Tabela de dureza das ligas de alumínio: HW, HB, HV, HRB, HBA

Introdução

Definição de Dureza do alumínio

A dureza do alumínio refere-se à capacidade do material para resistir a deformações plásticas localizadas, que podem ocorrer devido a indentação, abrasão ou penetração. Esta propriedade é crucial para compreender o desempenho das ligas de alumínio sob várias tensões e condições mecânicas. A dureza é um parâmetro significativo que influencia a durabilidade, a resistência ao desgaste e o desempenho mecânico global das ligas de alumínio.

Importância da dureza nas ligas de alumínio

A dureza das ligas de alumínio é um fator-chave para determinar a sua adequação a diferentes aplicações. Afecta diretamente a resistência do material ao desgaste, a sua capacidade de manter a forma sob tensão mecânica e a sua longevidade geral em serviço. Por exemplo, valores de dureza mais elevados nas ligas de alumínio são desejáveis em aplicações onde a resistência à abrasão e a integridade estrutural são críticas, como nos componentes aeroespaciais e automóveis.

A dureza também se correlaciona com outras propriedades mecânicas, como a resistência à tração e o limite de elasticidade, tornando-a uma consideração vital no processo de seleção de materiais. Compreender a dureza das ligas de alumínio ajuda os engenheiros e os fabricantes a garantir que o material escolhido satisfará os requisitos de desempenho de aplicações específicas, aumentando a segurança, a fiabilidade e a eficiência.

Medição da dureza em ligas de alumínio

A dureza das ligas de alumínio pode ser medida através de vários métodos diferentes, cada um com a sua própria relevância e aplicação. Os métodos mais comuns incluem os testes de dureza Brinell, Rockwell e Vickers.

• Teste de dureza Brinell: Este método consiste em pressionar uma esfera de aço duro ou de carboneto no material sob uma carga específica. O diâmetro da indentação deixada no material é medido e o valor da dureza é calculado. Os números de dureza Brinell (BHN) são normalmente utilizados para ligas de alumínio mais macias.
• Teste de dureza Rockwell: O ensaio Rockwell mede a profundidade de penetração de um indentador sob uma grande carga em comparação com a penetração efectuada por uma carga preliminar. O número de dureza Rockwell (HR) é derivado da diferença de profundidade. Este método é mais rápido e mais simples, adequado para uma vasta gama de ligas de alumínio.
• Teste de dureza Vickers: Este método utiliza um indentador piramidal de diamante e aplica uma carga específica para criar uma indentação. O tamanho da indentação é medido microscopicamente e o número de dureza Vickers (HV) é calculado. O teste Vickers é altamente preciso e pode ser utilizado tanto para ligas de alumínio duras como moles.

Por exemplo, a liga de alumínio 6061 tem normalmente uma dureza Brinell de cerca de 95 BHN, enquanto a liga de alumínio 7075, conhecida pela sua elevada resistência, tem uma dureza Brinell de aproximadamente 150 BHN. Estes valores ilustram como as diferentes ligas de alumínio podem variar significativamente em termos de dureza, influenciando a sua aplicação.

Factores que influenciam a dureza das ligas de alumínio

Vários factores influenciam a dureza das ligas de alumínio, incluindo os elementos de liga, o tratamento térmico e o endurecimento por trabalho.

Endurecimento do trabalho: O processo de deformação da liga de alumínio à temperatura ambiente pode aumentar a sua dureza. O trabalho a frio, como a laminagem ou o martelamento, introduz deslocações na estrutura cristalina do material, tornando-o mais duro e mais forte.

Elementos de liga: Elementos como o cobre, o magnésio, o silício e o zinco são adicionados ao alumínio para melhorar as suas propriedades mecânicas, incluindo a dureza. Por exemplo, a adição de zinco na liga de alumínio 7075 aumenta significativamente a sua dureza e resistência.

Tratamento térmico: Os processos de tratamento térmico, como o tratamento térmico em solução e o envelhecimento, podem alterar a microestrutura das ligas de alumínio, afectando assim a sua dureza. Por exemplo, o processo de têmpera T6 para o alumínio 6061 envolve um tratamento térmico em solução seguido de envelhecimento artificial, resultando numa melhoria da dureza e das propriedades mecânicas.

Gráfico de dureza da liga de alumínio

A tabela abaixo apresenta os valores típicos de dureza Vickers medidos com um aparelho de teste de dureza Vickers Tianxing W-20 para cerca de 400 tipos diferentes de materiais de liga de alumínio com diferentes processos de tratamento térmico.

Os valores de dureza Vickers apresentados na tabela são valores de dureza típicos medidos de vários materiais de liga de alumínio e não são utilizados como base para determinar se o material é qualificado. Os valores de qualificação da dureza para vários materiais devem referir-se às especificações técnicas do produto correspondente. Por exemplo, está estipulado na norma nacional GB 5237.1 "Perfis de construção em liga de alumínio - Parte 1: Material de base" que o valor de dureza Vickers do 6063-T5 não deve ser inferior a 8HW e o valor de dureza Vickers do 6063A-T5 não deve ser inferior a 10HW.

O Dureza BrinellAs tabelas de dureza Vickers, Rockwell e Barcol servem apenas de referência e não podem ser utilizadas para conversão. Se for necessária uma conversão, recomenda-se a utilização da tabela de conversão de dureza da norma americana ASTM E140.

Gráfico de dureza da liga de alumínio

Análise comparativa

Comparação da dureza das ligas de alumínio

Metodologia de comparação

A realização de uma análise comparativa da dureza do alumínio envolve a avaliação de vários factores, como o tipo de liga, a têmpera e a presença de materiais de reforço. A comparação baseia-se normalmente em métodos de teste de dureza padronizados, como Rockwell, Brinell e Vickers. Estes testes fornecem medições quantificáveis que podem ser utilizadas para comparar os níveis de dureza de diferentes ligas em condições semelhantes.

Factores que influenciam a dureza

Vários factores-chave influenciam a dureza das ligas de alumínio:

1. Elementos de liga:
   • Cobre (Cu): Aumenta a dureza e a resistência. Por exemplo, a liga 2024, que contém cobre, é conhecida pela sua elevada resistência e dureza, o que a torna adequada para aplicações aeroespaciais.
   • Magnésio (Mg): Contribui para uma dureza e uma resistência à corrosão moderadas. A liga 5052, que contém magnésio, é utilizada em ambientes marinhos devido à sua boa resistência à corrosão e à sua dureza moderada.
   • Silício (Si): Melhora as propriedades de fundição e a dureza moderada. A liga de fundição 356, que contém silício, é normalmente utilizada em peças automóveis devido às suas boas caraterísticas de fundição e dureza suficiente.
   • Zinco (Zn): Aumenta significativamente a dureza e a resistência. A liga 7075, que contém zinco, é uma das ligas de alumínio mais fortes, utilizada em aplicações que requerem uma elevada resistência, como as estruturas dos aviões.
2. Processos de tratamento térmico:
   • Tratamento térmico de solução: Envolve o aquecimento da liga para dissolver os elementos de liga, seguido de um arrefecimento rápido para criar uma solução supersaturada. Este processo aumenta a dureza de ligas como 6061 e 7075.
   • Envelhecimento: Os processos de envelhecimento natural e artificial permitem a formação de precipitados, aumentando a dureza. Por exemplo, a têmpera T6 envolve um tratamento térmico em solução seguido de envelhecimento artificial, o que aumenta a dureza em ligas como 6061-T6 e 7075-T6.
3. Envelhecimento natural: Com o tempo, as ligas de alumínio envelhecem naturalmente, levando a alterações na dureza devido à formação lenta de precipitados. Este processo pode ser acelerado através de tratamentos de envelhecimento artificial.
4. Materiais de reforço: A adição de materiais como o diboreto de zircónio ou as conchas de caracóis às matrizes de alumínio pode aumentar a dureza e o módulo de elasticidade. A percentagem de reforço está diretamente relacionada com a dureza e as propriedades mecânicas do compósito.

Os factores que influenciam a dureza desempenham um papel crucial na determinação da adequação de uma liga de alumínio a aplicações específicas.

Determinar a melhor liga para necessidades específicas

Processo de tomada de decisão com base na dureza e nas propriedades

A seleção da melhor liga de alumínio para uma aplicação específica exige que se considere o equilíbrio desejado entre dureza, resistência, ductilidade e outras propriedades mecânicas. Este processo de decisão envolve:

1. Requisitos de candidatura: Compreender as exigências específicas da aplicação, tais como a capacidade de carga, a resistência ao desgaste e as condições ambientais.
2. Propriedades mecânicas: Avaliação da resistência à tração, da resistência ao escoamento e do alongamento de potenciais ligas para garantir que cumprem os critérios de desempenho.
3. Capacidades de tratamento térmico: Considerar a viabilidade e os benefícios dos processos de tratamento térmico para melhorar a dureza e outras propriedades.
4. Custo e disponibilidade: Equilíbrio entre os custos e a disponibilidade dos materiais e as caraterísticas de desempenho exigidas.

Estudos de casos ou exemplos de comparações

1. Alumínio 6061 vs 7075:
   • Alumínio 7075: Conhecido pela sua dureza e resistência superiores, com uma dureza Brinell de cerca de HB 150 na têmpera T6. É ideal para aplicações de alta tensão, como componentes aeroespaciais e militares.
   • Alumínio 6061: Oferece uma dureza moderada (HB 90-95 na têmpera T6) e uma boa maquinabilidade, o que o torna adequado para peças automóveis e para a construção.
2. Alumínio 5052 vs 6063:
   • Alumínio 5052: Oferece uma boa resistência à corrosão e uma dureza moderada, sendo normalmente utilizado em ambientes marinhos e em aplicações arquitectónicas.
   • Alumínio 6063: Uma liga tratável termicamente que pode atingir uma dureza mais elevada através da têmpera, frequentemente utilizada em processos de extrusão para caixilhos de janelas e tubagens.
3. Compósitos reforçados:
   • A adição de diboreto de zircónio às matrizes de alumínio aumenta a dureza e o módulo de elasticidade, tornando estes compósitos adequados para aplicações que requerem propriedades mecânicas melhoradas.

Ao compreender e comparar a dureza e as propriedades mecânicas das diferentes ligas de alumínio, os engenheiros e fabricantes podem tomar decisões informadas para selecionar os materiais mais adequados às suas necessidades específicas, garantindo um desempenho e uma longevidade óptimos nas suas aplicações.

Conformidade e normas

Importância das normas na indústria do alumínio

A conformidade com as normas da indústria é essencial para garantir a fiabilidade, a segurança e o desempenho das ligas de alumínio em várias aplicações. Estas normas fornecem uma estrutura uniforme para testes, classificação e garantia de qualidade, assegurando que as peças de alumínio cumprem os requisitos rigorosos de diferentes indústrias, como a aeroespacial, a automóvel e a da construção.

Visão geral das normas do sector

Várias normas-chave regem a dureza e outras propriedades das ligas de alumínio, facilitando a consistência e o controlo de qualidade nos processos de fabrico e aplicação.

AMS 2658D

A especificação AMS 2658D, "Inspeção de dureza e condutividade de peças de ligas de alumínio forjado", é crucial na indústria aeroespacial. Estabelece os critérios de aceitação para a dureza e a condutividade eléctrica de peças acabadas ou semi-acabadas de ligas de alumínio forjado. Esta norma especifica os valores necessários para a dureza e a condutividade, assegurando que os materiais cumprem os critérios de desempenho necessários para aplicações aeroespaciais.

ASTM B647-10(2016)

A norma ASTM B647-10(2016) descreve a utilização do medidor de dureza Webster para medir a dureza de ligas de alumínio. Embora menos sensível do que as máquinas de dureza Rockwell ou Brinell, o medidor Webster é valioso para o controlo da produção e para os ensaios no terreno. Esta norma ajuda a manter a qualidade durante o fabrico e garante que as peças de alumínio cumprem os níveis de dureza especificados.

Normas EN

As normas EN fornecem uma estrutura abrangente para as ligas de alumínio, cobrindo propriedades mecânicas, designações de tratamento térmico e resistência à corrosão. Estas normas, que substituíram normas mais antigas como a BS1470, garantem consistência e qualidade em diferentes aplicações e indústrias. São essenciais para os fabricantes produzirem peças de alumínio que cumpram as especificações e os critérios de desempenho exigidos.

Normas específicas para a dureza do alumínio

As diferentes ligas de alumínio têm normas e propriedades específicas que devem ser cumpridas para garantir a sua adequação às aplicações pretendidas. Por exemplo:

• 2024-T351: Conhecida pela sua elevada força e resistência à fadiga, esta liga é amplamente utilizada em aplicações aeroespaciais. As normas para o 2024-T351 asseguram que cumpre a dureza e as propriedades mecânicas exigidas para os componentes estruturais críticos.
• 6061-T651: Esta liga versátil é utilizada em várias indústrias, incluindo a automóvel e a da construção. As normas para 6061-T651 especificam a sua dureza, resistência à tração e resistência à corrosão, assegurando um desempenho fiável em diversas aplicações.
• 7075-T651: Uma das ligas de alumínio mais resistentes, a liga 7075-T651 é essencial para aplicações de alta tensão, tais como asas de aviões e veículos militares. As normas para esta liga garantem que cumpre os requisitos rigorosos de dureza e de propriedades mecânicas necessários para estas aplicações exigentes.

Garantir a conformidade no fabrico

Os fabricantes têm de aderir às normas da indústria para garantir a qualidade e o desempenho das ligas de alumínio. Isto envolve testes rigorosos e processos de certificação para verificar se os materiais cumprem os critérios especificados.

Processos de teste e certificação

• Ensaios de dureza: Métodos como os testes de dureza Rockwell, Brinell e Vickers são empregues para medir a dureza das ligas de alumínio. Estes testes garantem que os materiais cumprem os níveis de dureza exigidos pelas normas da indústria.
• Medições de condutividade: As medições da condutividade eléctrica, expressas em percentagem da norma internacional de cobre recozido (IACS), são utilizadas para verificar as propriedades das peças de alumínio tratadas termicamente. Estas medições são influenciadas pela quantidade de elementos de liga em solução sólida e pela natureza dos precipitados formados durante o tratamento térmico.

Consequências do incumprimento

A não conformidade com as normas do sector pode ter consequências graves, incluindo:

• Falhas de produtos: As peças de alumínio que não satisfazem as propriedades mecânicas e de dureza exigidas podem falhar sob tensão, conduzindo a riscos de segurança e potenciais falhas catastróficas em aplicações críticas, tais como componentes aeroespaciais e automóveis.
• Perdas financeiras: A não-conformidade pode resultar em recolhas dispendiosas, reparações e responsabilidades legais, afectando a reputação e a estabilidade financeira do fabricante.
• Sanções regulamentares: O não cumprimento das normas da indústria pode levar a sanções regulamentares e à perda de certificações, restringindo a capacidade do fabricante de fornecer materiais a determinadas indústrias.

Garantir a conformidade com normas como a AMS 2658D, ASTM B647-10(2016) e as normas EN é essencial para manter a qualidade, a segurança e o desempenho das ligas de alumínio em várias aplicações. Estas normas fornecem uma estrutura para testes, classificação e aplicação, ajudando os fabricantes a produzir peças de alumínio fiáveis e de alta qualidade que cumprem os requisitos rigorosos de diferentes indústrias.

Que elementos adicionados a uma liga de alumínio podem aumentar mais significativamente a sua dureza?

Elementos como o magnésio, o manganês, o titânio e os elementos de terras raras (como o lantânio e o ítrio) podem ser adicionados a uma liga de alumínio para aumentar a sua dureza. A incorporação de magnésio pode aumentar notavelmente a resistência à tração do alumínio; por cada aumento de 1% no magnésio, a resistência à tração aumenta em aproximadamente 34 MPa.

A introdução de manganês pode complementar o efeito de reforço e também diminuir a suscetibilidade à fissuração térmica.

Para além disso, a adição de elementos de terras raras (como o lantânio e o ítrio) pode aumentar a resistência à descamação da camada de oxidação. Por conseguinte, a incorporação destes elementos pode aumentar a dureza das ligas de alumínio em diferentes graus.

Como é que a dureza e a resistência ao desgaste das ligas de alumínio podem ser melhoradas através de métodos de tratamento de superfície?

Existem vários métodos que podem ser utilizados para melhorar a dureza e a resistência ao desgaste das ligas de alumínio através do tratamento de superfície:

Tratamento de oxidação anódica: Este método comum envolve a formação de uma película de óxido densa na superfície da liga de alumínio, aumentando assim a sua dureza e resistência à corrosão.

Galvanoplastia de superfície: Ao revestir uma camada de metal (como estanho ou cobre) na superfície da liga de alumínio, a sua dureza e resistência ao desgaste podem ser efetivamente melhoradas.

Pulverização de revestimentos resistentes ao desgaste: Um revestimento especial resistente ao desgaste é pulverizado uniformemente na superfície do material de liga de alumínio para formar um revestimento uniforme, denso e duro. Este método não só melhora a resistência ao desgaste e à corrosão, como também melhora o aspeto.

Endurecimento por trabalho a frio: Este método endurece a liga de alumínio à temperatura ambiente através do trabalho a frio, adequado para materiais de liga de alumínio que precisam de manter a sua forma original.

Tratamento térmico: Para certos tipos específicos de ligas de alumínio (como a 6061), a sua resistência e dureza podem ser melhoradas através de um tratamento de envelhecimento. Isto envolve normalmente um tratamento de envelhecimento após o tratamento com solução.

Deposição por pulverização catódica com magnetrão de corrente contínua de um revestimento amorfo de CrAlN: Este método deposita um revestimento amorfo de CrAlN na superfície da liga de alumínio, melhorando a sua resistência à corrosão e ao desgaste.

Pulverização térmica e síntese auto-propagante a alta temperatura: Estes métodos podem preparar revestimentos cerâmicos resistentes ao desgaste na superfície da liga de alumínio, melhorando significativamente a resistência ao desgaste da liga de alumínio.