Tabela de dureza da liga de alumínio: HW, HB, HV, HRB, HBA

Introdução

Definição de dureza do alumínio

A dureza do alumínio refere-se à capacidade do material de resistir à deformação plástica localizada, que pode ocorrer devido a indentação, abrasão ou penetração. Essa propriedade é fundamental para entender como as ligas de alumínio se comportarão sob várias condições e tensões mecânicas. A dureza é um parâmetro importante que influencia a durabilidade, a resistência ao desgaste e o desempenho mecânico geral das ligas de alumínio.

Importância da dureza em ligas de alumínio

A dureza das ligas de alumínio é um fator fundamental para determinar sua adequação a diferentes aplicações. Ela afeta diretamente a resistência do material ao desgaste, sua capacidade de manter a forma sob estresse mecânico e sua longevidade geral em serviço. Por exemplo, valores mais altos de dureza em ligas de alumínio são desejáveis em aplicações em que a resistência à abrasão e a integridade estrutural são fundamentais, como em componentes aeroespaciais e automotivos.

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

Medição da dureza em ligas de alumínio

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

• Teste de dureza Brinell: Esse método envolve 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 comumente usados para ligas de alumínio mais macias.
• Teste de dureza Rockwell: O teste Rockwell mede a profundidade de penetração de um indentador sob uma carga grande em comparação com a penetração feita por uma carga preliminar. O número de dureza Rockwell (HR) é derivado da diferença de profundidade. Esse método é mais rápido e direto, adequado para uma ampla variedade de ligas de alumínio.
• Teste de dureza Vickers: Esse método usa um indentador de pirâmide 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 usado para ligas de alumínio duras e macias.

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

Fatores que influenciam a dureza das ligas de alumínio

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

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

Elementos de liga: Elementos como cobre, magnésio, silício e zinco são adicionados ao alumínio para aprimorar suas propriedades mecânicas, inclusive a dureza. Por exemplo, a adição de zinco na liga de alumínio 7075 aumenta significativamente 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, afetando assim sua dureza. Por exemplo, o processo de têmpera T6 para o alumínio 6061 envolve o tratamento térmico em solução seguido de envelhecimento artificial, resultando em melhor dureza e propriedades mecânicas.

Gráfico de dureza da liga de alumínio

A tabela abaixo fornece valores típicos de dureza Vickers medidos com um testador de dureza Vickers Tianxing W-20 para quase 400 graus diferentes de materiais de liga de alumínio com diferentes processos de tratamento térmico.

Os valores de dureza Vickers na tabela são valores de dureza típicos medidos de vários materiais de liga de alumínio e não são usados como base para determinar se o material é qualificado. Os valores de qualificação de dureza para vários materiais devem se referir às especificações técnicas do produto correspondente. Por exemplo, está estipulado na norma nacional GB 5237.1 "Perfis de construção de 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 BrinellOs valores de dureza Vickers, dureza Rockwell e dureza Barcol são apenas para referência e não podem ser usados para conversão. Se a conversão for necessária, recomenda-se usar a tabela de conversão de dureza do padrão americano ASTM E140.

Gráfico de dureza da liga de alumínio

Análise comparativa

Comparação da dureza entre as ligas de alumínio

Metodologia para comparação

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

Fatores que influenciam a dureza

Vários fatores importantes 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 por sua alta resistência e dureza, o que a torna adequada para aplicações aeroespaciais.
   • Magnésio (Mg): Contribui para a dureza moderada e a resistência à corrosão. A liga 5052, que contém magnésio, é usada em ambientes marinhos devido à sua boa resistência à corrosão e dureza moderada.
   • Silício (Si): Melhora as propriedades de fundição e a dureza moderada. A liga de fundição 356, que contém silício, é comumente usada em peças automotivas por suas boas características 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 resistentes, usada em aplicações que exigem alta resistência, como estruturas de aeronaves.
2. Processos de tratamento térmico:
   • Tratamento térmico de solução: Envolve o aquecimento da liga para dissolver os elementos de liga, seguido de resfriamento rápido para criar uma solução supersaturada. Esse 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 tratamento térmico de 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 mudanças na dureza devido à lenta formação de precipitados. Esse processo pode ser acelerado por meio de tratamentos de envelhecimento artificial.
4. Materiais de reforço: A adição de materiais como diboreto de zircônio ou conchas de caracol às matrizes de alumínio pode aumentar a dureza e o módulo de elasticidade. A porcentagem de reforço está diretamente relacionada à dureza e às propriedades mecânicas do composto.

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

Determinação da melhor liga para necessidades específicas

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

Para selecionar a melhor liga de alumínio para uma aplicação específica, é necessário considerar o equilíbrio desejado de dureza, resistência, ductilidade e outras propriedades mecânicas. Esse processo de tomada de decisão envolve:

1. Requisitos do aplicativo: Compreensão das demandas específicas da aplicação, como capacidade de suporte de carga, resistência ao desgaste e condições ambientais.
2. Propriedades mecânicas: Avaliação da resistência à tração, da resistência ao escoamento e do alongamento de possíveis ligas para garantir que elas atendam aos critérios de desempenho.
3. Capacidades de tratamento térmico: Considerar a viabilidade e os benefícios dos processos de tratamento térmico para aumentar a dureza e outras propriedades.
4. Custo e disponibilidade: Equilíbrio entre os custos e a disponibilidade do material e as características de desempenho necessárias.

Estudos de caso ou exemplos de comparações

1. Alumínio 6061 vs. 7075:
   • Alumínio 7075: Conhecido por sua dureza e resistência superiores, com uma dureza Brinell de aproximadamente HB 150 na têmpera T6. É ideal para aplicações de alto estresse, como componentes aeroespaciais e militares.
   • Alumínio 6061: Oferece dureza moderada (HB 90-95 na têmpera T6) e boa usinabilidade, o que o torna adequado para peças automotivas e de construção.
2. Alumínio 5052 vs 6063:
   • Alumínio 5052: Oferece boa resistência à corrosão e dureza moderada, sendo comumente usado em ambientes marinhos e em aplicações arquitetônicas.
   • Alumínio 6063: Uma liga tratável termicamente que pode atingir maior dureza por meio de têmpera, frequentemente usada em processos de extrusão para esquadrias de janelas e tubulações.
3. Compostos reforçados:
   • A adição de diboreto de zircônio às matrizes de alumínio aumenta a dureza e o módulo de elasticidade, tornando esses compostos adequados para aplicações que exigem propriedades mecânicas aprimoradas.

Ao compreender e comparar a dureza e as propriedades mecânicas de diferentes ligas de alumínio, os engenheiros e fabricantes podem tomar decisões informadas para selecionar os materiais mais adequados para suas necessidades específicas, garantindo o desempenho ideal e a longevidade em suas aplicações.

Conformidade e padrões

Importância dos padrões no setor de alumínio

A conformidade com os padrões do setor é essencial para garantir a confiabilidade, a segurança e o desempenho das ligas de alumínio em várias aplicações. Essas normas fornecem uma estrutura uniforme para testes, classificação e garantia de qualidade, assegurando que as peças de alumínio atendam aos rigorosos requisitos de diferentes setores, como o aeroespacial, o automotivo e o de construção.

Visão geral dos padrões do setor

Vários padrões importantes regem a dureza e outras propriedades das ligas de alumínio, facilitando a consistência e o controle de qualidade nos processos de fabricação e aplicação.

AMS 2658D

A especificação AMS 2658D, "Inspeção de Dureza e Condutividade de Peças de Liga de Alumínio Forjado", é fundamental no setor aeroespacial. Ela estabelece os critérios de aceitação para a dureza e a condutividade elétrica de peças acabadas ou semiacabadas de ligas de alumínio forjado. Essa norma especifica os valores exigidos para dureza e condutividade, garantindo que os materiais atendam aos critérios de desempenho necessários para aplicações aeroespaciais.

ASTM B647-10(2016)

A norma ASTM B647-10(2016) descreve o uso 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 controle de produção e testes de campo. Essa norma ajuda a manter a qualidade durante a fabricação e garante que as peças de alumínio sigam os níveis de dureza especificados.

Padrões EN

As normas EN fornecem uma estrutura abrangente para ligas de alumínio, abrangendo propriedades mecânicas, designações de tratamento térmico e resistência à corrosão. Essas normas, que substituíram normas mais antigas como a BS1470, garantem consistência e qualidade em diferentes aplicações e setores. Elas são essenciais para que os fabricantes produzam peças de alumínio que atendam às especificações e aos critérios de desempenho exigidos.

Padrões específicos para a dureza do alumínio

As diferentes ligas de alumínio têm padrões e propriedades específicos que devem ser atendidos para garantir sua adequação às aplicações pretendidas. Por exemplo:

• 2024-T351: Conhecida por sua alta força e resistência à fadiga, essa liga é amplamente utilizada em aplicações aeroespaciais. Os padrões para o 2024-T351 garantem que ele atenda à dureza e às propriedades mecânicas necessárias para componentes estruturais críticos.
• 6061-T651: Essa liga versátil é usada em vários setores, incluindo o automotivo e o de construção. Os padrões para 6061-T651 especificam sua dureza, resistência à tração e resistência à corrosão, garantindo seu desempenho confiável em diversas aplicações.
• 7075-T651: Uma das ligas de alumínio de maior resistência, a 7075-T651 é essencial para aplicações de alto estresse, como asas de aeronaves e veículos militares. Os padrões para essa liga garantem que ela atenda aos rigorosos requisitos de dureza e propriedade mecânica necessários para essas aplicações exigentes.

Garantia de conformidade na fabricação

Os fabricantes devem aderir aos padrões do setor para garantir a qualidade e o desempenho das ligas de alumínio. Isso envolve testes rigorosos e processos de certificação para verificar se os materiais atendem aos critérios especificados.

Processos de teste e certificação

• Teste de dureza: Métodos como os testes de dureza Rockwell, Brinell e Vickers são empregados para medir a dureza das ligas de alumínio. Esses testes garantem que os materiais atendam aos níveis de dureza necessários especificados pelos padrões do setor.
• Medições de condutividade: As medições de condutividade elétrica, expressas como uma porcentagem do International Annealed Copper Standard (IACS), são usadas para verificar as propriedades de peças de alumínio tratadas termicamente. Essas medições são influenciadas pela quantidade de elementos de liga em solução sólida e pela natureza dos precipitados formados durante o tratamento térmico.

Consequências da não conformidade

A não conformidade com os padrões do setor pode ter consequências graves, inclusive:

• Falhas de produtos: As peças de alumínio que não atendem às propriedades mecânicas e de dureza exigidas podem falhar sob tensão, levando a riscos de segurança e possíveis falhas catastróficas em aplicações críticas, como componentes aeroespaciais e automotivos.
• Perdas financeiras: A não conformidade pode resultar em recalls, reparos e responsabilidades legais dispendiosas, afetando a reputação e a estabilidade financeira do fabricante.
• Penalidades regulatórias: A não adesão aos padrões do setor pode levar a penalidades regulatórias e à perda de certificações, restringindo a capacidade do fabricante de fornecer materiais para determinados setores.

Garantir a conformidade com normas como 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. Essas normas fornecem uma estrutura para testes, classificação e aplicação, ajudando os fabricantes a produzir peças de alumínio confiáveis e de alta qualidade que atendam aos rigorosos requisitos de diferentes setores.

Quais elementos adicionados a uma liga de alumínio podem aumentar sua dureza de forma mais significativa?

Elementos como magnésio, manganês, titânio e elementos de terras raras (como lantânio e ítrio) podem ser adicionados a uma liga de alumínio para aumentar sua dureza. A incorporação de magnésio pode aumentar notavelmente a resistência à tração do alumínio; para 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 a rachaduras térmicas.

Além disso, a adição de elementos de terras raras (como lantânio e ítrio) pode aumentar a resistência ao descascamento da camada de oxidação. Portanto, a incorporação desses elementos pode aumentar a dureza das ligas de alumínio em graus variados.

Como a dureza e a resistência ao desgaste das ligas de alumínio podem ser aprimoradas por meio de métodos de tratamento de superfície?

Há vários métodos que podem ser empregados para aumentar a dureza e a resistência ao desgaste das ligas de alumínio por meio do tratamento de superfície:

Tratamento de oxidação anódica: Esse método comum envolve a formação de um filme de óxido denso na superfície da liga de alumínio, aumentando assim 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, sua dureza e resistência ao desgaste podem ser efetivamente aprimoradas.

Pulverização de revestimentos resistentes ao desgaste: Um revestimento especial resistente ao desgaste é pulverizado uniformemente sobre a superfície do material de liga de alumínio para formar um revestimento uniforme, denso e duro. Esse método não apenas melhora a resistência ao desgaste e à corrosão, mas também aprimora a aparência.

Endurecimento por trabalho a frio: Esse método endurece a liga de alumínio em temperatura ambiente por meio de trabalho a frio, adequado para materiais de liga de alumínio que precisam manter sua forma original.

Tratamento térmico: Para determinados tipos específicos de ligas de alumínio (como 6061), sua resistência e dureza podem ser aprimoradas por meio de tratamento de envelhecimento. Isso geralmente envolve um tratamento de envelhecimento após o tratamento com solução.

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

Pulverização térmica e síntese de alta temperatura com autopropagação: Esses métodos podem preparar revestimentos cerâmicos resistentes ao desgaste na superfície da liga de alumínio, melhorando significativamente a resistência ao desgaste da liga de alumínio.