6061-T6 vs. 7075-T651: qual liga de alumínio é a ideal para sua aplicação?

1. Tenho uma pergunta

No projeto mecânico, geralmente usamos ligas de alumínio. Por exemplo, 6061-T6 e 7075-T651 são as duas ligas de alumínio mais comumente usadas.

Por terem uma boa relação resistência/peso, o que significa que são leves, mas também resistentes, são muito usados em áreas sensíveis ao peso, como plataformas de alta velocidade, estruturas de aeronaves e quadros de bicicletas.

Portanto, a pergunta é: Qual é a diferença entre 6061-T6 e 7075-T651? O que as designações "6xxx" e "7xxx" significam? E o que indicam "T6" e "T651"?

Falando nisso, devemos mencionar a classificação e o método de nomeação das ligas de alumínio.

2. Classificação das ligas de alumínio

(1) Forjado e alumínio fundido ligas:

Sabemos que as ligas de alumínio têm como base o alumínio e são adicionadas a um ou dois elementos de liga principais que têm características metálicas.

Na maioria das ligas de alumínio, o teor de alumínio está entre 90% e 96%, e outros elementos de liga incluem cobre, zinco, manganês, magnésio, silício, etc.

De acordo com o tipo de processo de produção, as ligas de alumínio podem ser classificadas em ligas de alumínio forjadas e alumínio fundido ligas.

As ligas de alumínio forjadas são produzidas na forma de lingotes ou tarugos e, em seguida, processadas por meio de vários processos, como laminação, extrusão, deformação, trefilação etc., para produzir ligas que possam ser usinadas em peças pelos usuários finais.

As ligas de alumínio fundido são fabricadas por métodos de fundição para produzir ligas de lingotes.

Ligas de alumínio forjadas e ligas de alumínio fundidas.

As ligas de alumínio forjadas não contêm mais do que 41 elementos de ligaTP3T, enquanto as ligas de alumínio fundidas têm uma composição de liga superior a 10%.

Isso ocorre porque o maior teor de elementos de liga leva a uma menor ductilidade, o que pode dificultar o processamento posterior.

Portanto, na engenharia prática, a maioria dos casos usa ligas de alumínio forjadas, como as comumente usadas 6061, 7075, 5083, 1100 e até mesmo AL-Li8090-T8771.

(2) Ligas de alumínio tratáveis termicamente e ligas de alumínio não tratáveis termicamente.

As ligas de alumínio também podem ser classificadas em categorias tratáveis e não tratáveis termicamente com base no fato de poderem ou não passar por tratamento térmico. As ligas de alumínio tratáveis termicamente dependem dos principais elementos de liga (e de alguns elementos menores) para proporcionar uma solução sólida significativa e endurecimento por precipitação durante o processo de envelhecimento, melhorando, assim, o resistência e dureza da liga.

Isso envolve vários conceitos, como tratamento térmico de solução sólida e envelhecimento. Posteriormente, abordaremos outros conceitos relacionados ao fortalecimento da liga, como trabalho a frio e endurecimento por deformação.

O trabalho a frio se refere à deformação plástica que ocorre em metais a uma determinada temperatura e taxa, o que permite o endurecimento por deformação - por exemplo, por meio de laminação ou trefilação - para aumentar a resistência.

O princípio por trás do trabalho a frio é que ele cria deslocamentos e vacâncias na microestrutura, o que suprime o movimento relativo entre os átomos e, por fim, aumenta a resistência da liga.

O endurecimento por deformação é uma forma de modificar a estrutura do metal por meio do trabalho a frio, o que aumenta a resistência e a dureza, mas diminui a ductilidade. Consulte a Figura 4 deste artigo para entender melhor o endurecimento por deformação.

O tratamento térmico de solução sólida é um método de aquecimento de um produto a uma temperatura adequada e sua manutenção por um período de tempo suficiente para permitir que os solutos entrem em soluções sólidas, seguido de resfriamento rápido para manter os elementos solutos na solução sólida.

No caso das ligas de alumínio, o tratamento térmico de solução sólida envolve o aquecimento da liga a uma temperatura alta de 440℃-530℃ (a temperatura específica depende dos elementos de liga), com o objetivo de dissolver os elementos de liga no alumínio para amolecê-lo.

Em geral, o material é temperado em água para manter a distribuição dos elementos solúveis na liga.

O envelhecimento refere-se à precipitação de átomos de soluto de uma solução sólida supersaturada após o tratamento térmico da solução sólida. Isso pode ocorrer naturalmente à temperatura ambiente ou artificialmente em um forno de baixa temperatura, resultando em uma precipitação atômica mais fina e, portanto, melhorando a resistência da liga.

No caso das ligas de alumínio, o envelhecimento é o processo de precipitação de uma parte dos elementos de liga ou compostos da solução sólida supersaturada para produzir as propriedades mecânicas desejadas.

Após o tratamento térmico de solução sólida e a têmpera, o material é relativamente macio, o que o torna adequado para ser esticado para fortalecer o material.

Se o material for deixado para envelhecer naturalmente no ar após a têmpera, ele se tornará gradualmente mais duro. Entretanto, essa mudança ocorre muito lentamente, e algumas ligas podem levar vários anos para atingir sua dureza máxima.

Como alternativa, se o material for imediatamente submetido a um envelhecimento artificial, por meio do qual ele é aquecido novamente a 100-200°C e mantido por um determinado período de tempo, ele endurecerá devido à precipitação de compostos de endurecimento e sua resistência aumentará muito.

No processo de envelhecimento, é fundamental controlar adequadamente a temperatura e o tempo. Uma temperatura alta com um longo tempo de envelhecimento pode resultar na formação de elementos de precipitação maiores e reduzir muito o efeito de endurecimento por precipitação.

Por outro lado, uma temperatura de envelhecimento muito baixa consumirá muito tempo de precipitação para produzir bons efeitos de reforço. Um tempo maior significa menor eficiência e maior custo.

Recozimento: aquecimento e resfriamento lento para eliminar estresse interno e melhorar a resistência.

Temperamento: reaquecimento após a têmpera. A palavra inglesa "temper" também significa ficar com raiva. Quando alguém está calmo, seu temperamento é pequeno, mas quando fica com raiva, seu temperamento se inflama. Pode-se entender que quando alguém fica com raiva, seu temperamento volta, daí o termo "tempering" (apenas para facilitar a memorização).

Agora que já explicamos vários conceitos, vamos continuar.

As ligas de alumínio não tratáveis termicamente não podem proporcionar efeitos significativos de endurecimento por solução sólida e precipitação com seus elementos de liga primários durante o tratamento térmico de solução e os processos de envelhecimento. Portanto, sua resistência só pode ser melhorada por meio de métodos de endurecimento por deformação, como laminação a frio ou trefilação.

Por exemplo, as ligas de alumínio para forjamento das classes 1, 3 e 5 não são tratáveis termicamente, enquanto as classes 2, 6 e 7 podem ser tratadas termicamente.

Para ligas de alumínio fundido, os tipos 1, 4 e 5 não podem ser tratados termicamente, enquanto os tipos 2, 3, 7 e 8 podem ser tratados termicamente.

As ligas de alumínio não tratáveis termicamente só podem ter sua resistência aumentada por meio de processos de endurecimento por trabalho, como laminação e trefilação, que criam deslocamentos e vacâncias na estrutura, inibindo o movimento atômico relativo e, assim, aumentando a resistência da liga.

As ligas de alumínio tratáveis termicamente podem ter sua resistência aumentada por meio de tratamento térmico e endurecimento por trabalho.

Em outras palavras, o fato de uma liga de alumínio poder ou não ser tratada termicamente determina seu método de reforço.

3. Representação de ligas de alumínio

As ligas de alumínio são representadas por quatro dígitos seguidos de alguns símbolos, como 5083-H112, 7075-T73, etc.

O método de representação também faz uma distinção clara entre ligas de alumínio forjadas e ligas de alumínio fundidas.

Há um ponto decimal nos primeiros 4 dígitos das ligas de alumínio fundido, enquanto não há ponto decimal nas ligas de alumínio forjado.

Por exemplo, 1xxx, 3xxx, 5xxx e 7xxx representam ligas de alumínio forjadas, enquanto 1xx.x, 3xx.x, 5xx.x e 7xx.x representam ligas de alumínio fundidas.

Como as ligas de alumínio forjadas são mais comumente usadas na engenharia real, vou me concentrar principalmente nas ligas de alumínio forjadas a seguir.

O primeiro dígito representa o tipo de liga de alumínio, que consiste em dígitos de 1 a 9, com diferentes dígitos representando diferentes composições de liga.

O segundo dígito representa a modificação da composição da liga, em que 0 representa a composição original, 1 representa a primeira modificação, 2 representa a segunda modificação e assim por diante, indicando as diferenças no conteúdo de diferentes elementos de liga. Por exemplo, 7075 representa a liga original de alumínio-zinco, enquanto 7175 e 7475 representam ligas modificadas de alumínio-zinco. 7175 e 7475 são graus modificados de 7075.

O terceiro e o quarto dígitos representam ligas específicas na série de ligas. Os valores desses dígitos não têm significado especial.

Série 1xxx

O 1xxx série de alumínio não são de fato ligas de alumínio verdadeiras, pois seu conteúdo de alumínio é 99%, o que as torna alumínio comercialmente puro.

Em termos de mecânica, esse tipo de liga tem boa ductilidade. Por exemplo, o 1100 é comumente usado para chapa metálica e para embalagens comuns de folhas de alumínio para produtos farmacêuticos e alimentícios, que também são feitas de ligas da série 1xxx.

Além disso, as ligas da série 1xxx têm boa resistência à corrosão, processabilidade e podem ser endurecidas por processamento para aumentar sua resistência.

Devido à sua excelente condutividade e condutividade térmica, essas ligas são amplamente utilizadas no campo da transmissão de energia.

Série 2xxx

O principal elemento de liga da série 2xxx é o cobre, com uma pequena quantidade de magnésio.

Como o cobre pode se dissolver no alumínio em altas temperaturas, esse tipo de liga reage ao fortalecimento da solução sólida e é chamado de liga de alumínio tratável termicamente.

Após o tratamento térmico, ele pode ter excelente resistência, comparável à do aço de baixo carbono.

É claro que, devido à presença do cobre, ele também é mais suscetível à corrosão.

O 2024 é uma liga de alumínio típica e amplamente utilizada da série 2xxx.

Série 3xxx

O principal elemento de liga das ligas de alumínio classe 3 é o manganês.

Essas ligas têm resistência moderada e excelente trabalhabilidade.

Por exemplo, a liga de alumínio 3003 dessa classe é comumente usada para dispositivos de dissipação de calor devido à sua boa conformabilidade.

Outro exemplo é a liga de alumínio 3004, que tem boa ductilidade e capacidade de trabalho e é frequentemente usada na fabricação de latas de bebidas.

Série 4xxx

O principal elemento de liga das ligas de alumínio classe 4 é o silício.

A adição de silício pode diminuir o ponto de fusão sem afetar a ductilidade. Portanto, essas ligas são normalmente usadas como fios de solda para conectar outros metais. materiais de alumínio.

Além disso, a camada de óxido das ligas da classe 4 é esteticamente agradável, o que as torna populares em aplicações de construção. A liga mais representativa dessa classe é a 4047, que tem boa condutividade térmica e elétrica, além de resistência à corrosão.

Essas ligas geralmente não são tratáveis termicamente, mas, dependendo do teor de silício e de outros elementos de liga, algumas podem ser submetidas a um certo grau de tratamento térmico.

Série 5xxx

O principal elemento das ligas de alumínio classe 5 é o magnésio, com uma pequena quantidade de manganês em ligas específicas.

Essas ligas podem ser reforçadas por endurecimento por deformação, são fáceis de soldar e têm excelente resistência à corrosão, o que as torna adequadas para ambientes marítimos, como cascos de navios, passarelas e outros equipamentos marítimos.

Por exemplo, a liga 5052 tem boa resistência à corrosão pela água do mar e excelente conformabilidade, o que a torna comumente usada em embarcações marítimas. A liga 5083 é adequada para tanques e aviões de combate, enquanto a liga 5005 é frequentemente usada em estruturas de construção.

A série 6xxx

Os principais elementos de liga da liga de alumínio da série 6xxx são o magnésio e o silício, que formarão Mg2Si durante o tratamento térmico de solução sólida.

Esse tipo de liga pode melhorar sua resistência por meio de tratamento térmico. Embora não tenha a alta resistência das ligas de alumínio das séries 2xxx e 7xxx, ela combina boa resistência e capacidade de trabalho, soldabilidade, conformabilidade e resistência à corrosão.

A liga da série 6xxx produzida por extrusão é a primeira opção nos campos da engenharia mecânica e estrutural.

Por exemplo, Liga de alumínio 6061 é a liga de alumínio tratável termicamente mais flexível, que mantém a maioria das excelentes características do alumínio. Portanto, é também a liga de alumínio usada com mais frequência em nossos projetos. Essa classe tem uma ampla gama de propriedades mecânicas e resistência à corrosão, excelente trabalhabilidade em condições recozidas, pode ser processada por métodos convencionais e também pode ser soldada.

Ligas de alumínio da série 7xxx

O principal elemento de liga das ligas de alumínio da série 7xxx é o zinco, geralmente com uma certa quantidade de cobre e magnésio.

Devido ao uso do zinco, esse tipo de liga é o mais forte entre todas as ligas de forjamento, e sua resistência pode até superar a de alguns aços.

Por esse motivo, as ligas 7xxx são comumente usadas no setor aeronáutico. Embora a adição de zinco reduza sua capacidade de trabalho, sua excelente resistência compensa essas deficiências.

Por exemplo, a liga de alumínio 7075, por ter uma excelente relação resistência/peso, é a escolha ideal para peças de alta tensão. Ela pode ser formada e processada de acordo com as necessidades, bem como tratada termicamente e em outras operações.

Ligas de alumínio da série 8xxx

As ligas de alumínio da série 8xxx usam elementos incomuns como elementos de liga, como lítio, estanho ou ferro.

Esse tipo de liga é geralmente usado em aplicações específicas, como desempenho em alta temperatura, menor densidade, maior rigidez e outros requisitos.

Por exemplo, a liga de alumínio-lítio 8090-T8771 é usada para rotação de alta velocidade, baixo momento de inércia e mesa giratória grande de alta rigidez.

As ligas 8xxx também são comumente usadas em componentes de helicópteros e outras aplicações aeroespaciais.

4. Tratamento de têmpera de ligas de alumínio

As ligas de alumínio são agrupadas e representadas por números de quatro dígitos, com diferentes dígitos representando diferentes composições de liga.

Por exemplo, o principal elemento de liga das ligas 2xxx é o cobre, enquanto os principais elementos de liga das ligas de alumínio 6xxx são o magnésio e o silício, e o principal elemento das ligas de alumínio 7xxx é o zinco.

Tratamento térmico da liga de alumínio é representado por letras maiúsculas e números.

Letras maiúsculas, como F, O, H, W, T, etc., representam diferentes tipos de tratamentos térmicos.

Por exemplo, 6061-T6: essa liga de alumínio pertence à liga de alumínio da série 6xxx, que é uma liga de alumínio-magnésio-silício, submetida a tratamento térmico de solução sólida e, em seguida, a envelhecimento artificial: T6.

Outro exemplo é o 7075-T651, que é basicamente temperado como T6. Isso significa que foi submetido a tratamento térmico de solução sólida, têmpera e, em seguida, envelhecimento artificial. O número 5 representa o alívio de tensão, e o número 1 indica que o alongamento após o alívio de tensão está entre 0,5-2%.

Métodos de têmpera e reforço para ligas de alumínio

Os significados específicos das diferentes letras são os seguintes:

F = As Fabricated, representando produtos feitos por meio de processos de conformação.

Essas ligas não têm requisitos especiais para endurecimento por deformação e tratamento térmico, e podem receber alguma têmpera durante o processo de conformação. Não há limitações quanto às propriedades mecânicas.

Por exemplo, 2014-F representa um produto formado de liga de alumínio 2014, que pode ser formado por laminação, extrusão, forjamento, trefilação ou fundição, e esses processos não têm controle especial sobre as condições térmicas.

O: Recozido

O principal finalidade do recozimento é melhorar a trabalhabilidade, a ductilidade e o alongamento, e levar as ligas de alumínio ao seu estado de resistência mais baixo.

Por exemplo, 5083-O representa qualquer forma de produto de 5083, cujo tratamento mais recente foi o aquecimento a alta temperatura de 345°C e, em seguida, o resfriamento natural até a temperatura ambiente.

H: Endurecido por tensão

Para ligas de alumínio não tratáveis termicamente, a resistência é geralmente aumentada pelo endurecimento por deformação à temperatura ambiente. H geralmente tem 2 ou 3 símbolos, indicando a quantidade de trabalho a frio e o tratamento térmico subsequente.

Por exemplo, o primeiro número após H, H1 representa apenas o endurecimento por deformação, H2 representa o endurecimento por deformação e recozimento parcial, H3 representa o endurecimento por deformação seguido de estabilização em baixa temperatura e H4 representa o endurecimento por deformação e pintura.

Os significados específicos de H1-H4 são os seguintes:

H1: Nenhum processo de tratamento térmico, apenas endurecimento por deformação para aumentar a resistência. O valor numérico após esse código representa o grau de endurecimento.

H2: endurecimento por deformação e recozimento parcial. Usado para produtos que sofreram excesso de endurecimento por deformação e, em seguida, foram parcialmente recozidos para reduzir a resistência ao nível exigido. O número após H2 representa o endurecimento por deformação restante após o recozimento.

H3: endurecimento por deformação e estabilização em baixa temperatura. Usado para produtos que sofreram endurecimento por deformação e depois foram estabilizados em baixa temperatura para reduzir a resistência e aumentar a ductilidade. O número após esse símbolo representa o endurecimento restante após o endurecimento por deformação e a estabilização em baixa temperatura.

O segundo número após H, como X em H1X, representa o nível real de endurecimento por deformação da liga.

Por exemplo, X em H2X representa a quantidade efetiva de trabalho a frio restante após exceder a quantidade necessária de trabalho a frio e recozimento parcial.

X em H3X representa a quantidade efetiva de trabalho a frio remanescente após o trabalho a frio e o tratamento de estabilização de temperatura.

X em H4X representa a quantidade efetiva de trabalho a frio remanescente após o trabalho a frio, a formação subsequente e os processos de pintura que envolvem exposição ao calor.

Conforme mencionado acima, o segundo dígito após H representa o grau de endurecimento por deformação. Se um número seguir HX (X = 1, 2, 3, 4), o significado específico é o seguinte:

2: 1/4 da quantidade de endurecimento.

4: 1/2 quantidade de endurecimento.

6: 3/4 da quantidade de endurecimento.

8: Quantidade total de endurecimento.

9: Quantidade excessiva de endurecimento.

Em resumo, o segundo dígito após H representa a quantidade restante de trabalho a frio.

O terceiro dígito após o H, como HXX1, é uma variação da têmpera de dois dígitos, usada para controlar propriedades mecânicas ou usinagem de precisão, mas as diferenças geralmente não são significativas.

Por exemplo, H111 representa o recozimento seguido de um leve endurecimento por deformação durante o estiramento, que geralmente é usado para perfis extrudados que devem ser endireitados após o recozimento para obter tolerância de retidão.

O H112 é usado para produtos que sofreram um leve revenimento por meio de processos de formação de alta temperatura e não têm controle especial sobre o endurecimento por deformação e as quantidades de tratamento térmico, mas têm determinados requisitos de propriedades mecânicas.

H111, H311 e H321 são usados para ligas com menos endurecimento do que H11, H31 e H32.

W: Solução tratada termicamente

Essa é uma têmpera instável e só é aplicada a ligas que passaram por tratamento térmico de solução e, em seguida, por envelhecimento natural em temperatura ambiente. Esse símbolo é usado somente quando é necessário um período de envelhecimento natural especificado.

T: Tratado termicamente, tratado termicamente

T representa o tratamento térmico, que produz uma têmpera estável diferente de F, O ou H após o tratamento térmico.

T é o símbolo mais amplamente usado em ligas tratáveis termicamente e pode ser usado para qualquer liga tratável termicamente.

Após o tratamento térmico em solução, as ligas tratáveis termicamente geralmente são resfriadas rapidamente e envelhecidas natural ou artificialmente.

Sempre há um ou mais números após T para definir os diferentes tratamentos subsequentes.

T1: Após a formação e o resfriamento em alta temperatura, envelhecimento natural até o estado básico estabilizado.

Usado para produtos que passam por um processo de formação em alta temperatura (como fundição ou extrusão) e, em seguida, por um tratamento de envelhecimento em temperatura ambiente de acordo com uma taxa de resfriamento suficiente para aumentar a resistência.

Aplicável a produtos que não tenham sido trabalhados a frio após a formação e o resfriamento em alta temperatura ou produtos cujo efeito sobre as propriedades mecânicas, como achatamento ou alongamento, não seja significativo.

T2: Após a formação e o resfriamento em alta temperatura, o trabalho a frio e o envelhecimento natural até o estado estabilizado.

T3: Solução tratada termicamente, depois trabalhada a frio e, por fim, envelhecida naturalmente até o estado estável. Usado para produtos que podem ser reforçados por trabalho a frio, como achatamento ou alongamento.

T4: Solução tratada termicamente e, em seguida, envelhecida naturalmente até o estado estabilizado. Usado para produtos que não foram trabalhados a frio após o tratamento térmico da solução ou produtos cujo trabalho a frio não pode aumentar a resistência.

T5: Após a formação e o resfriamento em alta temperatura, envelhecido artificialmente. Usado para produtos que passam por formação em alta temperatura (como fundição ou extrusão) e resfriamento e, em seguida, envelhecidos artificialmente para melhorar a resistência mecânica e a estabilidade dimensional.

T6: Tratamento térmico em solução e, em seguida, envelhecido artificialmente. Usado para produtos que não foram trabalhados a frio após o tratamento térmico da solução ou para produtos cujo trabalho a frio não pode aumentar a resistência.

T7: Solução tratada termicamente e, em seguida, envelhecida no forno para estabilizar. O objetivo da estabilização é aumentar sua resistência à tração.

T8: Solução tratada termicamente, depois trabalhada a frio para endurecer e, por fim, envelhecida artificialmente. Usado para produtos que podem ser reforçados por trabalho a frio, como achatamento ou alongamento.

T9: Solução tratada termicamente, depois envelhecida artificialmente para endurecer e, por fim, trabalhada a frio para aumentar a resistência.

T10: após a formação e o resfriamento em alta temperatura, é trabalhado a frio e, em seguida, envelhecido artificialmente para atingir o endurecimento por precipitação.

5. A diferença entre 6061-T6 e 7075-T651.

Neste ponto, temos uma compreensão global dos sistemas de liga de alumínio.

Então, agora vamos falar sobre 6061 e 7075, que devem ser relativamente fáceis de entender.

Vamos primeiro apresentar os resultados e depois nos aprofundar nos detalhes.

Comparação do desempenho entre as ligas de alumínio 6061 e 7075.

6061-T6: essa liga de alumínio pertence à sexta categoria de ligas de alumínio-magnésio-silício e foi submetida a um tratamento térmico de solução e a um tratamento de envelhecimento artificial: T6.

T6″ indica que a liga de alumínio foi submetida a tratamento térmico de têmpera.

Esse tratamento térmico é dividido em duas etapas. Na primeira etapa, a liga é aquecida a uma temperatura constante de aproximadamente 527°C e mantida por cerca de 1 hora para dissolver os elementos de liga no alumínio e distribuí-los uniformemente no alumínio.

Em seguida, a liga é removida e rapidamente resfriada em água fria para reter os elementos de liga, como o magnésio e o silício, em uma posição fixa. Se a peça for resfriada lentamente, geralmente ocorre a precipitação do elemento de liga.

A segunda etapa, o tratamento de envelhecimento, consiste em reaquecer a peça de trabalho a 177°C e mantê-la aquecida por 1 a 18 horas (o tempo de espera específico é determinado de acordo com fatores como o tamanho, a forma e a aplicação da peça de trabalho). O objetivo dessa etapa é precipitar e fortalecer o elemento de endurecimento Mg2Si na liga de alumínio.

7075-T651: essa é uma liga típica da série 7, que é uma liga de alumínio com zinco como principal elemento de liga.

Seu tipo de tratamento térmico é semelhante ao 6061-T6, e a têmpera básica é T6, indicando tratamento térmico de solução, seguido de têmpera e, por fim, envelhecimento artificial. Os elementos de reforço do envelhecimento são Mg e ZnAlCu2.

Uma diferença é que "5" indica que ele foi esticado para liberar a tensão, e "1" indica que a quantidade de tensão liberada pelo estiramento é de 0,5-2%.