Liga de alumínio-cobre

Ligas de alumínio-cobre ( AlCu ) são ligas de alumínio - ligas que consistem principalmente de alumínio (Al) - que contêm cobre (Cu) como o principal elemento de liga . Tipos importantes ainda contêm aditivos de magnésio e silício (AlCu (Mg, Si)), e o manganês também é frequentemente incluído para aumentar a resistência (ver AlMn ). A principal área de aplicação é a construção de aeronaves . As ligas têm resistência média a alta e são endurecíveis ao envelhecimento . Eles estão disponíveis tanto em liga forjada quanto fundida . As desvantagens são sua suscetibilidade à corrosão e sua baixa soldabilidade . Eles são padronizados na série 2000. O duralumínio é a variedade mais antiga deste grupo e remonta a Alfred Wilm , que o descobriu em 1903. Foi somente através do uso de ligas de alumínio-cobre que o alumínio pode ser usado como um material de construção generalizado , já que o alumínio puro é muito mole para esta e outras ligas endurecíveis, como ligas de alumínio-magnésio-silício (AlMgSi) ou naturalmente duro ( ligas não endurecíveis) ainda não eram conhecidas.

Tipos, elementos de liga e conteúdos

Como acontece com quase todas as ligas de alumínio, é feita uma distinção entre ligas forjadas para laminação e forjamento e ligas fundidas para fundição .

O teor de cobre é geralmente entre 3 e 6%. Entre 0,3% e 6% são considerados impossíveis ou muito difíceis de soldar (por soldagem por fusão ), com maiores teores de Cu são soldáveis. A maioria dos tipos ainda contém aditivos de magnésio , manganês e silício para aumentar a resistência. O chumbo e o bismuto formam pequenas inclusões que derretem a baixas temperaturas e, portanto, levam a uma melhor formação de cavacos , semelhante ao aço de corte livre . A resistência ao calor é aumentada com a adição de níquel e ferro.

O ferro, contido em ligas técnicas como impureza, impede o endurecimento a frio . Torna-se possível novamente adicionando magnésio. Quantidades maiores de magnésio em até 1,5% aumentam a resistência e o alongamento na ruptura (ver AlMg ). O manganês também é usado para aumentar a resistência (ver AlMn ). No entanto, quantidades maiores têm efeitos colaterais negativos, de modo que o conteúdo é limitado a cerca de 1% Mn. Adições menores de silício são adicionadas para ligar o ferro, uma vez que forma preferencialmente a fase AlFeSi, enquanto a formação do Al ₇ Cu ₂ Fe removeria maiores quantidades de cobre do material, que então não levaria mais à formação do realmente desejado fases (esp Al ₂ Cu, alumineto de cobre ) estão presentes. Quantidades maiores de silício são adicionadas para formar Mg ₂ Si ( siliceto de magnésio ) com magnésio , que, como o AlMgSi, melhora a resistência e a temperabilidade.

Algumas ligas ainda contêm lítio com teores entre 1,5% e 2,5%. Devido à densidade muito baixa do Li (0,53 g / cm³ em comparação com 2,7 g / cm³ do alumínio), isso leva a componentes mais leves, o que é particularmente vantajoso na aviação. Para obter detalhes, consulte liga de alumínio-lítio .

Ligas de fundição

As ligas de fundição contêm cerca de 4% de cobre e outros aditivos em pequenas quantidades que melhoram a capacidade de fundição , incluindo titânio e magnésio . O material de partida é o alumínio primário ; O alumínio secundário (feito de sucata), ao contrário de outras ligas de fundição de alumínio, não é usado porque reduz o alongamento na ruptura e a tenacidade. As ligas de fundição de AlCu tendem a trincas a quente e são utilizadas nos estados de têmpera T4 e T6.

A tabela a seguir mostra a composição de alguns graus de acordo com DIN EN 1706. Todos os dados em porcentagem por massa , o resto é alumínio.

Ligas forjadas

Propriedades mecânicas

Condições:

• O macio ( recozido macio , também formado a quente com os mesmos valores limite de resistência).
• T3: solução recozida, temperada, endurecida por deformação e envelhecida artificialmente
• T4: solução recozida, temperada e envelhecida artificialmente
• T6: solução recozida, temperada e envelhecida artificialmente
• T8: solução recozida, endurecida por deformação e envelhecida artificialmente

Formulários

As ligas de alumínio-cobre são usadas principalmente na construção de aeronaves , onde sua baixa resistência à corrosão desempenha um papel secundário. As ligas são processadas por laminação , forjamento , extrusão e às vezes por fundição .

Ligas forjadas de AlCu puro

Trecho do diagrama de fase relevante para ligas usadas tecnicamente

Diagrama de fase completo

Todas as ligas AlCu são baseadas no sistema de ligas AlCu puras.

Solubilidade de cobre e fases

O alumínio forma um eutético com o cobre a 547 ° C e 33 por cento em massa de cobre, que também corresponde à solubilidade máxima. Em temperaturas mais baixas, a solubilidade cai drasticamente; à temperatura ambiente é de apenas 0,1%.

Com maiores teores de cobre, a fase Al ₂ Cu , uma fase intermetálica, é formada . É uma estrutura tetragonal tão diferente da estrutura cúbica de alumínio centrada na face que a fase existe apenas como uma fase incoerente . Existem também as fases e parcialmente coerentes .${\ displaystyle \ theta}$${\ displaystyle \ theta}$${\ displaystyle \ theta ''}$${\ displaystyle \ theta '}$

Transformações estruturais

Após a fundição, o material é geralmente uma solução supersaturada - sólida antes da qual, mesmo em temperatura ambiente por mais tempo, contém cobre, podendo ser considerada realmente dissolvida nessa temperatura. ${\ displaystyle \ alpha}$

• A partir daí, a temperaturas abaixo de 80 ° C, formam-se as zonas GP ( zonas GP (I)), nas quais estão presentes concentrações aumentadas de cobre, mas que ainda não têm estrutura nem formam fases próprias.
• Em temperaturas ligeiramente mais altas de até 250 ° C, a fase (também chamada de zonas GP (II)) se forma, o que aumenta a resistência.${\ displaystyle \ theta ''}$
• Em temperaturas ainda mais altas, a fase parcialmente coerente é formada${\ displaystyle \ theta '}$
• e novamente em temperaturas mais altas de cerca de 300 ° C a fase incoerente se forma, na qual a força cai novamente.${\ displaystyle \ theta}$

As faixas de temperatura individuais se sobrepõem: Mesmo em baixas temperaturas, - ou - as fases se formam, mas se formam muito mais lentamente do que as zonas GP (I / II). Cada uma das fases se forma mais rapidamente quanto mais alta a temperatura.${\ displaystyle \ theta '}$${\ displaystyle \ theta}$

Zonas GP (I)

A formação de zonas GP (I) é chamada de endurecimento a frio e ocorre em temperaturas de até 80 ° C. São minúsculas camadas em forma de disco com apenas um átomo de espessura e 2 a 5 nanômetros de diâmetro. Com o tempo, o número de zonas e a concentração de cobre nelas aumentam, mas não seu diâmetro. Eles são coerentes com a estrutura de alumínio e se formam nos planos {100}.

Zonas GP (II)

As zonas ( fases) GP (II) são amplamente responsáveis ​​pelo aumento da resistência das ligas AlCu. Eles são coerentes com o cristal de alumínio e consistem em camadas alternadas de alumínio e cobre com espessuras de camada em torno de 10 nanômetros e dimensões de até 150 nanômetros. Em contraste com as zonas GP (I), esses são precipitados tridimensionais. Suas camadas são paralelas ao plano {100} do alumínio. A fase é formada a partir da fase , mas há sobreposições. ${\ displaystyle \ theta ''}$${\ displaystyle \ theta ''}$${\ displaystyle \ theta '}$

As zonas GP (II) requerem vagas para o crescimento , razão pela qual a falta delas ( por exemplo, devido ao magnésio) leva a um crescimento retardado.

Fases parcialmente coerentes

A fase é apenas parcialmente coerente com a grade de alumínio e se forma em temperaturas de 150 ° C a 300 ° C. Tem a forma de plaquetas e pode surgir das zonas GP (II). No entanto, também pode surgir diretamente como precipitação do cristal misturado. No primeiro caso, o aumento da energia interfacial é reduzido por deslocamentos , no segundo caso os precipitados são formados preferencialmente em deslocamentos.${\ displaystyle \ theta '}$

Fases incoerentes

A fase é incoerente com a rede do cristal misturado. Forma-se a temperaturas de 300 ° C e mais. Geralmente forma partículas maiores a uma distância maior do que as outras fases e, portanto, não leva a um aumento da resistência ou mesmo a uma diminuição se sua formação ocorrer em detrimento das outras fases. A fase também surge em temperaturas entre 150 ° C e 250 ° C como precipitação nos contornos dos grãos, pois isso reduz a energia interfacial. ${\ displaystyle \ theta}$${\ displaystyle \ theta}$

A fase leva a uma ruptura parcialmente intergranular ; o comportamento da fratura permanece dúctil em geral. A mudança no comportamento da fratura é causada por zonas livres de precipitação nos limites dos grãos. ${\ displaystyle \ theta}$

A fase possui uma diferença de potencial maior em relação ao cristal misto, de forma que pode ocorrer corrosão em camada e corrosão intergranular . Com tempos de recozimento mais longos, as fases do grão também se separam e a diferença de potencial é menor.${\ displaystyle \ theta}$${\ displaystyle \ theta}$

Ligas forjadas AlCuMg (Si, Mn)

As ligas AlCuMg são o grupo mais importante de ligas AlCu. Muitas outras fases podem se formar nelas:

• Al ₈ Mg ₅ ( fase, ver AlMg )${\ displaystyle \ beta}$
• Al ₂ CuMg, a fase S
• Al ₆ Mg ₄ Cu, a fase T

As adições de magnésio aceleram o processo de endurecimento a frio. Quais fases são formadas depende principalmente da proporção de cobre para magnésio. Se a proporção for inferior a 1/1, os aglomerados contendo Cu e Mg são eliminados. Em uma proporção de mais de 1,5 / 1, que é o caso da maioria das ligas técnicas, a fase é formada preferencialmente . Essas ligas têm durezas e resistências significativamente maiores. ${\ displaystyle \ theta}$

literatura

• Aluminium-Taschenbuch - Volume 1. 16ª edição, Aluminium-Verlag, Düsseldorf 2002, pp. 101 f., 114-116, 121, 139-141.
• George E. Totten, D. Scott MacKenzie: Manual de Alumínio - Volume 1: Metalurgia Física e Processos. Marcel Dekker, New York / Basel 2003, pp. 140–152.
• Friedrich Ostermann: Alumínio de tecnologia de aplicação. 3ª edição, Springer, 2014, ISBN 978-3-662-43806-0 , pp. 117-124.

Evidência individual

1. ^ Friedrich Ostermann: Alumínio da tecnologia de aplicação. 3ª edição, Springer, 2014, p. 117 f.
2. ↑ Aluminium-Taschenbuch - Volume 1. 16ª edição, Aluminium-Verlag, Düsseldorf 2002, p. 439.
3. ↑ Aluminium-Taschenbuch - Volume 1. 16ª edição, Aluminium-Verlag, Düsseldorf 2002, p. 140 f.
4. ^ Friedrich Ostermann: Alumínio da tecnologia de aplicação. 3ª edição, Springer, 2014, p. 185.
5. ^ Friedrich Ostermann: Alumínio da tecnologia de aplicação. 3ª edição, Springer, 2014, apêndice.
6. ^ Friedrich Ostermann: Alumínio da tecnologia de aplicação. 3ª edição, Springer, 2014, apêndice.
7. ^ Friedrich Ostermann: Alumínio da tecnologia de aplicação. 3ª edição, Springer, 2014, apêndice.
8. ^ Friedrich Ostermann: Alumínio da tecnologia de aplicação. 3ª edição, Springer, 2014, p. 118.
9. ^ Friedrich Ostermann: Alumínio da tecnologia de aplicação. 3ª edição, Springer, 2014, p. 119.
10. ^ Friedrich Ostermann: Alumínio da tecnologia de aplicação. 3ª edição, Springer, 2014, p. 119.
11. ^ Friedrich Ostermann: Alumínio da tecnologia de aplicação. 3ª edição, Springer, 2014, p. 119 f.
12. ↑ George E. Totten, D. Scott MacKenzie: Manual de Alumínio - Volume 1: Metalurgia Física e Processos. Marcel Dekker, New York / Basel 2003, pp. 140 f.
13. ^ Friedrich Ostermann: Alumínio da tecnologia de aplicação. 3ª edição, Springer, 2014, p. 120.
14. ↑ George E. Totten, D. Scott MacKenzie: Manual de Alumínio - Volume 1: Metalurgia Física e Processos. Marcel Dekker, New York / Basel 2003, p. 141.
15. ^ Friedrich Ostermann: Alumínio da tecnologia de aplicação. 3ª edição, Springer, 2014, p. 120.
16. ^ Friedrich Ostermann: Alumínio da tecnologia de aplicação. 3ª edição, Springer, 2014, p. 120.
17. ↑ George E. Totten, D. Scott MacKenzie: Manual de Alumínio - Volume 1: Metalurgia Física e Processos. Marcel Dekker, New York / Basel 2003, pp. 141-143.
18. ^ Friedrich Ostermann: Alumínio da tecnologia de aplicação. 3ª edição, Springer, 2014, p. 120 f.
19. ↑ George E. Totten, D. Scott MacKenzie: Manual de Alumínio - Volume 1: Metalurgia Física e Processos. Marcel Dekker, New York / Basel 2003, p. 143.
20. ^ Friedrich Ostermann: Alumínio da tecnologia de aplicação. 3ª edição, Springer, 2014, p. 121.
21. ↑ George E. Totten, D. Scott MacKenzie: Manual de Alumínio - Volume 1: Metalurgia Física e Processos. Marcel Dekker, New York / Basel 2003, pp. 146-149.
22. ^ Aluminium-Taschenbuch - Volume 1. 16ª edição, Aluminium-Verlag, Düsseldorf 2002, página 114 f.