
C2 C3 C4 C5 C6 C7 L5
C8 C9 C10
Gráfico 2. Valores da 2a medição após
250
200-250
furação da peça
200 150-200
150 100-150
100 Series1 50-100
50 0-50
Series3
0
1 2 3 4 5 6 Series5
7 8 9 10
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14. Relatório dos Trabalhos Práticos das Ligas de Alumínio 2024 e 6082
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Gráfico 3. Valores da 3ª medição após
300 250-300
250 200-250
solubilização
200 150-200
150 100-150
Series1
100 50-100
50
Series3 0-50
0
1 2 3 4 5 Series5
6 7 8 9 10
600
Gráficc0 4. Valores da 3ª medição após
500
400 500-600
300 400-500
envelhecimento
200 300-400
100 200-300
0
100-200
C1
C2 0-100
C3
C4
C5 L1
C6 L2
C7 L3
C8
C9 L4
L5
C10
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15. Relatório dos Trabalhos Práticos das Ligas de Alumínio 2024 e 6082
Tratamento Térmico de Envelhecimento e Solubilização
Técnico/a de Tratamento de Metais 004
Procedimento experimental 2:
1) Medição das dimensões
2) Foi feita uma limpeza mecânica com lima bastarda e lixa de diferentes grãos para
eliminar a possíveis gorduras e sujidades na superficie da placa
3) Divisão da peça em células quadradas 20 x 20 mm
4) Medição da dureza em cada uma das células (ao centro)
5) Furação em cada célula com uma broca de ≈ Φ4 mm (de preferência aproveitando as
marcas deixadas pelo durómetro)
6) Solubilização (Colocação das placas na mufla tradicional a 550ºC com patamar de 30
minutos) relativamente à liga 6082
7) Arrefecimento – em água (em menos de 10 segundos)
8) Medição da dureza em cada uma das células
9) Envelhecimento forçado (Colocação das placas na mufla a 190ºC com patamar de de
24 horas) relativamente à liga 6082
10) Medição da dureza em cada uma das células
11) Relatório do trabalho com interpretação dos resultados através de gráficos de
superfície e de linhas
Fig 8. Divisão da peça de alumínio 6082
em células quadradas 20 x 20 mm
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17. Relatório dos Trabalhos Práticos das Ligas de Alumínio 2024 e 6082
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Gráfico 1. . Valores da 1ª medição de durezas após
600
500
o riscamento relativamente á liga 6082
400 500-600
300 400-500
200 300-400
100 200-300
0
100-200
C1
C2 0-100
C3
C4
C5 L1
C6 L2
C7 L3
C8
C9 L4
L5
C10
Gráfico 2. Valores da 2a medição após
600
500
400 500-600
furação da peça
300 400-500
200
300-400
100
200-300
0
C1
100-200
C2
C3
C4
0-100
C5
L1
C6
L2
C7
L3
C8
C9
L4
C10
L5
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18. Relatório dos Trabalhos Práticos das Ligas de Alumínio 2024 e 6082
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600
Gráfico 3. Valores da 3ª medição após
500
400 500-600
300 400-500
200
solubilização
300-400
100 200-300
0 100-200
C1
C2 0-100
C3
C4
C5 L1
C6 L2
C7 L3
C8
C9 L4
L5
C10
Gráficc0 4. Valores da 3ª medição após
600
500
400 500-600
envelhecimento
300 400-500
200 300-400
100
200-300
0
100-200
C1
C2
C3 0-100
C4
C5 L1
C6 L2
C7 L3
C8
C9 L4
L5
C10
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19. Relatório dos Trabalhos Práticos das Ligas de Alumínio 2024 e 6082
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Tabela das Médias e Desvios Padrão das Ligas de Alumínio 2024 e
6082 e respectivos Gráficos
Relativamente Medida Após Após Após
à Média Inicial Furação Solubilização Envelhecimento
Al 2024 124 121 100 117
Al 6082 517 324 290 352
600
500 517
400
324 352
300 290
200
Al 2024
100 124 121 100 117
Al 6082
0
Relativamente
Medida Após Após Após
ao Desvio
Padrão
Inicial Furação Solubilização Envelhecimento
Al 2024 37 38 53 117
Al 6082 28 94 46 79
140
120 117
100
94
80 79
60
53
40 46 Al 2024
37 38
28 Al 6082
20
0
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20. Relatório dos Trabalhos Práticos das Ligas de Alumínio 2024 e 6082
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Análise dos resultados
No plano prático este trabalho permitiu tirar conclusões ou confirmar um conjunto de
ideias que responderam ao interesse original em optimizar as condições de processamento das
ligas 2024 e 6082, e compreender de forma mais completa a razão para a influência dos
diferentes parâmetros de processamento.
O endurecimento das ligas de alumínio durante o envelhecimento deve-se à
precipitação de partículas de segunda fase na matriz da liga. As partículas de precipitados
actuam como obstáculos ao movimento das deslocações provocando o aumento da dureza e
da resistência mecânica do material. Durante o envelhecimento várias fases metaestáveis são
precipitadas até que se atinja a fase estável. No inicio do envelhecimento as partículas
precipitadas são finas e apresentam a mesma estrutura cristalina da matriz, ou seja são
coerentes.
À medida que o envelhecimento vai decorrendo os precipitados crescem, tornando-se
semi-coerentes e depois incoerentes, ou seja, adquirem uma estrutura cristalina própria.
Concluimos ainda que aplicados aos á liga 6082 que não sofre deformação plástica,
depois do tratamento térmico de solubilização, ou nos quais o efeito de encruamento, devido
ao endireitamento, pode ser “desprezado” ao serem fixados os limites de propriedades
mecânicas.
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21. Relatório dos Trabalhos Práticos das Ligas de Alumínio 2024 e 6082
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Sugestões para futuros trabalhos
A minha sugestão vai no intuito de realizar um estudo sobre o processo de conversão
química por imersão de provetes da liga Al 2024 T3 e subsequente foco no ensaio de
resistência à corrosão (nevoeiro salino), assentando no facto de ter-se vindo a observar,
através da minha pesquiza, corrosão por pitting em algumas destas ligas de alumínio.
Finalmente, um outro trabalho que seria importante desenvolver é o estudo de outras
condições de TT de envelhecimento interrompido. Seria importante explorar outros tempos de
pré-envelhecimento, de envelhecimento natural e outras temperaturas de envelhecimento de
forma a maximizar as propriedades mecânicas conseguidas neste tipo de envelhecimento.
Relatório elaborado por Mariana Vaquinhas Página Revisto por Engª Maria Ferreira
msofiagv@hotmail.com 20 ml.ferreira@netcabo.pt
22. Relatório dos Trabalhos Práticos das Ligas de Alumínio 2024 e 6082
Tratamento Térmico de Envelhecimento e Solubilização
Técnico/a de Tratamento de Metais 004
Bibliografia
Vários sites de Internet
Wook livraria online|wook.pt
Relatório elaborado por Mariana Vaquinhas Página Revisto por Engª Maria Ferreira
msofiagv@hotmail.com 21 ml.ferreira@netcabo.pt