Orientadores: Amauri Garcia, Jose Eduardo Spinelli / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-12T23:27:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_MariaAdrinaPaixaodeSouzada_M.pdf: 3527327 bytes, checksum: 88f3012a000dcdb2956852ed7fa40402 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Ligas de alumínio dispersas com bismuto apresentam aplicações promissoras em componentes automotivos resistentes ao desgaste. Essas dispersões de elementos de baixa temperatura de fusão diminuem a dureza e escoam facilmente em condições de deslizamento, resultando em um comportamento tribológico favorável. Muitos estudos têm sido realizados a fim de melhor compreender as distintas morfologias obtidas pela reação monotética. Algumas pesquisas assumem que a evolução do espaçamento interfásico na liga monotética Al-Bi obedece à clássica relação utilizada para eutéticos: ?2v = C, onde v é a velocidade de solidificação e C é uma constante. Não há nenhum consenso a respeito dos valores de C encontrados. Além disso, tais estudos utilizaram fornos de aquecimento à resistência do tipo Bridgman para produzir a solidificação direcional de ligas monotéticas. Existe uma falta de estudos consistentes no desenvolvimento microestrutural de ligas monotéticas durante condições de fluxo de calor transitório, que são de importância primordial, uma vez que esse tipo de fluxo de calor engloba a maioria dos processos industriais de solidificação. No presente estudo, foram feitos experimentos de solidificação unidirecional em regime não-estacionário com as ligas hipomonotética Al-2,0%Bi e monotética Al-3,2%Bi. Os parâmetros térmicos como velocidades de crescimento, taxas de resfriamento e gradientes térmicos foram determinados experimentalmente por curvas de resfriamento adquiridas ao longo do comprimento do lingote. Os crescimentos celular e monotético foram caracterizados por técnicas metalográficas, e os espaçamentos celulares e interfásicos correlacionados com os parâmetros térmicos de solidificação. Verificou-se que a lei de crescimento ?2v = C pode ser expressa por um valor de C de 1,70 x10-12, que é em torno de duas ordens de magnitude maior do que aqueles reportados para o regime estacionário. Embora o fluxo convectivo induzido não tenha sido suficiente para mudanças consideráveis na magnitude dos espaçamentos interfásicos, as partículas ricas em bismuto foram afetadas pela direção do crescimento, diminuindo o diâmetro em condições de solidificação vertical descendente, quando comparadas com aquelas obtidas no modo vertical ascendente / Abstract: Aluminium alloys dispersed with bismuth show promising applications in wear-resistant automotive components. Such dispersions of low melting temperature elements decrease hardness and flow easily under sliding conditions, resulting in favorable tribological behavior. Much research has been devoted in order to better comprehend the distinct morphologies obtained by monotectic reaction. Some researches assume that the phase spacing evolution in the monotectic Al-Bi alloy follows the classical relationship used for eutectics: ?2v = C, where v is the solidification velocity and C a constant value. There is no consensus concerning the found C values. Other than, such studies have used Bridgman-type resistance heated furnaces to produce the directionally solidified monotectic samples. There is a lack of consistent studies on the microstructural development of monotectic Al-Bi alloy during transient heat flow conditions, which are of prime importance since this class of heat flow encompasses the majority of solidification industrial processes. In the present study, directional unsteady-state solidification experiments were carried out with hypomonotectic Al-2.0wt%Bi and monotectic Al-3.2wt%Bi alloys. The thermal parameters such as growth rates, cooling rates and thermal gradients were experimentally determined by cooling curves recorded along the casting length. The cellular and monotectic growths were characterized by metallography, being both the cell and the interphase spacing correlated with the thermal parameters. It is shown that the ?2v = C growth law can be expressed by a C value of 1,7x10-12, which is about two orders of magnitude higher than those reported for the steady-state regime. Although the induced convective flow was not enough to considerably change the interphase spacing's magnitude, the Bi-rich particle diameters have been affected by the direction of growth, decreasing in conditions of downward vertical solidification when compared with those grown vertically upwards / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Amauri Garcia / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-09T07:59:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rosa_DanielMonteiro_D.pdf: 8184541 bytes, checksum: 0b8d932ad9a1091a507ea6b10e4185f8 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: As morfologias das estruturas de solidificação, caracterizadas principalmente por arranjos celulares e dendríticos, e suas grandezas representadas por espaçamentos celulares e dendríticos primários, secundários e terciários, controlam os perfis de segregação e a formação de segundas fases dentro das regiões intercelulares ou interdendríticas, que determinam as propriedades finais das estruturas fundidas. O presente trabalho pretende contribuir para o entendimento do desenvolvimento microestrutural de ligas binárias através da análise de dois sistemas binários que possuem elevada importância para a indústria na fabricação de peças fundidas automotivas e grades de baterias: Al-Si e Pb-Sb, respectivamente. Os experimentos realizados utilizaram dois diferentes dispositivos em que o calor é extraído somente pelo sistema de resfriamento a água, localizado no fundo (solidificação ascendente) e no topo (solidificação descendente) da lingoteira. As variáveis térmicas de solidificação foram determinadas pela leitura de temperaturas a partir de termopares posicionados dentro da lingoteira em diferentes posições em relação à superfície refrigerada. Estas variáveis térmicas foram confrontadas com as previsões teóricas de um modelo numérico de solidificação. Os aspectos macroestruturais e microestruturais foram caracterizados ao longo dos lingotes através de microscopia óptica. Para as ligas Al-Si foi realizada uma análise complementar do efeito da convecção térmica e constitucional nos espaçamentos dendríticos terciários na solidificação unidirecional transitória descendente. Ligas hipoeutéticas Pb-Sb foram utilizadas para analisar as influências das variáveis térmicas de solidificação e da concentração de soluto nas estruturas celulares, na transição celular/dendrítica e nas estruturas dendríticas. Os espaçamentos celulares e dendríticos foram comparados com as previsões teóricas fornecidas pelos principais modelos de crescimento estacionário e transitório da literatura. Foram também examinados os efeitos da taxa de resfriamento no crescimento celular da liga Pb 0,85%Sb e a influência do tamanho celular e do perfil de macrossegregação correspondente na resistência à corrosão / Abstract: The morphologies of as-cast microstructures, characterized mainly by cellular and dendritic patterns, and their scales represented by primary, secondary and tertiary arm spacings, control the segregation profiles and the formation of secondary phases within intercellular and interdendritic regions, which determine the final properties of castings. The present work aims to contribute to the understanding of microstructural development of binary alloys by analyzing two binary systems, which possess high industrial importance in the manufacture of as-cast automotive components and battery grids: Al-Si and Pb-Sb, respectively. Experiments have been carried out by using two castings assemblies, which were designed in such way that heat was extracted only through the water-cooled system, located at the bottom (upward solidification) and at the top (downward solidification) of the casting. The solidification thermal variables have been determined from thermal readings acquired by thermocouples located inside of the casting in different positions from the cooled surface. Such experimental thermal variables have been compared with theoretical predictions of a numerical model of solidification. Macrostructural and microstructural aspects along the casting were characterized by optical microscopy. For Al-Si alloys a complementary analysis of the influence of thermosolutal convection on the tertiary dendrite arm spacing during the downward unsteady-state directional solidification has been carried out. Hypoeutectic Pb-Sb alloys have been used to analyze the influences of solute concentrations and solidification thermal variables in the development of cellular structures, the cellular/dendritic transition and dendritic structures. Experimental cellular and dendritic spacings have been compared with the theoretical predictions furnished by the main steady-state and unsteady-state growth models from the literature. The effect of cooling rate on the cellular growth of a Pb 0.85wt%Sb alloy and the influences of cell size and of the corresponding macrosegregation profile on the resultant corrosion behavior have also been examined. / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Amauri Garcia / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-11T19:19:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cruz_KleberAugustinSabatda_D.pdf: 13994845 bytes, checksum: c0766efdbf4acbaf7d07b0db50f1fe52 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: A procura por relações funcionais correlacionando parâmetros microestruturais e o comportamento mecânico de ligas metálicas é fundamental para a pré-programação do produto final. O presente estudo pretende contribuir para o entendimento sobre a influência dos parâmetros microestruturais na resistência ao desgaste e nas propriedades mecânicas de ligas de dois sistemas binários: AI-Sn e AI-Si. Tais ligas são bastante usadas em aplicações de engenharia, tais como mancais e camisas de cilindro de motores de combustão, respectivamente. Apesar do grande uso das ligas do sistema AI-Sn como material tribológico, são escassos os estudos sobre o desenvolvimento microestrutural destas ligas na literatura. Neste estudo, quatro ligas hipoeutéticas do sistema AI-Sn e três ligas hipoeutéticas do sistema AI-Si foram submetidas a solidificação unidirecional, na direção vertical e sentido ascendente, sob condições transitórias de fluxo de calor. Os espaçamentos dendríticos primários (À1) e secundários (À2) foram medidos nas direçõe.s transversal e longitudinal dos lingotes, respectivamente, e correlacionados com as variáveis térmicas que atuaram durante a solidificação. Uma abordagem teórico-experimental foi desenvolvida para determinar quantitativamente_as variáveis térmicas, tais como: coeficiente de transferência de calor na interface metal/molde, velocidade de deslocamento da isoterma liquidus, gradientes térmicos, taxa de resfriamento e tempo local de solidificação. Este estudo também aborda a influência do teor de soluto nos espaçamentos dendríticos das ligas estudadas. Os dados experimentais obtidos, concementes à solidificação das ligas AI-Sn, são comparados com modelos de crescimento dendrítico existentes na literatura. O comportamento mecânico das ligas AI-Sn e AI-Si foi analisado por meio de ensaios de tração e de desgaste. O ensaio de desgaste utilizado foi o ensaio de micro-abrasão por esfera rotativa fixa, sob condições a seco (sem óleo lubrificante ou solução abrasiva). As amostras submetidas aos ensaios de desgaste foram retiradas na direção transversal dos lingotes. A condição a seco foi adotada para impedir a interferência de elementos interfaciais na resposta da microestrutura com relação ao desgaste mecânico. O volume de desgaste é o parâmetro quantificador da resistência ao desgaste e, são obtidas equações que correlacionam o volume de desgaste com espaçamentos dendríticos, levando em consideração o tempo de ensaio, que está relacionado com a distância de deslizamento. / Abstract: The search for relationships between microstructural parameters and mechanical behavior of alloys is fundamental for the pre-programming of final properties of as-cast components. The present study aims to contribute to the understanding about the influence of microstructural parameters on the wear resistance and mechanical properties of alloys of two binary systems: Al-Sn and AI-Si. Such alloys are widely used in engineering applications, especially as bearing components such as journal bearings and cylinder liners, respectively. Despite the wide use of Al-Sn alloys as bearing materiaIs studies on the microstructural development of such alloys are rare.. In the present study, four Al-Sn and three AI-Si hypoeutectic alloys were directionally solidified under upward unsteady state heat flow conditions. The primary (1,,1) and secondary (Â.2) dendrite arm spacings were measured along the castings length and correlated with transient solidification thermal variables. A combined theoretical and experimental approach has been used to quantitatively determine such thermal variables, i.e., transient metaVmold heat transfer coefficients, tip growth rates, thermal gradients, tip cooling rates and local solidifÍcation time. This study also focuses on the dependence of dendrite arm spacings on the alloy solute content. Furthermore, the experimental data conceming the solidification of AI -Sn alloys are compared with the main predictive dendritic models from the literature. The mechanical behaviors ofthe AI-Sn and AlSi alloys were analyzed by wear and tensile tests. Micro-abrasive wear tests under dry sliding conditions and by using a fixed rotating sphere were applied to transversal samples collected along the casting. The dry condition is adopted to prevent effects of interfacial elements such as abrasive slurry or lubricant oil on the microstructural response during the tests. The wear volume was used to evaluate the wear resistance. Afterwards, equations correlating the wear volume and the dendritic arm spacing have been proposed taking into account the influence of time (sliding distance). / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica

O processo de soldagem por fricção e mistura (FSW) tem despertado grande interesse nos últimos anos e tornou-se uma alternativa para unir materiais de baixa soldabilidade, como as ligas de alumínio das séries 2XXX e 7XXX, as quais são empregadas na estrutura das aeronaves, por possuírem elevada relação resistência/peso. O processo FSW, todavia, causa mudanças microestruturais nos materiais soldados, particularmente na zona misturada (ZM) e nas zonas termicamente (ZTA) ou termomecanicamente (ZTMA) afetadas. Estas mudanças geralmente interferem no desempenho frente à corrosão das ligas soldadas. No presente estudo, a resistência à corrosão das ligas de alumínio 2024-T3 e 7475-T761, unidas pelo processo FSW foi investigada em solução 10 mM de NaCl. Ensaios de visualização em gel ágar-ágar e de imersão associados a técnicas microscópicas foram realizados para investigar o efeito do acoplamento galvânico na corrosão das diferentes regiões da junta soldada. Os resultados do ensaio de visualização em gel mostraram que, quando acopladas, a liga 2024 atua como cátodo e a 7475 como ânodo. Os ensaios de imersão revelaram acoplamento galvânico entre as ligas na zona misturada (ZM). A região mais afetada pela corrosão foi a ZTMA da liga 7475, com corrosão intergranular desde as primeiras horas de imersão. A influência do processo de soldagem na resistência à corrosão das duas ligas de alumínio foi investigada por ensaios eletroquímicos. Os ensaios eletroquímicos adotados foram medidas de potencial de circuito aberto (PCA) em função do tempo de exposição ao meio corrosivo, espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE) e curvas de polarização potenciodinâmica. Os ensaios de polarização mostraram elevada atividade eletroquímica na zona de mistura indicada pelos altos valores de densidade de corrente em comparação com as demais zonas testadas. Os resultados de EIE globais mostraram que nas primeiras horas de exposição ao eletrólito o processo de corrosão foi predominantemente controlado pela liga 7475; todavia, com o tempo de exposição ao eletrólito, a corrosão passou a ser controlada pela liga 2024. / Friction stir welding (FSW) has roused great interest in recent years and it is now an alternative for joining materials of low weldability, such as the aluminum alloys of the 2XXX and 7XXX series, used in the aircrafts structure due to their high strength /weight ratio. However, FSW causes material microstructural changes, mainly in the stir zone (SZ), the heat affected zone (HAZ) or thermomechanically (TMAZ) affected zones of the materials welded. These generally interfere with the corrosive performance of the welded joint. In the present study, the corrosion resistance of the 2024-T3 and 7475-T761aluminum alloys, joined by FSW was investigated in 10 mM NaCl electrolyte. Agar-agar gel and immersion tests associated with microscopic techniques were performed to investigate the effect of galvanic coupling between the welded materials. Results from this test showed that, when galvanically coupled, the 2024 alloy acts as cathode and the 7475 as anode. Immersion tests revealed galvanic coupling between the alloys in the SZ. The zone most susceptible to corrosion was the TMAZ of the 7475. Intergranular corrosion was observed in this zone since the first hours of immersion. The influence of the welding process on the corrosion resistance of the alloys was also evaluated by electrochemical tests. The electrochemical tests adopted were open circuit potential measurements (OCP) as a function of time of exposure to the electrolyte, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and potentiodynamic polarization curves. The polarization tests showed high electrochemical activity in the stir zone indicated by the high current densities measured comparatively to the other tested zones. The global EIS results indicated that in the first few hours of exposure to the electrolyte the corrosion process was predominantly controlled by the 7475 alloy; however, with time of exposure to the electrolyte, the corrosion was controlled by alloy 2024.

As ligas de alumínio vêm sendo amplamente usadas nas indústrias aeronáuticas e automobilísticas por suas propriedades mecânicas superiores às do metal puro. Entretanto, como as propriedades de corrosão dessas ligas variam, sendo piores do que as do alumínio puro, surge a necessidade de estudos de diferentes métodos de proteção contra a corrosão. O uso de coberturas protetoras é uma alternativa para diminuir os processos corrosivos e, desta maneira, aumentar a vida útil desses materiais. Das coberturas de conversão existentes, as mais usadas ainda são à base de cromo, porém o cromo tem se mostrado danoso ao meio ambiente e à saúde humana. Por outro lado, as coberturas de conversão à base de óxidos de cério, ambientalmente mais corretas e menos nocivas, já têm sido usadas com sucesso para este propósito. Ademais, partindo do consenso sobre o bom desempenho da polianilina (PAni) em proteger metais oxidáveis contra a corrosão, inclusive o alumínio e suas ligas, o presente estudo propõe o desenvolvimento de proteção anticorrosiva de ligas de alumínio pela combinação de camadas de conversão à base de óxidos de cério associada com camadas de PAni nas ligas de alumínio das séries AA1xxx e AA6xxx. A combinação de camadas duplex surge como uma alternativa promissora por: (i) possibilitar a formação de pontos de ancoragem sobre a superfície, promovidos pelas camadas de conversão à base de óxidos de cério, para a posterior deposição de PAni; (ii) ampliar o uso das camadas de conversão à base de óxidos de cério isoladamente ou combinadas com PAni e (iii) promover o melhor sinergismo na proteção contra a corrosão das ligas de alumínio e de outros materiais pela associação e maior interação desses sistemas. / Aluminium alloys have been widely used in automobile and aircraft industries for their superior mechanical properties to the pure metal. However, as the corrosion properties of these alloys vary, being worse than those of pure aluminium, there is a need for studies of different methods of corrosion protection. The use of protective coverings appears as an alternative to reduce the corrosion process and thereby increase the useful life of these materials. Conversion of existing coverage, the most used are still based on chrome, but chrome has proven harmful to the environment and human health. Furthermore, coverage of cerium-based conversion, more environmentally friendly and healthy, have already been successfully used for this purpose. Furthermore, based on the consensus on the proper performance of polyaniline (PAni) to protect oxidizable metals against corrosion, including aluminium and its alloys, this study proposes the development of corrosion protection of aluminium alloys by combining layers of cerium conversion associated with layers of polyaniline on aluminium alloys AA1xxx and AA6xxx series. The combination of double layers arises as a promising alternative, which may: (i) facilitating formation of anchor points on the surface, driven by layers of cerium conversion, for the subsequent deposition of PAni (ii) expand the use of cerium conversion coatings alone or combined with PAni and (iii) promote synergy in protection against corrosion of aluminium alloys and other materials by the association and greater interaction of these systems.

A análise da vida em fadiga em amplitude variável associada à corrosão é bastante complexa, devido a combinações entre as interações eletroquímicas ocorridas, tendo em vista a exposição da frente da trinca à névoa salina somada aos efeitos deletérios do carregamento de amplitude variável. Esta combinação de efeitos ainda não é modelada matematicamente, e os dados experimentais observados em outros trabalhos ainda geram hipóteses inconclusivas. Neste contexto, este estudo tem como objetivo avaliar a vida em fadiga da liga 7475 T7351, utilizando carregamento de voos simulados TWIST e FALSTAFF e submetida a névoa salina a 3,5 e 5%. Foram executados ensaios eletroquímicos, para verificar o potencial de corrosão dessa liga e análise microestrutural para verificar a formação de pites. O crescimento de trinca por fadiga com carregamento de voo foi simulado, sem considerar os efeitos do meio, nos programas NASGRO 4.0, AFGROW e CRACK 2000, com parâmetros calibrados no NASGRO 4.0, no intuito de verificar quais modelos matemáticos e programas descrevem a curva experimental em ar com menor erro. Os resultados mostraram que os programas NASGRO 4.0 e AFGROW se aproximaram com menor erro à curva experimental em ar. Os ensaios de crescimento de trinca por fadiga foram executados com carregamento de voos simulados e os parâmetros para o sistema de geração de névoa salina foram determinados experimentalmente. As curvas de crescimento de trinca e taxa de propagação em névoa salina foram comparadas às curvas em ar, as quais também foram obtidas sob as mesmas condições de carregamento. Observou-se que para os ensaios em névoa salina, a trinca rompeu com maior número de voos em relação às curvas em ar. / The corrosion fatigue life analysis under variable amplitude loading is very complex due electrochemistry effects in crack tip exposed to salt spray matched to harmful effects of amplitude variable loading. This effects combination is not modeling mathematically actually, and the experimentally data observed in other research generates inconclusive theories. In this context, the main aim of this research to evaluate the corrosion fatigue life of 7475 T7351 under spectrum loading TWIST and FALSTAFF and exposed to 3.5% and 5% NaCl. Electrochemistry test were performed to verify the corrosion potential followed of microstructural analysis by SEM, to verify the pitting on 7475 T7351 alloy. The fatigue crack growth was simulated, without environmental effects, using the codes NASGRO, AFGROW and CRACK 2000, the simulation parameters was fit on NASGRO 4.0, to analyze whether the crack growth models and codes are able to represent properly the air experimental crack growth data. The results showed that NASGRO 4.0 and AFGROW codes described the fatigue crack growth in air with less error. The fatigue crack growth tests were performed under spectrum loadings and the parameters to obtain salt spray were determined experimentally. The corrosion fatigue crack growth and rate data were compared to air data, under the same loading conditions. The corrosion fatigue tests showed that the specimens cracked under a larger number of flights than specimens in air.

A indústria automotiva tem mostrado um crescente interesse pelas ligas de alumínio, em especial as ligas de alumínio da série 6xxx. Esta classe é amplamente empregada nas áreas de construção e de transporte, devido a sua boa resistência mecânica e excelente resistência à corrosão. No setor automobilístico sempre houve a necessidade de aprimoramento dos estudos do comportamento em fadiga, pois os componentes estruturais são submetidos a carregamentos vibratórios, esforços e tensões cíclicas e, como consequência, podem trincar e finalmente fraturar. A presença de um entalhe geralmente diminui a vida em fadiga, criando regiões de altas tensões triaxiais localizadas que restringem a deformação plástica, fragilizando o material. A resposta mecânica depende das solicitações, microestrutura, componentes da liga e propriedades do material. Neste trabalho foi realizado o estudo do comportamento em fadiga de alto ciclo e da sensibilidade ao entalhe de três ligas de alumínio da série 6xxx destinadas à fabricação de componentes de carroçarias para caminhões e ônibus: AA 6005, AA 6063 e AA 6351, todas na condição T6. As curvas S/N foram obtidas por meio de ensaios de fadiga em flexão rotativa (R = -1). Ensaios com peças entalhadas (Kt ? 3,0) permitiram determinar e comparar o fator de concentração de tensão em fadiga e a sensibilidade ao entalhe das ligas estudadas. Também foi estudada a influência da microestrutura e das partículas intermetálicas sobre as propriedades de fadiga. As superfícies das peças fraturadas foram observadas ao MEV e verificou-se que a maioria dos sítios de nucleação de trincas por fadiga ocorreram próximos a partículas de segunda fase que atuam como concentradores de tensão. / The automotive industry has shown a growing interest in aluminum alloys, particularly the AA 6xxx series. This class of alloys is widely used in construction and transportation because of their good mechanical strength, easy fabrication and excellent corrosion resistance. In the automotive sector there was always a need for improved studies of the fatigue behavior, because the structural components are subjected to vibratory loads and cyclic stresses and, as a consequence, may eventually crack and fracture. The presence of a notch generally decreases the fatigue life, creating regions of high triaxial stresses which restrain plastic deformation, weakening the material. The response depends on the mechanical solicitations, microstructure, the alloy components and the material properties. In this work it was conducted a study of the high cycle fatigue behavior and the notch sensitivity of three aluminum alloys used in components of truck and bus bodies: AA 6005, AA 6063 and AA 6351, all provided in T6 condition. The S/N curves were obtained by tests in rotating bending fatigue (R = -1). Tests with notched samples (Kt?3.0) allowed to determine and compare the fatigue concentration factor and the notch sensitivity of the studied alloys. It was also studied the influence of microstructure and the intermetallic particles on the fatigue properties. The surfaces of the fractured samples were observed via SEM and showed that most of the nucleation sites of fatigue cracking occurred near the second phase particles, which act as stress concentrators.

As ligas de alumínio são aplicadas em cerca de 70% dos componentes estruturais dos aviões e o processo de fadiga e o modo de falha predominante em estruturas aeronáuticas, para a maioria das quais a presença de concentradores de tensão e inevitável. O comportamento em fadiga e as propriedades mecânicas das ligas de alumínio endurecíveis por precipitação são fortemente influenciadas por parâmetros como tamanho, espaçamento e densidade dos precipitados endurecedores. Neste contexto, pesquisas anteriores tem mostrado que o envelhecimento interrompido (T6I4) pode proporcionar melhores combinações de propriedades mecânicas para estas ligas. O presente trabalho tem como objetivo o estudo das propriedades mecânicas e do comportamento em fadiga de alto ciclo das ligas de alumínio AA6351 e AA7050 nas condições de tratamento térmico convencionais (T6 e T7451, respectivamente) e na condição T6I4, bem como da influência das características microestruturais e do tratamento térmico sobre estas propriedades. Dentro deste contexto, analises de Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) da liga AA6351 mostraram que a condição T6I4 resultou em uma maior densidade de precipitados endurecedores com tamanho heterogêneo, quando comparada com a condição T6. Para esta liga, a condição T6I4 também resultou em menores valores de tensão limite de escoamento, resistência a tração, resistência a fadiga e sensibilidade ao entalhe, com maior ductilidade e tenacidade. Para a liga AA7050, as análises de MET mostraram que a condição T6I4 resulta em uma maior densidade de precipitados endurecedores com menor tamanho, promovendo um melhor impedimento ao movimento de discordâncias durante a deformação por fadiga, quando comparada com a condição T7451. Esta alteração microestrutural proporcionou a condição T6I4 valores de resistência ao escoamento e resistência a tração similares a condição T7451, com maior ductilidade e tenacidade. A resistência a fadiga da condição T6I4 foi similar a condição T7451, entretanto o envelhecimento interrompido resultou em um melhor comportamento em sensibilidade ao entalhe. / Aluminum alloys are applied in approximately 70% of the aircraft structural components and the fatigue process is the dominant failure mode in aeronautical structures, for the most of which, the presence of stress concentrators is unavoidable. The fatigue behavior and the mechanical properties of the age hardenable aluminum alloys are strongly influenced by parameters including the size, spacing and density of strengthening precipitates. Within this context, previous researches have shown that the interrupted ageing (T6I4) could provide an improved combination of mechanical properties for these alloys. This work aims to study the mechanical properties and the high cycle fatigue behavior of AA6351 and AA7050 aluminum alloys in the conventional heat treatment conditions (T6 and T7451, respectively) and in the T6I4 condition, as well as the influence of the microstructural characteristics and of the heat treatment on these properties. Within this context, Transmission Electron Microscopy (TEM) analyzes of the AA6351 alloy showed that T6I4 condition resulted in higher density of hardening precipitates with heterogeneous size compared to T6 condition. For this alloy, the T6I4 condition resulted in lower values of yield stress, ultimate tensile strength, fatigue strength and notch sensitivity, with higher ductility and toughness. For the AA7050 alloy, TEM analyses showed that T6I4 condition presented a higher density of strengthening precipitates with smaller size promoting an improved dislocation pinning effect during the fatigue deformation compared to T7451 condition. This microstructural change provided to T6I4 condition yield stress and ultimate tensile strength similar to T7451, with higher ductility and toughness. The fatigue strength of T6I4 condition was also similar to T7451, however the interrupted ageing provided a better notch sensitivity behavior.

O uso das ligas de alumínio em aplicações estruturais tem crescido consideravelmente nas últimas décadas. Nos transportes, a baixa massa específica do alumínio resulta em uma alta razão resistência/ peso, favorecendo a fabricação de aviões, trens e automóveis. Com a crescente preocupação em reduzir a emissão de gases poluentes, vem tornando-se promissora a alternativa de reduzir o peso dos veículos substituindo peças convencionalmente produzidas com outros materiais por peças de alumínio. As ligas tratáveis termicamente da série 6xxx são frequentemente escolhidas para estas aplicações. Assim, para que o emprego dessas ligas seja otimizado, é importante um estudo mais detalhado de suas propriedades mecânicas, principalmente sob solicitações cíclicas. Neste trabalho foram estudadas ligas de Al-Si-Mg que são amplamente utilizadas nas indústrias automotivas, em especial na fabricação de componentes de carroçarias para caminhões e ônibus. Foi realizado o estudo do comportamento em fadiga de baixo ciclo e fadiga multiaxial das ligas AA6005 T6, AA6063 T6 e AA6351 T6, fornecidas pela CBA (Companhia Brasileira de Alumínio) visando caracterizar e comparar essas ligas em sua microestrutura, propriedades de tração e fadiga. As propriedades básicas de fadiga foram determinadas por meio do método ε-N (fadiga de baixo ciclo) e os ensaios foram realizados com controle de deformação total, onda triangular e taxa de deformação 0,005 seg-1. As análises dos laços de histerese elasto-plástica permitiram inferir sobre aspectos microestruturais relacionados às propriedades mecânicas das ligas estudadas. O comportamento em fadiga multiaxial foi avaliado por meio de carregamentos combinados axial-torcional em fase e fora de fase. Para ajustar os dados experimentais obtidos, foram testados alguns dos modelos encontrados na literatura. Os cálculos baseados no modelo de plano crítico, proposto por Fatemi e Socie, apresentaram resultados satisfatórios. Também foram realizadas análises microestruturais e fractográficas para as três ligas. As superfícies de fratura dos ensaios de fadiga multiaxial mostraram resultados diferentes de acordo com o carregamento adotado. A avaliação comparativa das três ligas estudadas fornece subsídios para fundamentar a seleção de materiais para a fabricação de componentes estruturais para o setor automotivo. / The use of aluminum alloys in structural applications has grown considerably in recent decades. In transportation, the low density of aluminum results in a high strength-to weight ratio, proving attractive for production of aircrafts, trains and automobiles. With a growing concern for the reduction of pollutant gas emissions, aluminum alloys are becoming a promising alternative to diminish vehicle weight through the replacement of conventionally produced parts made from other heavier materials for aluminum parts. The heat treatable alloys from the 6xxx series are often chosen for these applications. Therefore, to optimize the employment of these alloys, a detailed study of their mechanical properties, primary under cyclic solicitations is necessary For the present study Al-Mg-Si alloys were chosen, which are widely used in automotive industries, particularly in the manufacturing of components for trucks and bus bodies. The low-cycle fatigue behavior and multiaxial fatigue of the three following aluminum alloys: AA6005 T6, AA6063 T6 and AA6351 T6, provided by CBA (Brazilian Aluminum Company), were assessed, with the aim of characterizing and comparing these alloys in their microstructure, tensile properties and fatigue. The basic properties of fatigue were studied by ε-N method (low cycle fatigue) and the experiments were performed with total strain control, triangular waveform and with a constant deformation rate of 5.0x10-3 s-1. The analyses of hysteresis loops elasto-plastic provided insight about microstructural aspects, related to mechanical properties of the studied alloys. Multiaxial fatigue behavior was assessed in combined axial-torsion loading in phase and out of phase. To adjust the experimental data, some models found in the literature were tested. Calculations based on critical plane model, proposed by Fatemi Socie, presented satisfactory results. Furthermore, microstructure analyses and fractography were performed for these three alloys. The fracture surface of multiaxial fatigue assays demonstrated different results according to the adopted loading. Comparative evaluation of the three studied alloys provides support for the selection of materials for manufacturing structural components of the automotive sector.

Várias ligas de Al em cavacos, com diferentes granulometrias foram dissolvidas de modo convencional, com ataque por água régia. Este tipo de decomposição resulta, muitas vezes, em resíduos sólidos, cujas quantidades dependem dos teores de silício. A fim de se comparar os resultados, procedeuse, com esses resíduos, de dois modos distintos: ou foram desprezados ou foram decompostos com ácido fluorídrico, eliminando-se o silício, dissolvendo-se o restante com ácido nítrico e agrupando-o à primeira solução para a determinação de Fe, Cu, Mn, Mg, Cr, Ni, Zn, Pb, Sn, Ti e Zr por ICP-OES. Foi avaliada a influência de quantidades crescentes de Al na determinação destes elementos e, também, a provável interferência espectral de Cu na determinação do Zn (com e sem separação eletrolítica de Cu). A dissolução eletrolítica de ligas de alumínio em cavacos foi estudada pressionando-os contra um eletrodo de platina para que se comportassem como se fossem o próprio ânodo e a eletrólise ocorresse. Uma célula foi construída utilizando-se um tubo (corpo de seringa de 2,5 mL) com perfurações ao redor da base aberta, onde foi colocada uma malha sintética (perlon) no fundo e, sobre esta, a amostra. Na parte superior foi introduzido um pequeno tarugo de acrílico com um fio de platina passando pelo seu interior e com um orifício por onde passava o fluxo (4,5 mL min.-1) da solução eletrolítica (ácido nítrico diluído). Na extremidade inferior, prendeu-se, com o fio, uma plaquinha, também de platina, que pressionava a amostra. A solução saía pelos orifícios inferiores para um béquer de onde era recirculada e onde estava colocado o cátodo, um fio de Pt (de forma de losango), sendo novamente captada e introduzida na parte superior do tarugo do ânodo. Com esse circuito, foram obtidos bons resultados utilizando-se ácido nítrico 1 mol L-1, corrente de 0,6A e tempo de eletrólise de 10 minutos. Sendo a dissolução parcial, é necessário que se conheçam as porcentagens dos elementos por dissolução ácida total de uma liga de composição similar ou por um material de referência certificado. Normalizaram-se os dados pelas porcentagens conhecidas dos constituintes das ligas. Compararam-se os cálculos feitos dos seguintes modos: 1-) pela razão entre a concentração do elemento com a do Al, também determinada; 2-) pela a razão entre a concentração do elemento com a soma das concentrações de todos os elementos determinados, inclusive o Al; 3-) pela razão entre a concentração do elemento e a soma das concentrações só dos outros elementos, sem o Al. O desvio padrão e o erro relativo para os elementos Fe, Cu, Mg, Ni e Cr, quando em teores > 0,1%, foram < 10%; para teores de Zn < 0,2%, foram menores de 10% e para teor de 4,8% foram < 15%. Já para o Mn, quando em teor > 0,2% foram <10% (exceto para a liga B.C.S.268/1). O desvio padrão relativo para o Zr, com teor ao redor de 0,002% foi <10%. Os resultados para o elemento Pb nas ligas B.C.S. 216/1 e 380 tiveram desvio padrão e erro relativo <10%, mas o mesmo não ocorreu na liga B.C.S. 268/1. O elemento Sn apresentou resultados piores, ao redor de 20%. O elemento Ti só deu bons resultados quando em teor de cerca de 0,2%. Para estas determinações foram avaliadas as dissoluções químicas dos metais nas ligas pelo ácido nítrico em diferentes concentrações e temperaturas. Além disso, foram avaliadas duas outras células para a verificação da possibilidade de dissolução eletrolítica das ligas de Al on-line com a determinação por ICP-OES. / Several aluminum alloys with different chips size were dissolved using aqua regia (HCl:HNO3,3:1). The residues of the dissolution procedure were either rejected or used in silicon volatilization with hydrofluoric acid before determination of Fe, Cu, Mn, Mg, Cr, Ni, Zn, Pb, Sn, Ti and Zr by ICP-OES. The influence caused by crescent amounts of aluminum in the determination of other elements and the probable spectral interference by Cu in determination of Zn (with or without electrolytic separation of Cu) was evaluated. The electrolytic dissolution of aluminum alloys was performed by pressing chips against a platinum electrode for the electrolysis to occur, so that way the chips behaved as the anode. A tube (body of syringe of 2.5mL) with perforations around the open base was used to contain the sample and Pt electrode. The alloy was placed on synthetic wool (perlon) in this tube. An acrylic dowel with a platinum wire across its interior was fixed in the superior part a tube with Teflon film, with an orifice through which the electrolytic solution flowed (HNO3 1 mol L-1; 4.5mL min-1). A platinum dish was fixed at the inferior extremity of the platinum wire to press the sample. The solution came out through the inferior orifices of the tube to a flask, from where it was again captured (with a peristaltic pump) to go into the superior part of the tube. In this flask, a Pt wire cathode was also placed. A current of 0,6A and ten minutes of electrolysis provided good results. Due to the partial dissolution, the knowledge of percentages of previous elements analyzed after total dissolution, or using certified reference material are necessary. The results were normalized by known percentages. The calculations were made by: 1-) the ratio between the concentration of the element determind, with the determined concentration of aluminum; 2-) the ratio between concentration of the element and the sum of the concentrations of the elements determined, including Al; 3-) the ratio between the concentration of element and the sum of the concentrations of the elements determined, without the aluminum. The relative standard deviations and accuracy were <10% for the elements Fe, Cu, Mg, Ni and Cr when the concentrations were >0.1%; for the Zn were 15%, when the concentration >0.2%, and <10% for concentration <0.2%. For Ti with concentration of about 0.1%, were 15%. Relative standards deviations for the Zr, with concentration of 0.002%, were always <10%. The element Pb, Sn and Mn didnt provide good results. For these determinations, the chemical dissolution of the elements with different nitric acid concentrations and temperature was evaluated. Two other cells for the electrolytic dissolution of Al alloys followed by online ICP-OES determination were examined.