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Ligas Al-Zn

Entre as ligas da série 7XXX (Al-Zn) destacam-se os subgrupos Al-Zn-Mg e Al-Zn-Mg-Cu. Assim como as ligas Al-Cu e Al-Mg-Si são ligas endurecíveis por precipitação, ou seja, mediante tratamento térmico controlado em condições específicas, geralmente de solubilização e envelhecimento, apresentam ganhos significativos de dureza. Encontram sua principal aplicação na fabricação de aviões, uma vez que essas ligas da série 7XXX são aquelas que atingem os níveis mais elevados de resistência mecânica entre as ligas de alumínio [3].

As temperaturas solvus (temperatura acima da qual os elementos de liga entram sem solução) das ligas da série 7XXX são relativamente baixas quando comparadas com outros tipos de liga de alumínio. Uma temperatura típica de solubilização de uma liga Al-Zn-Mg seria em torno de 480 ºC, enquanto para uma liga Al-Mg-Si seria aproximadamente 560 ºC [3]. 

O zinco, por si só, é altamente solúvel no alumínio e não exerce influência apreciável na microestrutura de uma liga simples como a 7072. Entretanto, o tipo de liga Al-Zn mais freqüentemente usado contém também magnésio e cobre, assim como elementos adicionais como cromo, manganês e zircônio, além do ferro e do silício normalmente presentes mesmo como impurezas. Nesse tipo de liga as fases em equilíbrio com a matriz rica em alumínio são a fase heta, também chamada M (MgZn2), T (Al2Mg3Zn3) e a fase beta (Al3Mg5). Esta última somente aparece quando o teor de magnésio é muito mais alto que o teor de alumínio. Além da formação da fase heta (M) endurecedora, o magnésio tem importante efeito no endurecimento por solução sólida [3].

O endurecimento por precipitação nas ligas que contêm zinco em excesso (em relação ao magnésio) ocorre em uma seqüência que se inicia com a formação de zonas GP a partir da solução sólida supersaturada, seguida pelo aparecimento dos precipitados coerentes metaestáveis M' até chegar na fase de equilíbrio M, já na etapa de superenvelhecimento, caracterizada pela queda de dureza. Se o teor de magnésio for um pouco mais alto que o de zinco, ocorre seqüência de precipitação semelhante, havendo entretanto a formação da fase T ao invés da fase M [3].

Nas ligas quaternárias que contêm cobre, o zinco é o principal elemento de liga, mas o teor de magnésio é superior ao teor de cobre. A composição da fase M varia de MgZn2 até AlCuMg e pode ser descrita como Mg(Al,Cu,Zn)2. A fase T varia de Al2Mg3Zn3 até Al6CuMg4 e pode ser descrita como Mg3(Al,Cu,Zn)5. Se o teor de cobre for muito alto aparece a fase S (Al2CuMg), cuja variação de composição é pouco significativa. De um modo geral nas zonas GP e precipitados coerentes o teor de cobre é menor do que nos precipitados de equilíbrio. O ferro, o silício e o manganês interagem uns com os outros e também com o cobre e com o magnésio. O cromo reage com o alumínio e o magnésio para formar um dispersóide [3].

Ao ser fundida, e antes de ser trabalhada, a liga 7075 forma uma ou mais variantes de Al12(Fe,Cr)3Si, Mg2Si e um pseudo-binário eutético feito de alumínio e MgZn2. Esta fase contém alumínio e cobre como substitutos parciais do zinco e pode ser descrita como Mg(Zn,Cu,Al)2. O tratamento térmico posterior faz com que as fases ricas em ferro transformem-se em Al7Cu2Fe. A fase Mg2Si é relativamente insolúvel e tende a se esferoidizar até certo ponto. A fase Mg(Zn,Cu,Al)2 rapidamente começa a se dissolver , ao mesmo tempo que formam-se alguns precipitados de Al2CuMg, os quais necessitam de altas temperaturas e longos tempos para serem completamente dissolvidos. O cromo se precipita da solução sólida supersaturada como dispersóides de Al18Cr2Mg8, concentrado principalmente nas regiões dendríticas primárias. Uma liga Al-Zn-Mg bem solubilizada contém apenas Al7Cu2Fe, Al12(Fe,Cr)3Si e Mg2Si e o dispersóide mencionado. Os grãos recristalizados são muito alongados ou achatados por causa do bandeamento de dispersóides e regiões não recristalizadas não são incomuns. As regiões não recristalizadas são formadas por subgrãos muito finos cujos contornos são decorados por precipitados endurecedores. Isso é mais óbvio nas estruturas trabalhadas a quente, principalmente nas regiões mais próximas à superfície, onde a deformação crítica levou à formação de grãos recristalizados grosseiros. Os dispersóides inibem a recristalização, mas favorecem a formação de subgrãos finos. A fase Al3Zr é coerente com a matriz tem efeitos semelhantes [3].

O recozimento nas ligas termicamente tratáveis tem dois propósitos: a remoção dos efeitos do trabalho a frio residual e a precipitação de soluto a partir da solução sólida. O último é acompanhado por um resfriamento lento controlado, resultando numa distribuição aleatória de precipitados. A presença desses precipitados densamente distribuídos torna a difícil a revelação da estrutura de grãos resultante da têmpera O (recozida) [3].

Outras ligas da série 7XXX de média e alta resistência mecânica representam variações da liga 7075. A liga 7050, com mais altos teores de cobre e zinco possui maior quantidade de Al2CuMg para ser dissolvido na temperatura de solubilização. Ligas mais diluídas podem mais facilmente dissolver todas as fases ricas em zinco. Sinais de superaquecimento nas ligas da série 7XXX estão geralmente relacionados com regiões segregadas com concentração incomum de Al2CuMg. A liga homogênea tem uma temperatura solidus de equilíbrio muito acima da faixa de tratamento térmico. Entretanto, se há presença acentuada de Al2CuMg, taxas de aquecimento muito rápidas podem resultar no aparecimento de rosetas, devido à insuficiência de tempo para a difusão e dissolução da partícula, antes de se atingir a temperatura eutética de não equilíbrio [3].

Apesar de sua elevada resistência mecânica, as ligas Al-Zn-Mg foram estudadas por muito tempo, principalmente com o intuito de superar a desvantagem significativa causada por sua baixa resistência à corrosão sob tensão. Embora a liga 7076 tenha sido introduzida na fabricação de aeronaves em 1940, somente com o desenvolvimento da liga 7075, introduzida em 1943, esse tipo de liga ganhou maior presença na indústria aeronáutica. Uma nova versão, com maior resistência mecânica, a liga 7178 apareceu em 1951. A liga de alumínio com maior resistência mecânica já produzida comercialmente, a 7001, foi introduzida em 1960. Entretanto, dificuldades de produção, baixa tenacidade e baixa resistência mecânica na têmpera T73 inviabilizaram seu uso extensivo. Mais recentemente ligas 7X49 e 7X50, assim como novas versões de mais alta pureza da liga 7075 têm sido empregadas em maior escala devido à sua alta resistência mecânica e maior dutilidade. Quando essas ligas Al-Zn-Mg são razoavelamente superenvelhecidas nas têmperas T7X a resistência mecânica atingida é inferior à da têmpera T6, mas consegue-se praticamente a imunidade à corrosão sob tensão [3].

As ligas 7X49, 7X50, 7175 e 7475 nas têmperas T6X e particularmente nas têmperas T7X, assim como as ligas 2124, 2419 e 2048 nas têmperas T8X, apresentam uma combinação favorável de propriedades. Elas têm alta resistência mecânica, alta resistência à corrosão sob tensão, e quando submetidas a tratamentos térmicos e mecânicos especiais, alta resistência ao crescimento instável de trincas, ou seja, tenacidade à fratura [3].

Nos últimos anos as ligas Al-Zn-Mg têm recebido muita atenção. Essas ligas contêm teores reduzidos de zinco e magnésio com pequenas adições de manganês, cromo, titânio e zircônio. O cobre é eliminado ou limitado a teores muito baixos. Esse controle de composição química reflete-se na completa solubilização dos elementos de liga em temperaturas de tratamento térmico em contraste com as ligas de uso aeronáutico e alta resistência mecânica. Os níveis de resistência mecânica ótimos são atingidos mesmo com taxas de resfriamento lentas. A menor sensibilidade ao resfriamento destas ligas, permite que, quando usadas na fabricação de peças espessas sejam reduzidas as distorções e as tensões residuais. Isso é possível quando apenas zircônio (excluindo-se o cromo e o manganês) é adicionado para controlar o crescimento de grão [3].

A liga 7039 foi desenvolvida para aplicações em blindagem e a liga 7005, extrudada, foi desenvolvida para aplicações estruturais em meios de transporte. As ligas 7016 e 7029 foram introduzidas para aplicações em que se exige bom acabamento superficial em peças brilhantes como pára-choques. Estas ligas contêm cobre em níveis moderados (0,5 a 1,0 %) e nenhum inibidor de recristalização. Entretanto, neste caso são necessários cuidados especiais para evitar crescimento de grão e é necessário um processamento ótimo para evitar a corrosão sob tensão [3].

Nas tabelas 7.1 e 7.2 são mostradas a composição química e propriedades mecânicas de algumas ligas do sistema Al-Zn-Mg [3]:

Tabela 7.1 - Composição química de algumas ligas da série 7XXX (% em massa):

Tabela 7.2 - Propriedades mecânicas de algumas ligas da série 7XXX:

 

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