Características de Tensão-Deformação do Alumínio

Fonte: Roberto Leon, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Virginia Tech, Blacksburg, VA

O alumínio é um dos materiais mais abundantes em nossas vidas, pois é onipresente em tudo, desde latas de refrigerante até componentes de aviões. Seu uso generalizado é relativamente recente (1900AD), principalmente porque o alumínio não ocorre em seu estado livre, mas sim em combinação com oxigênio e outros elementos, muitas vezes na forma de Al₂O₃. O alumínio foi originalmente obtido a partir de depósitos minerais de bauxita em países tropicais, e seu refinamento requer um consumo muito alto de energia. O alto custo de produção de alumínio de qualidade é outra razão pela qual é um material muito amplamente reciclado.

O alumínio, especialmente quando ligado a um ou mais de vários elementos comuns, tem sido cada vez mais utilizado em aplicações arquitetônicas, de transporte, químicas e elétricas. Hoje, o alumínio é superado apenas pelo aço em seu uso como material estrutural. O alumínio está disponível, como a maioria dos outros metais, como produtos laminados planos, extrusões, forjamentos e fundições. O alumínio oferece uma relação força-peso superior, resistência à corrosão, facilidade de fabricação, propriedades não magnéticas, alta condutividade térmica e elétrica, bem como facilidade de liga.

Tanto a partir de sua posição na tabela periódica, com um número atômico de 13 no limite entre elementos metálicos e não metálicos, quanto de sua estrutura cúbica centrada no rosto (FCC), é claro que o alumínio é um dos elementos mais quimicamente ativos. Na verdade, ele tem uma afinidade muito forte com o oxigênio, o que parece tornar o alumínio facilmente propenso à corrosão. Curiosamente, a superfície de um alumínio recém-produzido reagirá instantaneamente com oxigênio, produzindo uma camada de óxido fino, relativamente estável e inerte que protege o metal base tanto da oxidação quanto de outros tipos de ataques químicos. Esta propriedade superficial, além de sua relativa natureza leve e dureza, é o que faz do alumínio um material de construção muito desejável.

O revestimento de óxido em superfícies de alumínio é geralmente muito fino (cerca de 50 a 100 Å) e adere firmemente ao material base, ao contrário dos óxidos de ferro típicos que são comuns em aços. A camada de óxido é tão fina que não afeta as propriedades mecânicas do alumínio, e é quase transparente aos olhos, não diminuindo assim as qualidades estéticas do material. Há uma série de técnicas de anodização que podem ser usadas para aumentar a espessura desta camada de óxido para melhorar sua resistência à corrosão e abrasão. Uma desvantagem potencial do alumínio a considerar antes de usá-lo é que ele derrete a uma temperatura relativamente baixa, e, portanto, não é adequado para aplicações de alta temperatura.

O alumínio é leve, tendo uma densidade de aproximadamente 1/3 do aço; esta relação 1/3 também vale para o módulo da elasticidade, que muitas vezes é tomado como cerca de 70GPa (10.000 ksi) para alumínio. Sua resistência e outras propriedades mecânicas, que são muito baixas em seu estado puro, podem ser substancialmente melhoradas por liga e tratamento térmico, assim como é o caso do aço. O fortalecimento também pode ser alcançado através do trabalho frio ou do endurecimento da tensão, onde o material é enrolado ou desenhado através de mortes resultando em uma redução na área da folha ou barras.

As principais adições de liga ao alumínio são cobre, manganês, silício, magnésio e zinco. Outros elementos também são adicionados em quantidades menores para refinamento de grãos e para desenvolver propriedades especiais:

• O cobre tem solubilidade apreciável no alumínio e dá um efeito de fortalecimento substancial através das características de endurecimento da idade da liga. Muitas ligas de alumínio contêm cobre tanto como a maior adição ou entre os principais elementos de liga, em concentrações de 1 a 10%.
• O manganês tem solubilidade sólida limitada em alumínio, mas em concentrações de cerca de 1% formam uma série importante de ligas de alumínio forjadas não tratáveis pelo calor.
• O silício reduz o ponto de fusão e aumenta a fluidez do alumínio. Um aumento moderado da força também é proporcionado por adições de silício.
• O magnésio proporciona um reforço substancial e melhoria das características de endurecimento do trabalho do alumínio. Tem uma solubilidade relativamente alta em alumínio sólido, mas as ligas Al-Mg contendo menos de 7% mg não apresentam características apreciáveis de tratamento térmico. O magnésio também é adicionado em combinação com outros elementos, notadamente cobre e zinco, para melhorias ainda maiores na força.
• O zinco é empregado em ligas de fundição e em conjunto com magnésio em ligas forjadas para produzir ligas tratáveis por calor com a maior resistência entre as ligas de alumínio.
• A lata melhora o antifricção característico do alumínio, e as ligas al-Sn fundidos são frequentemente usadas para rolamentos.
• Cobre e silício são ligados juntos nas ligas de fundição 3xx.x comumente usadas. Faixas desejáveis de características e propriedades são obtidas tanto em alusões tratáveis pelo calor quanto não térmicas.
• Magnésio e silício são adicionados em proporções aproximadas para formar Mg₂Si, que é uma base para o endurecimento da idade em ligas forjadas e fundadas.

Dois tipos gerais de produtos de alumínio são comumente reconhecidos: forjados e fundidos. Qualquer alumínio formado por material fluindo em uma areia ou molde permanente, para ser lançado, ou para ser lançado por qualquer outro processo onde a fundição é a forma final, é chamado de alumínio fundido; qualquer outro produto é tomado como um produto forjado. Nos EUA, as ligas forjadas de alumínio (folha, placa, extrusões e forjamentos) têm um número de identificação de quatro dígitos, enquanto as ligas fundidas têm um número de três dígitos à esquerda do ponto decimal e um dígito à direita do ponto decimal (ver Tabela 1). O primeiro dígito define o ingrediente de liga principal para ligas forjadas e fundidos. O ingrediente de liga principal é geralmente 5% ou menos (em peso) em ligas forjadas e o mesmo ou superior em ligas fundidas. A maioria das ligas contém de dois a quatro outros elementos, mas em uma quantidade muito menor do que o ingrediente de liga principal. Na designação de liga forjada, os dois últimos dígitos da série 1XXX dão a porcentagem mínima de alumínio acima de 99,00%. Na série 2XXX até 9XXX, os dois últimos dígitos especificam as todas as todas as alusões individuais registradas para a série. O segundo dígito designa uma modificação da ante original. O sistema de designação de alusão é semelhante para fundições. Neste caso, o segundo e o terceiro dígitos dão o percentual mínimo de alumínio acima de 99,00% para as ligas lXX.X. No 2XX. X até 9XX. Série X, os dois segundos números são as todas as atrações individuais registradas na série. Para as alusões ao fundição, o número à direita do ponto decimal dá forma de produto: 0 para fundições, e 1 e 2 (limites de composição mais estreitos que 1) para lingote. As alusões nos grupos 2, 6 e 7 são tratáveis pelo calor.

Tabela 1: Sistema de Designação de Liga de Alumínio Forjado e Fundido.

Além disso, um número de temperamento é usado para indicar como o produto foi fabricado, e se aplica tanto a produtos forjados quanto ao fundido. Os temperamentos F e O aplicam-se a todas as todas as linhas de fio e formas de produtos. Os temperos designados TXXXX aplicam-se a todas as atrações e formas de produtos que recebem e respondem a um tratamento térmico após a fabricação. Dizem que essas alusões são tratáveis pelo calor. Ligas forjadas nas séries 2XXX, 6XXX e 7XXX e as ligas de elenco estão geralmente neste grupo. As alusões não térmicas ganham sua força e outras características por endurecimento da tensão, e um temperamento de H é especificado. Estão incluídos neste grupo as séries 1 XXX, 3XXX e 5XXX. Mais detalhes sobre os temperamentos estão contidos em vários documentos de referência da Associação de Alumínio.

Os temperamentos básicos são:

• "F" ou fabricado: Aplica-se a produtos de processos de formação nos quais não é empregado nenhum controle especial sobre condições térmicas ou de endurecimento do trabalho.
• "0" ou ressarcido: Aplica-se aos produtos forjados, que foram aquecidos para efetivar a recristalização e produzir a condição de menor resistência, e para os produtos de gesso, que são ressarcidos para melhorar a ductilidade e a estabilidade dimensional.
• "H" ou endurecido por cepas : Aplica-sea produtos forjados que são reforçados pelo endurecimento da tensão através do trabalho a frio; o endurecimento da tensão pode ser seguido por tratamento térmico suplementar que produz alguma redução na força. O H é sempre seguido por dois ou mais dígitos. Existem três categorias básicas de endurecimento da tensão: HI, H2 e H3, onde o primeiro dígito indica as operações básicas (1= cepa endurecida apenas; 2 = endurecido por tensão e parcialmente enraizado; 3 = endurecido e estabilizado por tensão). O segundo dígito indica o grau de endurecimento da tensão (1= trimestre; 2 = metade; 3 = completo; e 4 = extra duro).
• "W" ou solução tratada pelo calor: Um temperamento instável aplicável apenas às intolerâncias que envelhecem espontaneamente à temperatura ambiente após o tratamento térmico da solução.
• "T" ou tratados termicamente: Aplica-se a produtos que são tratados a calor, às vezes com endurecimento suplementar da tensão, para produzir um temperamento estável diferente de F ou 0. O T é sempre seguido por um ou mais dígitos. Basicamente, as ligas de alumínio tratáveis pelo calor envelhecerão naturalmente à temperatura ambiente após a extinção e serão reforçadas pelo endurecimento da precipitação.

Fig. 1 mostra uma curva típica de tensão de estresse para o alumínio 6061 T6. Este é um material com boa força e rigidez, fácil de finalizar e anodizar. O alumínio 6061 T6 é comumente usado em invólucros para muitos produtos eletrônicos, como laptops e televisores.

A curva de tensão em Fig. 1 não apresenta um ponto de rendimento acentuado, mas sim uma diminuição gradual do módulo de elasticidade. Para determinar um ponto de rendimento para fins de engenharia, a ASTM e outras organizações adotaram a abordagem de compensação de 0,2%. Como mostrado na Fig. 2, isso requer determinar uma linha mais adequada para a porção linear do comportamento, e desenhar uma linha com inclinação semelhante começando em 0,2% de tensão. A força na qual esta segunda linha cruza a curva de tensão de estresse é arbitrariamente definida como a força de rendimento.

Figura 1: Curva típica de tensão de estresse para um alumínio tratado com calor.

Figura 2: Definição de força de rendimento para materiais sem um ponto de rendimento óbvio.

Teste de tensão de alumínio

O objetivo deste experimento é:

1. Para familiarizar os alunos com o teste laboratorial padrão para determinar as propriedades de tração de materiais metálicos de qualquer forma (ASTM E8),
2. Para comparar as propriedades de materiais metálicos de engenharia comumente utilizados (aço estrutural e alumínio), e
3. Comparar as propriedades testadas dos metais com os valores publicados.

Presume-se que uma máquina de teste universal (UTM) com controle de deformação e recursos associados de teste e aquisição de dados esteja disponível. Siga passo a passo os procedimentos para a realização de testes de tração fornecidos pelo fabricante da UTM, prestando especial atenção às diretrizes de segurança. Não prossiga se você estiver incerto sobre qualquer passo; Esclareça quaisquer dúvidas com seu instrutor de laboratório, pois você pode ferir seriamente a si mesmo ou aqueles ao seu redor se você não seguir as devidas precauções. Certifique-se também de conhecer todos os procedimentos de parada de emergência e que você está familiarizado com o software que executa a máquina.

O procedimento abaixo é genérico e destina-se a cobrir etapas mais importantes; pode haver desvios significativos dele dependendo do equipamento disponível.

1. Prepare o espécime:

1. Obtenha uma amostra de teste cilíndrico para um alumínio comum como 6061T6.
2. Meça o diâmetro da amostra de teste até o mais próximo de 0,002 em. em vários locais próximos ao meio usando uma pinça.
3. Segure o espécime firmemente e marque, usando um arquivo, um comprimento aproximado de 2 em. gage. Nota: Marque o comprimento da gálagem cuidadosamente para que ele seja claramente gravado, mas não tão profundo a ponto de se tornar uma concentração de estresse que pode levar à fratura.
4. Meça o comprimento real da gálagem marcada para o 0,002 in mais próximo.
5. Se possível, instale uma gagem de tensão longitudinal como descrito no vídeo do JoVE em "Constants materiais".
6. Colete todas as informações disponíveis sobre os dados de calibração e resolução de todos os instrumentos que estão sendo usados para ajudar a avaliar possíveis erros experimentais e limites de confiança. Essas duas questões são fundamentais para obter resultados significativos, mas estão além do escopo do que é discutido aqui.

2. Teste o espécime:

Ligue a máquina de teste e inicialize o software. Certifique-se de ter configurado todos os recursos apropriados de grafagem e aquisição de dados dentro do software. No mínimo, você deve exibir a curva de tensão e ter displays para a carga e a tensão.

1. Selecione um procedimento de teste apropriado dentro do software compatível com o protocolo de teste ASTM E8. Observe a taxa de tensão que está sendo usada e se duas taxas, uma para o elástico e outra para a faixa inelástica, estão sendo utilizadas. Defina todas as ações apropriadas no software (por exemplo, para que a máquina pare a 5% de tensão para que você possa remover com segurança o extensômetro e manter o valor máximo da carga que é alcançado).
2. Levante manualmente a cabeça cruzada de modo que o comprimento total do espécime se encaixe facilmente entre as garras. Insira cuidadosamente a amostra nas garras superiores a cerca de 80 % da profundidade de aderência; alinhar o espécime dentro das garras e apertar ligeiramente para evitar que a amostra caia. Nota: NÃO aperte a aderência à sua pressão total nesta fase.
3. Abaixe lentamente a cabeça de cima. Uma vez que a amostra esteja dentro de cerca de 80% da profundidade de aderência inferior, certifique-se de que a amostra esteja adequadamente alinhada dentro das garras inferiores (ou seja, com as aderências inferiores em sua posição totalmente aberta, o espécime deve "flutuar" no meio da abertura da aderência inferior). O desalinhamento da amostra, que resultará em estresse flexural e torcional adicional durante os testes, é um dos erros mais comuns encontrados na realização de testes de tensão. Se o alinhamento do instrumento em si for ruim, trabalhe com um técnico para alinhar adequadamente as aderências.
4. Aplique pressão lateral adequada na amostra através das garras para garantir que não ocorra nenhum deslizamento durante o teste. Nota: Haverá uma pequena carga axial neste momento, pois o processo de aperto introduz uma pré-carga no espécime; suas máquinas de teste podem ter ajustes de software para minimizar essa pré-carga. Registo o valor da pré-carga.
5. Conecte o extensometro eletrônico com segurança à amostra conforme especificação do fabricante. Nota: As lâminas extensômetros não precisam ser posicionadas exatamente sobre as marcas de gálagem no espécime, mas devem ser aproximadamente centradas no espécime.
6. Verifique cuidadosamente se você executou corretamente todos os procedimentos até agora; se possível, verifique se a amostra está pronta para testes.
7. Inicie o carregamento para começar a aplicar a carga de tração na amostra e observe a leitura ao vivo da carga aplicada no visor do computador. Nota: Se a carga medida não aumentar, a amostra está escorregando através das garras e precisa ser recolocado. Se isso ocorrer, pare o teste e reinicie o experimento a partir da etapa 2.3.
8. Às vezes, antes da falha da amostra, o teste será automaticamente pausado sem descarregar a amostra (Etapa 2.7). Neste ponto, remova o extensor. Se os espécimes romperem com o extensometro no lugar, você destruirá o extensor, um equipamento muito caro.
9. Retome a aplicação da carga de tração até o fracasso. Ao atingir a carga máxima, as cargas medidas começarão a diminuir. Neste ponto, a amostra começará a pescoço e a fratura final deve ocorrer dentro desta região pescoçoada através de rasgos dúcteis ou semi-dúcteis.
10. Depois que o teste é concluído, levante a cabeça cruzada, solte as garras superiores e retire o pedaço quebrado da pegada superior. Uma vez que a metade superior da amostra seja removida, solte a aderência inferior e remova a outra metade do espécime.
11. Registo o valor na carga máxima de tração e imprima uma cópia da curva de tensão. Salve os dados gravados digitalmente no disco rígido e em pelo menos um dispositivo de mídia removível.
12. Encaixe cuidadosamente as extremidades da amostra fraturada e meça a distância entre as marcas de gálagem até os 0,002 mais próximos. Registo o comprimento final da gálagem.
13. Meça o diâmetro da amostra na menor seção transversal até o 0,002 mais próximo.
14. Documente a amostra fraturada com imagens e diagramas.

3. Análise de dados

1. Utilizando os dados da Tabela 1, calcule o % de alongamento e redução de área para cada tipo de material metálico.
   alongamento = = 8,6%
   redução da área = = 36,5%
2. Descreva, categorize e regise o modo de fratura predominante para cada amostra.
3. Determine propriedades materiais conforme descrito no vídeo do JoVE sobre "Características da Tensão de Estresse dos Aços". Organize os dados em uma planilha de tal forma que a cepa até 0,004 seja dada pela gagem de tensão e entre 0,004 e 0,05 pelo extensômetro (o limite superior para o extensômetro é o valor da tensão em que foi removido do teste; este valor muda dependendo da capacidade de deformação da amostra). Use o deslocamento de cabeça cruzada e %alongamento para estimar a tensão final. Se uma gagem de tensão não for usada, certifique-se de corrigir qualquer deslize inicial do extensor. Pode-se contar quadrados no gráfico para obter a dureza (área sob curva de tensão de estresse).
4. Usando um livro didático ou outra referência adequada, determine o módulo elástico, a força de rendimento e a força final dos materiais utilizados. Compare os valores publicados com os resultados dos testes.

A partir das medições e Fig. 3, o alumínio tratado a calor, como o 6061T6 utilizado neste teste, normalmente exibirá % alongamentos na faixa de 8%-13%. É importante notar que quase toda a deformação é localizada em um volume pequeno e, portanto, o %alongamento é apenas uma média; localmente a tensão poderia ser muito maior. Note-se também que a %redução da área também é uma medida muito difícil de fazer, pois as superfícies são irregulares; portanto, esse valor vai variar consideravelmente.

Mesa 1. Resultados de testes de tensão em amostras circulares de alumínio 6061 T6.

Figura 3 - Pescoço em amostra de alumínio. 

Figura 4 - Superfície típica de falha semi-dúctil. 

Em geral, estes variam de uma fratura de tesoura dútil (copo-cone) a uma fratura de decote frágil. A falha mostrada em Fig. 3 e Fig. 4 é consistente com este processo, mas menos ductilidade pode ser vista neste alumínio em comparação com o aço laminado a quente no vídeo JoVE sobre "Características de Tensão de Aços". Assim, essa falha pode ser caracterizada como semi-dúctil mesmo que o %alongamento seja relativamente grande. Resultados típicos são mostrados em Fig. 1.

Este experimento descreveu como obter uma curva de tensão para um alumínio típico. As diferenças nas curvas de tensão podem ser traçadas para qualquer diferença no processamento (por exemplo, fundição, extrudamento, tratamento térmico ou trabalho a frio) e composição química (por exemplo, tipo e por cento das ligações). Esses processos e ligas aumentam a força do alumínio em um fator de 20 a 60 vezes o do material puro. Os testes mostraram que o alumínio é um material dúctil quando carregado em tensão uniaxial.

O alumínio é um material muito versátil e resistente. A Associação de Alumínio afirma que "... suas aplicações abrangem desde itens cotidianos como veículos eficientes em combustível, telefones inteligentes, zíperes e papel alumínio até a fiação da rede elétrica do país, o ápice do Monumento a Washington e a carcaça da Estação Espacial Internacional. ... Um incrível 75% de todo o alumínio já produzido ainda está em uso. A produção de alumínio reciclado requer apenas 8% da energia e cria 8% das emissões em comparação com a produção primária."

A aplicação mais importante do teste de tensão descrito aqui está no processo de controle de qualidade durante a fabricação de alumínio. As normas ASTM exigem que esse teste seja executado em amostras representativas de cada calor de alumínio, e tais resultados devem ser rastreáveis a benchmarks estabelecidos. Os fabricantes de alumínio utilizam padrões como ISO/TS 16949 e similares para QC/QA de materiais para indústrias automotivas e relacionadas.

A folha de alumínio na indústria de cozimento depende de testes de tração para garantir que a folha seja flexível o suficiente para ser facilmente manobrada à mão. O mesmo vale para latas de refrigerante, fortes o suficiente para permanecer no lugar quando realizadas, mas facilmente esmagáveis quando desejarem.