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Ligas Al-Cu

As ligas do sistema Al-Cu, conhecidas como ligas da série 2XXX (trabalhadas) e 2XX.X (fundidas) na classificação da Aluminum Association, são as ligas de alumínio de desenvolvimento mais antigo, sendo que o seu surgimento data do início do século XX, quando Alfred Wilm, na Alemanha, descobriu o fenômeno de endurecimento por precipitação [4]. Essas ligas até hoje são conhecidas como duralumínio, e entre essas ligas a 2017 é a mais antiga e também a mais conhecida. É uma liga que contém 4 % de cobre, 0,5 % de magnésio e 0,7 % de manganês, nas quais a simples introdução desses elementos de liga já eleva a resistência à tração de 9,1 kg/mm2 (alumínio comercialmente puro) para 18,2 kg/mm2. O tratamento térmico de envelhecimento (endurecimento por precipitação) por tempo e temperatura controlados ainda permite aumentar ainda mais a resistência à tração, para cerca de 43 kg/mm2 [1].

Esse grupo de ligas Al-Cu pode ainda ser subdividido em dois grupos principais: as ligas Al-Cu com teores de magnésio relativamente baixos, como a 2017 mencionada e outras como a 2025 e a 2219, e as ligas Al-Cu com tores de magnésio relativamente altos (também denominadas Al-Cu-Mg), superiores a 1%, como a 2024 (1,5 % de magnésio) e a 2618 (1,6 % de Mg). A principal diferença entre esses dois subgrupos é que nas ligas Al-Cu, mais antigas, só contribuem para o endurecimento por precipitação as fases precursoras da fase q (Al2Cu): q'' e q', ao passo que nas ligas Al-Cu-Mg é igualmente importante a contribuição da fase S', precursora da fase S (Al2CuMg) [3]. Se o teor de silício for relativamente alto, também poderá ser encontrada nestas ligas a fase quaternária Q (Al4Cu2Mg8Si7).--> GP --> q'' --> q' --> q (Al2Cu) GP --> S' --> S (Al2CuMg)

As ligas Al-Cu(-Mg) podem apresentar diferentes tipos de elementos de liga, adicionados com diversas finalidades, os quais podem levar à formação de diversas fases diferentes. A liga 2024, por exemplo, possui manganês em teores relativamente altos, que causa a formação da fase Al12(Fe,Mn)3Si, presente também em outras ligas, que sob a forma de partículas dispersóides retardam os processos de recristalização e crescimento de grão. A liga 2011, por exemplo, não apresenta magnésio e manganês em teores elevados, mas sim ferro e silício, havendo a formação da fase Al7CuFe2 insolúvel [3].

De um modo geral as ligas Al-Cu(-Mg) apresentam elevada resistência mecânica após tratamento térmico de endurecimento por precipitação, entretanto, apesar dessa vantagem, apresentam algumas desvantagens quando comparadas com outros tipos de ligas de alumínio, que vão desde a resistência à corrosão relativamente baixa e a conformabilidade limitada (são pouco adequadas a processos com elevada deformação, como a extrusão, por exemplo) até a soldabilidade igualmente restrita (em geral são soldadas somente por processos de resistência elétrica) [1]. Os valores mais elevados de dureza são obtidos para teores de cobre da ordem de 4 a 6 %, dependendo da influência de outros elementos de liga presentes [3].

Como ligas que apresentam elevados teores de soluto, as ligas Al-Cu(-Mg) apresentam considerável endurecimento quando mantidas por tempos relativamente longos à temperatura ambiente. É o chamado envelhecimento natural, que recebe essa denominação para distinguí-lo do envelhecimento artificial obtido através de tratamento térmico em fornos. Esse efeito ocorre devido à formação das chamadas zonas de Guinier Preston (GP), em forma de discos formados por um arranjo de átomos de cobre e alumínio nas regiões enriquecidas em cobre, e que já são responsáveis por um razoável ganho de dureza no material mantido à temperatura ambiente. Esse tipo de pré-precipitado (zonas GP) também se forma no início do envelhecimento artificial e essas zonas GP são consideradas precursores dos precipitados intermediários metaestáveis q'' e q'. O precipitado q'', que se forma após algumas horas de envelhecimento (3 ou 4 horas a 190 ºC, quando as zonas GP desaparecem), é coerente com a matriz e possui formas de plaqueta, assim como o precipitado q', que se forma algum tempo depois, mas coexiste com o precipitado q'' durante um certo intervalo de tempo, o qual corresponde à dureza mais elevada que pode ser obtida para as ligas Al-Cu(-Mg). A continuação to tratamento térmico de envelhecimento leva à formação do precipitado de equilíbrio q, cuja composição química corresponde exatamente à estequiometria Al2Cu. Este é o chamado precipitado de equilíbrio termodinâmico, uma vez que o prosseguimento do envelhecimento não muda suas características, com exceção do tamanho dessas partículas, que tende a crescer. A formação desse precipitado de equilíbrio também corresponde ao chamado superenvelhecimento da liga Al-Cu(-Mg), que é caracterizado por uma acentuada queda de dureza, quando comparado com o intervalo de coexistência das fases q'' e q' [3].

Sendo assim, a seqüência de precipitação nas ligas Al-Cu é dada por:

SS

onde: SS = solução sólida supersaturada, GP = zonas de Guinier Preston.

Obs: alguns autores mais antigos podem se referir aos precipitados q''como zonas GP2, e assim considerarem as zonas GP iniciais como zonas GP1, mas essa denominação está em desuso, uma vez que estudos mais recentes demonstram que os precipitados q''são efetivamente precipitados com estrutura cristalina e outras características bem definidas, que os diferenciam das zonas GP.

As ligas Al-Cu-Mg, apresentam duas seqüências de precipitação praticamente simultâneas: além da seqüência apresentada anteriormente, a seqüência mostrada a seguir, relacionada com a presença do magnésio em teores mais elevados [3]:

SS -->

A presença do magnésio acelera e intensifica o endurecimento durante o envelhecimento natural, o que é atribuído ao resultado das complexas interações entre lacunas e dois tipos de átomos de solutos diferentes, com a formação de pares de átomos de magnésio e cobre afetando o movimento das discordâncias. Apesar de também serem conhecidas há muito tempo e produzidas em larga escala os detalhes do processo de precipitação são menos conhecidos no caso das ligas Al-Cu-Mg. Contudo, sabe-se que a fase intermediária endurecedora S' é coerente, ao contrário da fase de equilíbrio S. Pequenas adições de magnésio já são suficientes para proporcionar um considerável endurecimento às ligas Al-Cu [3].

As tabelas apresentadas a seguir mostram a composição química nominal e valores típicos de propriedades mecânicas que podem ser obtidos para as ligas Al-Cu(-Mg) trabalhadas mecanicamente e fundidas:

Tabela 2.1: Composição química de ligas Al-Cu trabalhadas (% em massa)

Tabela 2.2: Composição química de ligas Al-Cu fundidas (% em massa)

Tabela 2.3: Propriedades mecânicas de ligas Al-Cu trabalhadas

Tabela 2.4: Propriedades mecânicas de ligas Al-Cu fundidas

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