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Além de aumentar a resistência mecânica de todos os tipos de ligas de alumínio, através do encruamento, que aumenta a densidade de discordâncias, o trabalho mecânico, adicionalmente, nas ligas endurecíveis por precipitação, acelera o aumento de dureza associado com a formação de precipitados. Entretanto, produtos endurecidos por encruamento podem ter sua baixa dureza original restaurada, parcial ou completamente, pelo tratamento térmico de recozimento (ver capítulo de tratamentos térmicos), ao modificar a microestrutura resultante do encruamento [3].
O trabalho mecânico é utilizado para produzir as chamadas têmperas de encruamento, designadas pela letra H seguida por algum número. A têmpera H18, por exemplo, é a têmpera de trabalho a frio severo que resulta no endurecimento pleno correspondente a 75 % de redução em área. A têmpera H19 denota produtos com dureza ainda mais elevada, resultante de uma redução em área ainda mais intensa. Por outro lado, as têmperas H16, H14 e H12 são obtidas com menor grau de encruamento, ou seja, menor redução em área no trabalho a frio, representando respectivamente as têmperas ¾ duro, ½ duro e ¼ duro. Uma combinação de encruamento com recozimento parcial é usada na obtenção das têmperas H22, H24, H26 e H28: neste caso o material é mais encruado do que o necessário para atingir determinados níveis de propriedades mecânicas e então amolecido pelo recozimento parcial. Para as ligas Al-Mg (série 5XXX) são utilizadas têmperas nas quais o material é encruado e estabilizado, como H32, H34, H36 e H38: essas ligas inicialmente encruadas tendem a amolecer ao serem mantidas por longos períodos à temperatura ambiente. Para evitar que esse fenômeno ocorra de modo descontrolado, essas ligas são então aquecidas em baixas temperaturas, acelerando controladamente o amolecimento e permitindo então a obtenção de propriedades estáveis que favoreçam as operações subseqüentes de trabalho mecânico [3].
A deformação nas ligas de alumínio ocorre através dos processos de deslizamento (escorregamento), ou seja, movimento normal de discordâncias, sendo possível observar nessas ligas bandas de deslizamento e bandas de deformação. As discordâncias normalmente combinam-se para formar subestruturas celulares. Quando o grau de deformação (encruamento) é mais severo, aumenta a densidade de discordâncias e reduz-se o tamanho das células. As distorções do reticulado, associadas com as discordâncias e com as tensões resultantes da interação entre discordâncias, são as principais fontes de endurecimento resultante do trabalho a frio (encruamento) [3].
Entretanto, o aumento de resistência mecânica obtido através do trabalho mecânico é acompanhado por uma perda de dutilidade medida pelo alongamento ou pela redução de área no ensaio de tração, por exemplo, assim como pela perda de trabalhabilidade em operações como trefilação ou dobramento, razão pela qual deve-se evitar têmperas muito duras em materiais que devem possuir alta dutilidade ou elevada trabalhabilidade. Exceções importantes são as chapas destinadas à conformação de latas para envasamento de bebidas, normalmente produzidas com a liga 3004 na têmpera H19 como matéria-prima [3].
A introdução de elementos de liga no alumínio tem um efeito importante nas características de encruamento da liga, mesmo quando não confere a capacidade de endurecimento por precipitação. A adição de elementos como magnésio e manganês, por exemplo, permite obter maiores taxas de endurecimento por deformação, devido à maior densidade de discordâncias [3].
O trabalho a frio também proporciona aumento de resistência à fluência em temperaturas baixas, ao cisalhamento e à fadiga em amostras não entalhadas. Entretanto, o uso do encruamento para o aumento da resistência mecânica das ligas termicamente tratáveis (endurecíveis por precipitação) é limitado, encontrando sua aplicação principal em produtos extrudados e trefilados como vergalhões, arames e tubos, os quais podem ser trabalhados após o tratamento térmico, para aumentar a resistência mecânica e melhorar o acabamento superficial. Entretanto, isso só se aplica às ligas da série 6XXX (Al-Mg-Si), uma vez que as demais ligas endurecíveis por precipitação (basicamente as séries 2XXX e 7XXX) possuem dutilidade e trabalhabilidade muito limitadas. Nas ligas Al-Cu (série 2XXX) pequenos graus de encruamento são utilizados após solubilização para acelerar o envelhecimento artificial [3].
As características de encruamento das ligas de alumínio em altas temperaturas variam tanto com a temperatura como com a taxa de deformação. O grau de encruamento reduz-se com o aumento de temperatura até que a 370 ºC não ocorre mais encruamento. Isso se deve ao fato de que em temperaturas relativamente altas é favorecida termicamente a recuperação, que ocorre rapidamente durante e imediatamente após a deformação, resultando na formação de uma estrutura de subgrãos semelhante à que se forma no metal aquecido após deformação a frio. Quando a deformação ocorre a uma temperatura e a uma taxa de deformação constantes o resultado é um tamanho de subgrão que depende dessa temperatura e dessa taxa de deformação. A resistência à deformação em alta temperatura é inversamente proporcional ao tamanho do subgrão formado. Sendo assim, menores tamanhos de subgrão e, conseqüentemente, maior resistência ao escoamento em alta temperatura, resultam de temperaturas de deformação mais baixas e ou de taxas de deformação mais elevadas [3].
O resfriamento rápido após o trabalho mecânico em alta temperatura pode minimizar a recristalização e deste modo preservar a estrutura de subgrãos anteriormente formada. Quando isso acontece, a resistência da liga de alumínio, anteriormente trabalhada a quente, quando mantida à temperatura ambiente, é função inversa do tamanho do subgrão. Essa chamada subestrutura proporciona um certo incremento de resistência mecânica em relação à mesma liga totalmente recristalizada. [3].
A condutividade térmica das ligas de alumínio encruadas é pouco afetada pelo encruamento, caindo de 63 % IACS no alumínio comercialmente puro recozido para 62,5 % na têmpera encruada H19. A densidade também cai ligeiramente devido ao trabalho a frio, chegando a uma queda de 0,2 % quando o encruamento é severo. Por outro lado, o trabalho a frio aumenta a energia interna armazenada, que pode chegar a 16 kJ/kg.átomo. O módulo de elasticidade, ao contrário, pouco é afetado pelo encruamento, entretanto, propriedades inelásticas, como o atrito interno e o amortecimento, são muito influenciadas pelo encruamento, sendo o amortecimento em geral maior na condição de recozido em comparação com o estado encruado, podendo haver no entanto alguma variação causada por condições experimentais e estado de tensões aplicadas. O encruamento tende a acelerar as reações químicas devido à maior energia armazenada, mas a resistência à corrosão não é muito influenciada pelo encruamento, com exceção dos casos de corrosão sob tensão. Outro efeito do encruamento é induzir ou acelerar a precipitação nos contornos de grão de ligas Al-Mg não termicamente tratáveis [3].
A estrutura de discordâncias geradas pelo encruamento é instável e em temperaturas e tempos suficientes tende a ser revertida. Quanto menor o grau de pureza da liga de alumínio, maior a temperatura em que o encruamento poderá ser revertido. Essa reversão ocorre em várias etapas, dependendo da temperatura e do tempo, havendo diferentes mecanismos de reversão. O primeiro desses mecanismos, que ocorre em baixas temperaturas e tempos curtos, é a recuperação [3].
O início da recuperação caracteriza-se pela ocorrência de mudanças microestruturais que não podem ser observadas em microscópio ótico. Entretanto, técnicas como difração de raios X e microscopia eletrônica de transmissão permitem evidenciar a grande redução da densidade de discordâncias e a sua reordenação em uma estrutura celular de subgrãos. Esse processo de recuperação é conhecido como poligonização, o qual torna-se mais completo e leva ao aumento do tamanho de subgrão à medida que a temperatura torna-se mais elevada. Nessa etapa muitos dos subgrãos têm contornos completamente livres de emaranhados de discordâncias [3].
A redução na densidade de discordâncias causada pela recuperação provoca queda de resistência mecânica e também afeta outras propriedades. A velocidade desse processo depende da composição química da liga, sendo tanto maior, quanto maior for o grau de pureza da liga. A recuperação leva ao aumento da condutividade elétrica e à redução das tensões internas e da energia armazenada., sendo que a mudança de algumas propriedades podem ser observadas em temperaturas tão baixas como as do intervalo de 93 a 120 ºC, sendo porém mais intensas em rápidas em temperaturas mais elevadas. Entretanto, o retorno às mesmas propriedades que o material antes do encruamento somente é possível através da recristalização [3].
As ligas Al-Mg, após serem encruadas, tendem a amolecer ao serem mantidas à temperatura ambiente, efeito esse que se torna mais intenso com o aumento do grau de encruamento e com o aumento do teor de magnésio, tendo com explicação a liberação da energia de deformação e a relaxação dos emaranhados de discordâncias, porém sem alteração da densidade de discordâncias. Para minimizar esse problema, a prática industrial recomenda a aceleração artificial desse amolecimento mediante aquecimento rápido entre 120 e 175 ºC, o que também aumenta a dutilidade. As propriedades resultantes desse aquecimento são razoavelmente estáveis. As têmperas resultantes desse procedimento são denominadas H3X.
A recristalização caracteriza-se pelo aparecimento gradual de uma microestrutura de novos grãos que pode ser observada em microscópio ótico. A nova microestrutura formada não apresenta evidências de deformação e a densidade de discordâncias é insignificante, seja no interior do grão ou nos seus contornos. A recristalização somente ocorre em temperaturas mais elevadas e tempos mais longos do que os que já são suficientes para ocorrer a recuperação, embora possa haver em determinadas condições a coexist6encia de ambos os processos de restauração. Os grãos recristalizados são formados pelo crescimento de subgrãos selecionados na microestrutura deformada e recuperada. A recristalização é função do tempo e da temperatura, tornando-se mais intensa e mais rápida com o aumento dessas duas variáveis, embora possa sofrer interferência de outros fenômenos, como, por exemplo, a solubilização e a precipitação de fases secundárias [3].
O grau de encruamento e a temperatura de trabalho mecânico também influem na recristalização. Em geral o maior grau de encruamento reduz o tempo e a temperatura necessários para que ocorra recristalização. Também de um modo geral a redução da temperatura de trabalho mecânico favorece a recristalização. Ligas trabalhadas a temperaturas acima de 400 ºC são mais difíceis de serem recristalizadas. A composição química também influencia a recristalização: a adição de qualquer impureza (átomos de soluto) aumenta substancialmente a temperatura de recristalização em relação à do alumínio puro. A existência de partículas dispersas em uma matriz de alumínio pode acelerar ou retardar o processo de recristalização, dependendo de seu tamanho, espaçamento e estabilidade nas temperaturas de recozimento. Numa faixa específica de tamanhos de partículas e espaçamento entre as mesmas, sendo estas suficientemente grandes e próximas, a recristalização pode ser inibida [3].
Outro fator importante para a recristalização e para o tamanho final dos grãos recristalizados é a taxa de aquecimento até a temperatura de recozimento. Quanto mais lento o aquecimento maior o tamanho de grão resultante. Quanto maior a temperatura de recozimento, maior o tamanho de grão resultante, porém menor o grau de encruamento necessário para que a recristalização aconteça, entretanto a temperatura de recozimento não altera significativamente a relação entre o tamanho de grão e o grau de deformação ou a taxa de aquecimento [3].
Podem acontecer casos em que ocorre recristalização desde a superfície do material até uma certa profundidade a partir da qual o material permanece deformado sem recristalizar. Isso se deve ao fato de que em determinados processos de fabricação a deformação é muito mais intensa nas superfícies externas do material do que no seu interior, havendo assim um gradiente de encruamento que com o recozimento resulta em um gradiente de recristalização, uma vez que somente nas regiões relativamente próximas à superfície o grau de deformação foi suficiente para que ocorresse recristalização. Nestes casos os grãos recristalizados tendem a ser muito grandes [3].
O tamanho de grão também é muito afetado pela composição química. Em geral elementos de liga comuns e impurezas como cobre, ferro, magnésio e manganês favorecem a redução do tamanho de grão. Os efeitos de elementos com baixa solubilidade sólida como manganês, cromo e ferro dependem do tipo de fases que esses elementos formam, reagindo entre si e com outros elementos e pela sua distribuição na liga. O manganês é particularmente interessante nesse aspecto. A distribuição de soluto é determinada pelas condições de solidificação do lingote, pelo pré-aquecimento do mesmo e por outros variáveis dos processos de fabricação, que são controlados de forma a produzir o grão mais fino possível [3].
A forma do grão recristalizado nas ligas de alumínio trabalhadas varia consideravelmente, de aproximadamente equiaxial em materiais comercialmente puros ou de baixa liga, para grãos alongados ou achatados em materiais de alta liga. O formato dos grãos é influenciado pela presença de alguns elementos como o manganês, o cromo e o zircônio. Estes elementos estão distribuídos de modo não homogêneo no lingote fundido original e formam precipitados muito finos (dispersóides) com comprimento da ordem de 0,1 µm ou menor. A microestrutura trabalhada consiste de bandas ou camadas alternadas densas ou dispersas de dispersóides. Os grãos recristalizados têm seu crescimento obstruídos por essas bandas de dispersóides e assim formam-se os grãos alongados típicos das ligas de maior resistência mecânica [3].
A recristalização prossegue modificando as propriedades do metal deformado e recuperado, o que continua até que a recristalização se complete. A recristalização completa restaura as propriedades originais do metal não deformado, com exceção dos efeitos do tamanho de grão e da orientação preferencial (textura). Nas ligas termicamente tratáveis o recozimento pode ter como efeito adicional a precipitação e mudanças na concentração de soluto. A recristalização também é acompanhada por um decréscimo adicional da energia armazenada durante a deformação e pela eliminação completa das tensões residuais [3].
O aquecimento após a recristalização pode produzir crescimento de grão, que pode ocorrer de modos diferentes. O grão pode crescer gradual e uniformemente através de um processo conhecido como crescimento normal de grão, que Eva à eliminação dos grãos com formas ou orientações desfavoráveis em relação aos seus vizinhos mais próximos. Esse processo ocorre facilmente no alumínio de alta pureza e no caso de ligas (soluções sólidas) pode levar à formação de grãos relativamente grosseiros. Esse tipo de crescimento de grão corre quando há pequenos grãos recristalizados, altas temperaturas e aquecimento generalizado. Esse processo também pode ocorrer em ligas de alumínio comerciais, mas é muito restringido pela presença de finas partículas de fases intermetálicas e impurezas, como as que contêm manganês e cromo, que desaceleram o processo, impedindo ou dificultando o movimento dos contornos de grão [3].
As ligas de alumínio submetidas à presença de algum tipo de obstáculo ao movimento dos contornos de grão costumam apresentar um outro tipo de crescimento de grão, o chamado crescimento anormal (ou exagerado) de grão, também conhecido como recristalização secundária. Neste processo o crescimento restringe-se a alguns poucos grãos do metal recristalizado, os quais crescem em temperaturas muito elevadas e podem atingir diâmetros de vários milímetros. Provavelmente em alta temperatura a dissolução das partículas que contêm ferro, cromo e manganês implica na remoção dos obstáculos ao crescimento dos grãos que primeiramente encontram-se livres das partículas inicialmente dissolvidas. Em altas temperaturas os poucos grãos que primeiramente encontram-se livres desses obstáculos crescem rapidamente consumindo os grãos vizinhos menores, tornando-se grãos muito grosseiros. Mas na maioria das ligas as altas temperaturas somente não são as únicas responsáveis pelo aparecimento de grãos muito grosseiros. Texturas (orientações cristalográficas preferenciais) estão entre os fatores que podem levar ao crescimento anormal de grão [3].
O alumínio fundido tende a apresentar uma distribuição aleatória de orientações cristalográficas, com exceção dos casos em que se formam grãos colunares durante a solidificação. Esse caráter aleatório é rapidamente perdido durante o trabalho a frio ou a quente, sendo substituído por texturas (orientações cristalográficas preferenciais) nas quais os grãos assumem preferencialmente determinadas orientações. A textura final resultante de um determinado processo de deformação depende de alguns fatores, como o tipo de deformação, mudanças na forma do produto e, em menor escala, a composição química da liga. Além da textura de deformação, também é importante a textura de recristalização, que geralmente difere da textura de deformação introduzida antes do recozimento, dependendo do histórico de fabricação da peça e da composição química da liga. Do ponto de vista prático é quase sempre desejável que o nível de textura de um material que irá ser processado posteriormente seja o mais baixo possível. Isso é particularmente importante nos processos de conformação de chapas, como a estampagem e principalmente o embutimento, no qual a existência de textura acentuada na chapa a ser embutida pode levar ao aparecimento de defeitos de fabricação como o “orelhamento” (ondulações nas bordas das peças embutidas), que pode ser evitado com cuidados nos processos de laminação e recozimento. Mas as próprias condições de embutimento devem ser controladas para evitar o “orelhamento” [3].
Bandas de Lüder: Durante o estiramento ou a conformação de algumas ligas de alumínio, dois tipos distintos de marcas superficiais, ou bandas de Lüders, podem correr. O primeiro tipo, também conhecido como tipo A está associado ao escoamento (pico de tensão na curva tensão x deformação seguido por queda na tensão de escoamento formando um patamar mais baixo) de ligas (soluções sólidas) recozidas ou submetidas a ouro tipo de tratamento térmico, como as ligas Al-Mg. Ocorre freqüentemente em operações de estiramento. Embora não prejudique as propriedades mecânicas das ligas, tal tipo de defeito superficial é prejudicial do ponto de vista estético. Esse tipo de defeito pode ser evitado ao se realizar as operações de conformação em temperaturas superiores a 150 ºC. O segundo tipo, ou tipo B, está associado ao chamado efeito Portevin-Le Chatelier (“serrilhamento” na curva tensão x deformação), ocorrendo durante o estiramento além do limite de escoamento. Ao contrário das bandas de Lüders do tipo A, as do tipo B podem ocorrer tanto em ligas encruadas como em ligas recozidas. Formam-se a cerca de 50 º do eixo de tração e aumentam em número à medida que o estiramento prossegue. Na curva tensão x deformação a deformação não uniforme associada com essas bandas aparecem associadas ao “serrilhamento”da curva e continua até o ”empescoçamento”, ocorrendo a fratura através da banda de Lüders. Esse tipo de defeito é raramente encontrado em ligas submetidas às operações de deformação mais tradicionais, mas pode surgir devido em chapas encruadas estiradas para achatamento. As ligas Al-Mg são especialmente suscetíveis ao surgimento de bandas de Lüders, que aumentam em severidade com o aumento do teor de magnésio. As ligas termicamente tratáveis também são suscetíveis à formação desse tipo de defeito, mas geralmente apenas na condição solubilizada e rapidamente resfriada, sem envelhecimento.
O embutimento, o estiramento ou a estampagem profunda das ligas de alumínio podem produzir um aspecto de “casca de laranja” (rugosidade) quando o tamanho de grão da chapa submetida à conformação é muito grande. Isso se deve ao fato de que os grãos da superfície da chapa deformam-se com menor restrição do que os grãos do interior e a heterogeneidade de deformação resultante, agravada pelo maior amanho de grão, gera esse aspecto de “casca de laranja”na superfície do produto. O tamanho de grão que pode causar esse tipo de defeito varia com o tipo de produto, com o grau de deformação e com a microestrutura da liga. Texturas de grãos com orientação preferencial, embora relativamente pequenos, também podem gerar esse tipo de defeito, que costuma ser mais freqüente nos produtos trabalhados a frio em comparação com os trabalhado a quente.
