Efeito da adição de Zr no endurecimento de ligas Al-Sc

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia de Materiais

As ligas de Alumínio (Al) apresentam uma combinação de propriedades mecânicas e físicas que as tornam adequadas para aplicações em todas as áreas industriais com particular destaque para a indústria dos transportes. Contudo uma das limitações da maioria das ligas de Al é a baixa temperatura máxima de trabalho (permitida cerca de 200 ºC). Uma abordagem promissora (e potencialmente competitiva) para melhorar o desempenho das ligas de Al a altas temperaturas (250 ºC - 350 ºC) consiste na adição de elementos de liga com baixa solubilidade ou totalmente insolúveis, que permitam a formação de partículas de segunda fase (SPP) termicamente estáveis na matriz de Al. O escândio (Sc) consagrou-se assim, um elemento extremamente promissor para o aumento da resistência mecânica e uma afinação significativa da estrutura de solidificação nas ligas de Al. Uma pequena adição de Sc pode promover um aumento até 40% da resistência mecânica de algumas ligas de Al, bem como o aumento de cerca de 100 ºC da temperatura de trabalho. Porém este elemento apresenta um elevado custo e é relativamente escasso. A substituição parcial do Sc pelo zircónio (Zr), que apresenta uma solubilidade no Al ainda mais baixa e permite obter propriedades semelhantes às ligas Al-Sc a um baixo custo de produção, pode ser a solução para ultrapassar as limitações do Sc. A combinação Sc e Zr nas ligas de Al conduz a uma melhoria da resistência mecânica tanto à temperatura ambiente como a altas temperaturas e aumenta a estabilidade térmica das ligas, comparativamente com as ligas Al-Sc. O presente trabalho tem como objetivo o estudo do efeito do teor de Zr no endurecimento de ligas Al-Sc bem como a otimização dos ciclos de tratamentos térmicos conducente a um máximo de endurecimento. De forma a cumprir estes objetivos foram processadas ligas Al-0,4 wt.% Sc e Al-0,4 wt.% Sc-0,1-0,3 wt.% Zr, por fundição convencional. As ligas foram posteriormente sujeitas a tratamentos térmicos de envelhecimento a 300 ºC, 350 ºC, 400 ºC e 450 ºC. Foi feita uma avaliação microestrutural, química e mecânica das ligas produzidas. A análise microestrutural e química foi efetuada por Microscopia Ótica (MO), Microscopia Eletrónica de Varrimento (SEM) e Espetroscopia de Dispersão de Energias (EDS). Através de ensaios de dureza Vickers e ensaios de tração, foram avaliados o grau de endurecimento e a resistência mecânicas das ligas, respetivamente. As superfícies de fratura das ligas foram igualmente analisadas por SEM/EDS. Os resultados obtidos mostram que a adição de Zr às ligas Al-Sc promove um aumento da estabilidade térmica das ligas quando comparado com as ligas Al-Sc, mantendo os mesmos níveis de endurecimento. Além disso com a adição de Zr há uma afinação da estrutura de vazamento, obtendo-se uma microestrutura totalmente equiaxial.

Aluminium alloys present a combination of mechanical and physical properties that make them highly promising in all areas of industry, especially in the transport industry. However, one of the limitations of most Al alloys is the low working temperature (approximately 200 ºC). A promising approach (and potentially competitive) to improve the performance of the Al alloys at high temperatures (200 °C - 300 °C) consists in adding elements with low solubility or completely insoluble in Al, which allow the formation of thermally stable second phase particles dispersed in the Al matrix. Scandium (Sc) is an extremely promising element for increasing strength and significant grain refinement of the solidification structure in Al alloys. A small addition of Sc may promote an increase up to 40% of the mechanical strength of some Al alloys, as well as, an increase in the working temperature up to 100 ºC more. However, this element is expensive, it is not abundant and its mechanical properties are not very stable at high temperatures. Several studies refer that partial replacement of Sc by Zr (that has an even lower solubility), can achieve similar mechanical properties like Al-Sc alloys with a lower production cost. It is known that the combination of Sc and Zr in the Al alloys lead to an improvement of the mechanical strength and stability at high and low temperatures compared to the alloys that only have Sc. This work focuses on the study of the effect of Zr content in the hardening of Al-Sc alloys, as well as, the optimization of the heat treatment cycle leading to maximum hardness of the alloys. In order to accomplish these objectives, the following alloys were processed: Al-0.4 wt.% Sc and Al-0.4 wt.%-0.1 wt.% Sc-0.1-0.3 wt.% Zr, by conventional casting. The obtained alloys were then subjected to ageing heat treatments at 300 °C, 350 °C, 400 °C and 450 °C. The Microstructural properties of the alloys were assessed by Optical Microscopy (MO) and Scanning Electron Microscopy (SEM). The chemical composition was analysed by Energy Dispersion Spectroscopy (EDS). Fracture surfaces of the alloys were also analysed by SEM and EDS. Samples were also prepared for electron microscopy analysis of transmission (TEM). Vickers hardness tests were used to evaluate the hardness of the alloys. Subsequently, the mechanical behaviour of the alloys was estimated by tensile tests at the maximum hardness peak of the alloy. The results show that the addition of Zr to Al-Sc alloys promotes an increase of the thermal stability of the alloys compared with Al-Sc alloy, maintaining the same hardness levels. The addition of Zr also promote a grain refinement of the microstructure.