FLÁVIA COSTA DA SILVA INFLUÊNCIA DA ADIÇÃO DE NANOPARTÍCULAS DE TiO2 NA OBTENÇÃO DE COMPÓSITOS A BASE DE LIGA AA2014 FABRICADA VIA METALURGIA DO PÓ

  UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT

PROGRAMA DE PốS-GRADUAđấO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE

MATERIAIS – PGCEM

  

FLÁVIA COSTA DA SILVA

  INFLUÊNCIA DA ADIđấO DE NANOPARTễCULAS DE TiO

  2 NA OBTENđấO DE

COMPÓSITOS A BASE DE LIGA AA2014 FABRICADA VIA METALURGIA DO PÓ

JOINVILLE, SC

  

FLÁVIA COSTA DA SILVA

  INFLUÊNCIA DA ADIđấO DE NANOPARTễCULAS DE TiO

  2 NA OBTENđấO DE

COMPÓSITOS A BASE DE LIGA AA2014 FABRICADA VIA METALURGIA DO PÓ

  Dissertação apresentada para a obtenção do título de mestre em Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade do Estado de Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas - CCT.

  Orientador: César Edil da Costa, doutor.

JOINVILLE, SC

  Aos meus pais, Ana Maria e José Paulo.

  

AGRADECIMENTOS

Agradeço a todos que contribuíram para a realização deste trabalho.

  Ao professor Dr. César Edil da Costa pela amizade e dedicação. Aos colegas e bolsistas de Iniciação Científica do grupo de pesquisa em Metalurgia do pó pela dedicação e amizade, em especial a Éverton. R. Breitenbach e Guilherme A. dos

  Santos.

  Aos demais professores do PGCEM que colaboraram para a execução desde trabalho. A minha família e ao Juliano pelo incentivo e por acreditarem no meu potencial. Ao CCT/UDESC por promover a oportunidade de realizar este trabalho. À empresa Alcoa pela doação do pó de alumínio. À CAPES pela bolsa de estudo concedida.

  “Nada é mais fatal para o progresso da mente humana do que achar que nossas visões da ciência são definitivas, que nossos triunfos são completos, que não há mistérios na natureza, e que não há mundos novos a conquistar.” (Humphry Davy)

  

RESUMO

  SILVA, Flávia Costa. Influência da adição de nanopartículas de TiO

  2 na formação de

compósitos a base de liga AA2014 fabricada via metalurgia do pó. 2012. 93 f. Dissertação

  (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais

  • – Área: Metais) – Universidade do Estado de Santa Catarina. Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materais, Joinville, 2012. Compósitos de matriz de alumínio e suas ligas, especialmente AA2014, são amplamente utilizados na indústria automotiva e aeronáutica. As propriedades desta são muito influenciada por tratamento térmico de precipitação, no entanto, seu uso é restrito em temperaturas acima de 150ºC, devido à perda de propriedades ocasionadas pelo crescimento dos precipitados. A adição de uma nova fase, finamente dispersa na matriz pode atuar como pontos de nucleação e possibilitar o crescimento destes precipitados sendo que nestes materiais é freqüente a adição de partículas cerâmicas para estes fins. Neste trabalho a liga de alumínio 2014 foi reforçada com nanopartículas de TiO , via metalurgia do pó, consolidada

  2

  por extrusão e posteriormente feito tratamento de precipitação. Estudou-se a influência destas partículas no mecanismo de solubilização e precipitação dos compósitos extrudados bem como no processo de sinterização. A liga base foi produzida por moagem de alta energia e o reforço foi adicionado em moinho planetário, os pós conformados foram extrudados e aplicado o tratamento térmico T6. Por meio de dilatometria dos corpos de prova extrudados, foram analisadas as transformações que ocorrem no material e verificado o comportamento à sinterização dos pós. As fases presentes e o reforço, bem como sua distribuição foram analisadas por microscopia eletrônica (MEV) e microscopia ótica convencional. A superfície da fratura destes materiais foram observadas por MEV para avaliar o mecanismo envolvido na fratura. Por fim, a influencia do reforço na matriz foi analisado quanto às propriedades mecânicas de dureza, resistência à tração e ao desgaste por deslizamento. A liga obtida por moagem de alta energia apresentou propriedades coerentes à fabricada por métodos convencionais. Neste caso o TiO dificulta o crescimento dos precipitados a alta temperatura,

  2

  o que garante estabilidade térmica do material, além disso viabiliza a nucleação dos precipitados na interface matriz-reforço, no entanto esta mesma barreira bloqueia a difusão entre as partículas no processo de sinterização, diminuindo a coesão entre as partículas, e necessitando de tempos mais longos de sinterização. O processo de extrusão diminui a ocorrência de aglomeração e permite obter os máximos valores de propriedades mecânicas, porém a falta de coesão entre as partículas diminui a resistência ao desgaste, pois o reforço se desprende e se torna um agente abrasivo durante o ensaio.

  . Precipitação. Sinterização.

  Palavras-chave: Compósito. AA2014. TiO

  2

  

ABSTRACT

  SILVA, Flávia Costa. Influence of the addition of TiO

  2 nanoparticles in the composites

formation based AA2014 alloy manufactured by powder metalurgy. 2012. 93 f.

  Dissertation (Master Course in Science and Materials Engineering

  • – area: Metals) –Santa Catarina State University, Post Graduation Program in Science and Materials Engineering, Joinville, 2012. Aluminum matrix composites and its alloys, especially AA2014, are widely used in automotive and aeronautics applications. The properties of this are very influenced by hardening treatment, however its use is limited at temperatures above 150ºC due to loss of properties caused by the growth of precipitates at this temperature. The addition of a new phase, finely dispersed in the matrix can act as nucleation points and enable the growth of this precipitates and that materials is frequent the addition of ceramic particles for these puporses. At this work, the 2014 alloy was reinforced with nanoparticles of TiO by powder

  2

  metallurgy route, then consolidated by extrusion and done precipitation. Was studied the influence of these particles in the solubilization and precipitation mechanism of the extruded composite and the sintering process. The alloy was produced by high energy ball milling and the strengthening was added by planetary mill, the powders were extruded, shaped and applied to T6 heat treatment. Through dilatometry of extruded specimens, was analyzed the changes in the material and observed the sintering behavior of powders. The phases, strengthened and its distribution were analyzed by scanning electron microscopy (SEM) and conventional optical microscopy. The fracture surface was observed by SEM to assess the mechanism involved in fractures. Finally, the influence of reinforcement in the matrix was analyzed for the mechanical properties of hardness, tensile strength and wear by sliding test. The alloy obtained by high energy milling had properties coherent to manufacture by conventional methods. The TiO hinders the growth of

  2

  precipitates at a high temperature, which ensures the thermal stability of the material, also allows for the nucleation of precipitates in the matrix-reinforcement interface, however the reinforcement blocks the diffusion between the particles during the sintering process, lowering the cohesion between particles, and requiring longer sintering times. The extrusion process reduces the agglomeration and to achieves the maximum values of mechanical properties, but lack of cohesion between the particles decreases wear resistance, since the reinforcement is detached and becomes an abrasive agent during the test.

  Key-words: Composite. AA2014. TiO . Precipitation. Sintering.

  2

  

LISTA DE ILUSTRAđỏES

Figura 2.1 - Quadro de bicicleta de compósito de matriz de alumínio reforçado com partículas de carbeto de boro........................................................................................... 20Figura 2.2 - Fluxograma do processo de metalurgia do pó convencional........................... 24Figura 2.3 - Esquema representativo do moinho de bolas................................................... 27Figura 2.4 - Moinho de produção industrial para moagem de alta energia. Instalação da INCO

  Alloys International........................................................................................ 28

Figura 2.5 - Colisão entre bola-pó-bola da mistura de pós durante moagem de alta energia 29Figura 2.6 - Estágios do sistema dúctil-dúctil durante o mecanismo de mechanical alloying 30Figura 2.7 - Vários estágios do sistema dúctil-frágil durante mechanical alloying............. 30Figura 2.8 - Esquema representando o movimento das bolas no interior do moinho.......... 31Figura 2.9 - Vista esquemática do interior do cadinho no moinho Atritor.......................... 32Figura 2.10 - Representação esquemática da extrusão direta.............................................. 34Figura 2.11 - Comportamento dos grãos durante o processo de extrusão........................... 35Figura 2.12 - Pressão de extrusão em função do percurso de extrusão............................... 36Figura 2.13 - Diagrama de equilíbrio parcial para Al-Cu-Mg para uma composição de 4,5% de cobre e 95,5% de alumínio......................................................................... 38Figura 2.14 - Diagrama de fase Al-Cu................................................................................. 38Figura 2.15 - Diagrama de fase Al-Cu mostrando os três passos do processo de tratamento térmico de envelhecimento e a microestrutura obtida.................................... 39Figura 2.16 - Diagrama genérico mostrando a região de solubilização e a microestrutura. 40Figura 2.17 - Processo de formação dos precipitados.......................................................... 43Figura 2.18 - Esquema de força e movimento envolvidos no ensaio pino-disco................. 46Figura 2.19 - Superfície desgastada por transferência de material durante deslizamento... 47Figura 2.20 - Micrografia de superfície desgastada por abrasão......................................... 47Figura 3.1 - Fluxograma do processo de obtenção do compósito........................................ 50Figura 3.2 - Moinho atritor modelo HD01- fabricante Union Process................................ 51

  Figura 3.3

  • – Gráfico de distribuição granulométrica dos pós constituintes da liga (µm). (a)

  Alumínio, (b) Magnésio, (c) Sílicio).............................................................. 52

Figura 3.4 - Pó de dióxido de titânio (TiO ) utilizado......................................................... 54

  2 Figura 3.5 - Moinho planetário Pulverisette 5

  • – fabricante Fritsch..................................... 55 Figura 3.6
  • – Corpo de prova apresentando delaminação..................................................... 56

Figura 3.7 - Equipamento utilizado para extrusão com forno circular na máquina de ensaio 57Figura 3.8 - Matriz bipartida de extrusão e corpo de prova obtido...................................... 57Figura 3.9 - Ciclo de tratamento conforme norma ASTM B597-86.................................... 58Figura 3.10 - Tribômetro utilizado no ensaio de desgaste pino sob disco........................... 60Figura 3.11 - Corpo de prova utilizado para a realização do desgaste pino-sob-disco........ 61Figura 4.1 - Fluxograma das etapas de caracterização e análise dos materiais.................... 62Figura 4.2 - Micrografia do pó da liga 2014 moído em moinho atritor, durante 10h a 550 rpm.................................................................................................................. 63

  Figura 4.3

  • – Distribuição granulométrica das partículas dos pós obtidos (µm). (a) Liga base,

  (b) liga base+1,5%TiO2, (c) liga base+3,0% TiO2, (d) liga base+5,0%TiO2 64

Figura 4.4 - Micrografia do compósito AA2014-5,0% TiO ............................................... 65

  2 Figura 4.5

  ,

  2

  • – Gráfico de dilatometria para material compósito extrudado AA2014-0%TiO

  AA2014-1,5%TiO , AA2014-3,0%TiO e AA2014-5,0%TiO e com tratamento

  2

  2

  2

  térmico T6. Aquecimento a 580ºC.................................................................. 67 Figura 4.6

  • – Detalhe ampliado da Figura 4.5....................................................................... 68 Figura 4.7

  , AA2014-1,5%TiO ,

  2

  2

  • – Avaliação da sinterização dos materiais: AA2014-0%TiO

  AA2014-3,0%TiO e AA2014-5,0%TiO , aquecimento 600ºC/2h................ 69

  2

  2 Figura 4.8

  , AA2014-1,5%TiO ,

  • – Avaliação da sinterização dos materiais: AA2014-0%TiO

  2

  2 AA2014-3,0%TiO e AA2014-5,0%TiO , aquecimento 600ºC/2h, variação

  2

  2

  dimensional..................................................................................................... 70 Figura 4.9

  • – Esquema das temperaturas de transformação dos materiais sem reforço e com reforço............................................................................................................. 71

Figura 4.10 - Microscopia ótica convencional da liga base sem reforço, (a) antes e (b) após T6

  Ampliação 400x. Ataque HF.......................................................................... 71 Figura 4.11

  • – Microscopia ótica convencional da liga base com reforço, (a) antes e (b) após

  T6. Ampliação 400x. Ataque HF.................................................................... 72 Figura 4.12- Microscopia ótica convencional, a) liga 2014 sem reforço (500x); c) liga 2014 com reforço (500x). Microscopia eletrônica (MEV); b) liga 2014 sem reforço

  (500x); d) liga 2014 com reforço (500x); e) liga 2014 com reforço, (3xK). Todos extrudados e com T6....................................................................................... 74 Figura 4.13

  • – Microscopia eletrônica da AA2014, sem reforço, extrudada + T6. por: a)MEV e

  b) mapeamento químico por EDX.................................................................. 75 Figura 4.14

  • – Microscopia eletrônica da AA2014, com reforço, extrudada + T6 por: a)MEV e

  b) mapeamento químico por EDX.................................................................. 75 Figura 4.15

  • – Microscopia ótica convencional e MEV das amostras sinterizadas: a) e b)

  AA2014; c) e d) AA2014+TiO ...................................................................... 76

  2 Figura 4.16

  • – Fractografia, a)liga base; b) liga base com 5% de reforço............................ 77 Figura 4.17
  • – Fractografia a) liga base, b) liga base com 5% de reforço............................. 78 Figura 4.18

  no estado extrudado

  2

  • – Dureza da liga base e dos compósitos reforçados com TiO e extrudado com tratamento térmico.............................................................. 79

  Figura 4.19

  • – Resistência à tração dos materiais extrudados e T6...................................... 80 Figura 4.20
  • – Curva típica do coeficiente de fricção medido durante o ensaio de desgaste 81 Figura 4.21
  • – Valores de Volume de Material Removido (VMR) em mm³ dos corpos de prova consolidados por extrusão e tratados termicamente....................................... 82

  Figura 4.22

  • – Taxa de desgaste (k)...................................................................................... 83 Figura 4.23
  • – Microscopia da pista de desgaste, AA2014................................................... 84

Figura 4.24 - Microscopia da pista de desgaste, AA2014+TiO ......................................... 84

  2 Figura 4.25

  • – Pista de desgaste, AA2014............................................................................ 85

Figura 4.26 - Pista de desgaste, AA2014+TiO ................................................................... 85

  2

  Tabela 3.1

  

LISTA DE TABELAS

  • – Dados da composição química da liga AA2014............................................. 52 Tabela 3.2
  • – Distribuição granulométrica para o cobre, segundo fabricante....................... 53

  

SUMÁRIO

  

1 INTRODUđấO............................................................................................................... 15

  

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA....................................................................................... 17

  2.1 MATERIAIS COMPÓSITOS........................................................................................ 17

  

2.1.1 Materiais Compósitos de Matriz Metálica ............................................................. 18

  

2.1.2 Materiais Compósitos de Matriz de Alumínio....................................................... 19

  

2.1.3 Material de Reforço.................................................................................................. 21

  2.2 FABRICAđấO DOS MATERIAIS COMPốSITOS DE MATRIZ METÁLICA....... 23

  

2.2.1 Processamento no Estado Sólido............................................................................. 23

  

2.2.2 Metalurgia do Pó....................................................................................................... 23

  

2.2.3 Fabricação dos Pós.................................................................................................... 25

  2.2.4 Moagem de Alta Energia

  • Mechanical Alloying................................................... 27

  

2.2.4.1 Tipos de Moinhos................................................................................................... 31

  

2.2.4.2 Agente Controlador de Processo – PCA (Process Agent Control) ................... 32

  

2.2.4.3 Razão Bolas/Carga................................................................................................. 32

  

2.2.4.4 Atmosfera de Moagem........................................................................................... 33

  

2.2.5 Consolidação dos Pós – Extrusão............................................................................ 33

  2.2.5.1 Parâmetros de Extrusão............................................................................................ 35

  

2.2.6 Tratamento Térmico das Ligas de Alumínio.......................................................... 36

  2.2.6.1 Solubilização............................................................................................................ 39

  2.2.6.2 Precipitação (Envelhecimento)................................................................................ 40

  2.2.6.3 Processo de Precipitação em Materiais Compósitos de Matriz Metálica................ 44

  2.3 PROPRIEDADES DOS MATERIAIS COMPÓSITOS DE MATRIZ METÁLICA... 45

  

2.3.1 Resistência ao desgaste dos compósitos................................................................... 46

  

3 MATERIAIS E MÉTODOS.......................................................................................... 50

  3.1 OBTENđấO DA MATRIZ METÁLICA..................................................................... 51

  3.2 ADIđấO DO REFORđO.............................................................................................. 54

  3.3 COMPACTAđấO......................................................................................................... 55

  3.4 EXTRUSÃO A QUENTE............................................................................................. 56

  3.5 TRATAMENTO TÉRMICO......................................................................................... 58

  3.6 CARACTERIZAđấO DO MATERIAL....................................................................... 58

  

3.6.2 Dilatometria............................................................................................................... 59

  

3.6.3 Análise microestrutural............................................................................................ 59

  

3.6.4 Microdureza.............................................................................................................. 59

  

3.6.5 Estudo tribológico..................................................................................................... 60

  

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES.................................................................................. 62

  4.1 CARACTERIZAđấO DOS PốS.................................................................................. 62

  4.2 ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DO REFORđO NA CONSOLIDAđấO E PRECIPITAđấO DE FASES....................................................................................... 65

  4.3 ANÁLISE DA FRATURA............................................................................................ 77

  4.4 AVALIAđấO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS................................................ 78

  4.4.3 – Caracterização Tribológica – Ensaio Pino-Disco................................................ 81

  

5 CONCLUSÕES............................................................................................................... 86

SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS............................................................ 87

REFERÊNCIAS................................................................................................................. 88

1 INTRODUđấO

  A crescente necessidade de contínuas melhorias em todos os âmbitos tecnológicos tem impulsionado a pesquisa e o desenvolvimento de novos materiais, assim como processos de fabricação mais avançados. A melhoria nas propriedades dos materiais é uma consequência ao cumprir estes requisitos, o que possibilita fabricar materiais específicos para novas aplicações. Neste contexto, encontram-se os materiais compósitos. A razão para a sua fabricação surge pela busca de materiais com propriedades únicas proveniente da combinação das propriedades dos seus constituintes.

  Devido à versatilidade das aplicações e propriedades obtidas, aliado ao custo de fabricação, destacam-se os materiais compósitos de matriz metálica reforçados com partículas. Dentre estas, as matrizes mais comumente utilizadas estão as ligas leves, com destaque às ligas de alumínio. A adição de reforço melhora efetivamente as suas propriedades, vindo a substituir as ligas à base de ferro.

  Concomitantemente está o desenvolvimento de técnicas de fabricação específicas que obedecem à busca por materiais com propriedades distintas. Como a metalurgia do pó, que permite a obtenção de materiais com composição que seriam difíceis de serem obtidos por outros métodos de fabricação convencionais.

  As ligas de alumínio fabricadas via metalurgia do pó são muito competitivas se comparada com as ligas fabricadas por outros métodos. Através deste processo é possível obter estrutura refinada com melhores propriedades mecânicas e resistência à corrosão, e também, introduzir reforços de forma homogênea que atuam como barreiras à movimentação de discordâncias (GUTMANAS, 1990; CHIAVERINI, 1992; COSTA, 1998; BHATTACHARYA,2004; CHUNG, 2009; HAFEEZ AHAMED, 2010).

  Ao utilizar partículas de reforço extremamente reduzidas, na ordem de nanômetros, existe a possibilidade de que estas partículas se aglomerem e interfiram de forma negativa nas propriedades finais do material. Portanto, o processamento via metalurgia do pó seguido de consolidação por extrusão é uma alternativa para evitar este problema. A consolidação por extrusão aumenta o contato entre as partículas e melhora a distribuição destas quando comparado a outros métodos de fabricação de compósitos, evitando que os reforços aglomerem e precipitem. Ela atua basicamente de forma a distribuir os reforços e consolidar o material ao mesmo tempo (LEE, 1992; KLEINER, 2004; KLEIN, 2009; MOUSAVI ABARGHOUIE, 2009; KATAIAH, 2010).

  Ao estar consolidado o material pode ser processado por tratamento térmico visando alterar de forma positiva suas propriedades finais. O tratamento térmico de precipitação é efetuado nas ligas de alumínio com a finalidade de aumentar a dureza e resistência mecânica, em especial as ligas tratáveis termicamente (séries AA 2XXX, 6XXX e 7XXX) destaque às ligas da série 2XXX que apresentam alta resistência para construção de aeronaves. Estas ligas são utilizadas em aplicações onde a temperatura não passa de 150ºC, acima disso ocorre uma perda de propriedades por aglomeração de precipitados que perdem coerência com a matriz. Para que a resistência se mantenha a temperaturas mais elevadas é preciso que exista outra fase muito mais fina, termodinamicamente estável e distribuída uniformemente na matriz do alumínio (ASM HANDBOOK, 1991; NAVAS, 1999).

  Este trabalho tem como objetivo estudar o comportamento da liga de alumínio AA2014 submetida a diferentes adições de um óxido de tamanho nanométrico (TiO ). Avaliar

  2

  a influência do TiO no processo de sinterização, consolidação por extrusão e mecanismo de

  2

  tratamento de precipitação, por meio de análises térmicas, microscopia ótica e propriedades mecânicas (dureza e resistência a tração).

  O dióxido de titânio foi escolhido por tratar-se de um óxido inerte, estável termicamente (baixo coeficiente de expansão térmica) e duro. As partículas nanométricas, quando bem distribuídas na matriz, podem atuar como bloqueio à movimentação das discordâncias e também podem impedir a difusão atômica evitando o crescimento do grão a altas temperaturas, mantendo assim, as propriedades do compósito de matriz de alumínio mesmo a temperaturas de trabalho maiores, característica importante para aplicações aeronáuticas.

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

  2.1 MATERIAIS COMPÓSITOS Engenheiros e cientistas de materiais buscam sempre aprimorar os materiais tradicionais e produzir outros completamente novos capazes de responder as necessidades ou exigências impostas pelas aplicações. Os materiais compósitos são um exemplo disto. Um compósito apresenta propriedades que são responsáveis pela interação dos seus constituintes (dois ou mais) ou fases. Segundo Matthews e Rawlings (1994), um material compósito deve satisfazer três critérios para ser considerado como tal: conter uma proporção razoável (5%) de cada uma das fases, ser constituído por duas fases de propriedades marcadamente distintas, e obter um material final de propriedades claramente diferenciadas daquelas dos seus constituintes.

  Devido à gama de materiais que podem ser considerados como compósitos e da ampla aplicação destes materiais para os quais são desenvolvidos é difícil chegar a uma definição específica. Por exemplo, do ponto de vista de alguns autores, os materiais formados por fases obtidas por tratamento térmico também são considerados compósitos (NAVAS, 1999), no entanto, há outros autores como Chung (2009), que ao definir os materiais compósitos explica que estes materiais não são multifásicos, onde há diferentes fases formadas por reações, transformações ou outros fenômenos.

  Outra definição que pode ser dada a estes materiais seria considerar aqueles que contêm uma matriz contínua que se liga com um reforço mais rígido. Resultando em um material de propriedades superiores comparado ao material sem nenhum reforço. Esta melhora nas propriedades resulta de um mecanismo de compartilhamento de carga. Estes materiais não são utilizados somente pelas suas propriedades estruturais, mas também pelas propriedades elétricas, térmicas, tribológicas e ambientais (MIRACLE, 2005).

  Os materiais compósitos são classificados segundo a matriz e segundo o tipo de reforço. No que diz respeito à matriz, constituinte em maior proporção, pode ser classificado como compósito de matriz cerâmica (CMC

  • Ceramic Matrix Composite), compósito de matriz polimérica (PMC
  • Polymer Matrix Composite) ou compósito de matriz metálica
  • Metal Matrix Composite). O segundo constituinte, denominado reforço ou fase dispersa, tem função de melhorar as propriedades mecânicas. Desta forma, os materiais compósitos podem ser classificados também segundo o reforço: materiais compósitos

2.1.1 Materiais Compósitos de Matriz Metálica

  A pesquisa e o desenvolvimento de compósitos de matriz metálica têm recebido grande atenção devido à possibilidade de obter melhores propriedades mecânicas, resistência ao desgaste, resistência térmica e resistência a fadiga

  • – melhorias gerais nas propriedades. O conceito genérico deste material é baseado na combinação das melhores características de dois materiais diferentes, tais como a ductilidade e tenacidade da matriz metálica com a elevada resistência dos reforços cerâmicos (TJONG e MA, 2000; SURAPPA, 2003; CHUNG, 2009).

  As primeiras pesquisas voltadas para o desenvolvimento de CMMs foram feitas nas décadas de 1950 e 1960. A motivação principal era aumentar a eficiência estrutural de materiais metálicos mantendo suas características positivas. Saindo do âmbito científico e partindo para aplicações tecnológicas estes materiais tiveram suas primeiras aplicações em transporte terrestres (automóvel e ferrovias), em 1999 foi responsável por 62% do mercado mundial de MMCs em volume (AMERICAN SOCIETY OF METALS HANDBOOK, 2001), foram utilizados também em gerenciamento térmico, indústrias aeroespacial, do lazer, e infraestrutura (MIRACLE, 2005).

  Os materiais compósitos de matriz metálica diferem de outros compósitos de várias maneiras, algumas delas são:

  1

  • – A matriz é um metal puro ou uma liga metálica;

  2

  • – MMCs apresentam ductilidade e tenacidade superior aos CMCs, embora ainda apresentem menor ductilidade e tenacidade do que a própria liga sem o reforço;

  3

  • – A função do reforço é aumentar a resistência e módulo de elasticidade como acontece com os PMCs, no caso dos CMCs o reforço é adicionado para fornecer maior tolerância a danos;

  4

  • – MMCs tem resistência à temperatura maior do que os PMCs e menor do que os CMCs;

  5

  • – MMCs com reforço podem ser conformáveis por processos assim como os metais sem reforço (DEPARTMENT OF DEFENSE HANDBOOK, 2002).

  A função da matriz é manter o reforço ligado, em virtude da coesão e adesão, transferir a carga para e entre os reforços e proteger os reforços do ambiente e manuseio. A escolha do material da matriz requer atenção especial, pois existem vários tipos de ligas e metais. Os mais utilizados são os metais leves, pelas suas características de relação propriedades e custo, dentre estes se destacam o alumínio, o titânio e o magnésio, assim como suas respectivas ligas (NAVAS, 1999).

2.1.2 Materiais Compósitos de Matriz de Alumínio

  A maior parte dos compósitos de matriz metálica desenvolvidos e estudados atualmente são os a base de matriz de alumínio e suas ligas. O principal motivo da sua utilização é que se trata de um material leve (sua densidade é 2,7g/cm³), principal requisito na maioria das aplicações de compósitos de matriz metálica. O baixo ponto de fusão (660ºC) é um atrativo, pois requer menos energia para processá-lo. Além disso, trata-se de um material de baixo custo, quando comparado com outros metais leves como o titânio e o magnésio. No entanto, este material quando puro apresenta baixo limite de escoamento ~ 20 MPa),

  e

  (σ sendo necessário o desenvolvimento de ligas. As ligas de alumínio convencionais são muito utilizadas em aplicações que compreende desde a indústria automotiva e de aeronaves até de esporte e lazer. Suas propriedades podem ser modificadas para atender os requisitos de determinada aplicação pela adição de reforços, geralmente cerâmicos. O baixo custo de produção deste compósito torna-o competitivo em aplicações de grande escala (LINDROOS e TALVITIE, 1995; NAVAS, 1999; DEPARTMENT OF DEFENSE HANDBOOK, 2002; SURAPPA, 2003).

  As matrizes de alumínio mais comuns utilizadas são as ligas endurecíveis por precipitação, ou tratáveis termicamente, que envolvem as da série 2XXX (Al-Cu-Mg), onde destacam-se a 2014 e a 2024, pois proporcionam uma excelente combinação de propriedades; as da série 7XXX (Al-Zn-Mg-Cu) apresentam as maiores resistências possíveis; e da série

  6XXX (Al-Mg-Si-Cu) elevada resistência a corrosão e fácil processamento, e por fim as da série 8XXX (Al-Fe-X) por possibilitar elevar a temperatura de trabalho (NAVAS, 1999; O’DONNELL e LOONEY, 2001. TORRALBA, 2003).

  As ligas da série 2XXX são muito utilizadas em aplicações aeroespaciais devido à alta resistência. Apresentam propriedades tais como: ponto de fusão de 507 a 638ºC; coeficiente de expansão térmica de 23,0 µm/mºC e densidade de 2,80 g/cm³. Estas ligas contêm cobre e magnésio que proporcionam endurecimento por precipitação, através da formação dos

  2

  θ’ (Al Cu) para ligas com maior quantidade de cobre, mediante tratamento térmico. Após

  CuMg) para ligas que contenham mais magnésio e precipitados precipitados S’ (Al

  2

  tratamento térmico de precipitação a resistência e dureza da liga aumentam para 485MPa e 135HB, respectivamente. A liga 2014 é muito utilizada em aplicações em temperaturas elevadas. Neste caso o precipitado Al Cu melhora as propriedades a alta temperatura, no

  2

  entanto não podem ser utilizadas a temperaturas acima de 150ºC, pois os precipitados crescem o interesse por ligas de alumínio que mantenham suas propriedades a alta temperatura (NAVAS, 1999).

  A adição de reforços cerâmicos produz uma melhoria nas propriedades mecânicas da liga matriz a alta temperatura, há casos em que é possível aumentar 200MPa na resistência a tração a temperaturas de 300ºC (TORRALBA, 2003). A Figura 2.1 mostra uma bicicleta em que o quadro é fabricado com matriz metálica a base de alumínio com adição de partículas de B C.

4 Figura 2.1

  • – Quadro de bicicleta de compósito de matriz de alumínio reforçado com partículas de carbeto de boro.

  Fonte: (www.griffenbicycles.wordpress.com) Desenvolvimentos feitos na área relacionada à materiais compósitos de matriz de alumínio levam em conta os tipos de matrizes, reforços e o processo de fabricação, bem como as propriedades que podem ser obtidas através de possíveis alterações na matéria-prima e no processo. A fabricação de compósitos de matriz de alumínio reforçado com fibras é complexa e cara e é utilizada em aplicações aeroespaciais. Há uma preocupação em diminuir o custo de produção e melhorar a eficiência da produção em massa desses materiais. Materiais compósitos à base de Al reforçados com partículas oferecem propriedades moderadas, mas são muito mais baratos que os mesmos reforçados com fibras, o que faz destes materiais uma interessante alternativa. O processamento destes materiais através de metalurgia do pó e extrusão garante uma boa homogeneidade de propriedades e adequada distribuição do reforço na matriz, requisito base para garantir a qualidade do material compósito (FOGAGNOLO, 2003).

2.1.3 Material de Reforço

  A seleção do reforço adequado leva em conta alguns fatores como sua morfologia e composição. É importante levar em conta também propriedade e custo (NAVAS, 1999). As partículas cerâmicas são geralmente as mais utilizadas como reforço de ligas de alumínio. A presença de partículas ou fibras aumenta a sensibilidade à têmpera e desta forma, o processo de envelhecimento é acelerado e a dureza também é aumentada assim como a resistência ao desgaste. O reforço também facilita a formação das zonas de Guinier-Preston acelerando o surgimento dos estágios posteriores de formação de fases. Entre os reforços mais utilizados se destacam os óxidos que podem melhorar a resistência mecânica, química, térmica, elétrica, óptica e magnética a altas temperaturas e ambientes agressivos, os mais comuns são Al O , Y O , TiO , ZrO , MgO, CuO, Cr O , há também adição de carbetos

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  (B

  C, TiC, SiC, Al C ) e nitretos como o Si N . Juntos com os reforços podem ser adicionado

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  os intermetálicos, como Ni Al que aumenta resistência e estabilidade térmica (POLMEAR,

  3 1995; COSTA, 1998; KLEIN, 2009).

  As funções dos materiais de reforço são basicamente:

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