Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales. Vol. 6. Nos. 1 & 2 (1986)

A Microestrutura de Chapas Laminadas a Quente da Liga de Aluminio 3003

Fernando Cerqueira PimentaJr.*, Waldemar Alfredo Monteiro t ,Angelo Fernando Padilha t.* Divisáo de Metalurgia, Instituto de Pesquisas Tecnológicas, Ciudade Universitária, 05508 Sáo Paulo-SP, Brasil

t Departamento de Metalurgia Nuclear, Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares, Cidade Universitária, 05508Sáo Paulo-SP, Brasil

A microestrutura de chapas laminadas a quente la liga 3003 foi estudada utilizando-se várias técnicas complen¡¡entares de análisemicroestrutural. Foram estudados a distribuicüo e arranjo das discordancias e a quantidade. tarnanho, cornposicao e estrutura crista-lina das faes presentes.

The Microstructure of Hot Rolled Sheets of Aluminium Alloy 3003

The microstructure of-hot rolled sheets of alloy 3003 has been studied with the aid ofvarious complementary microstructural analysistechniques. The distribution and arrangementof dislocations as well as quantity, size, composition and crystalline structure ofthe ph a-ses present have been studied.

1. INTRODUC;AO

As ligas de alumínio da série 3000 (AI-Mn-Fe-Si)estáo entre as mais antigas e mais utilizadas das ligastrabalhadas. Do ponto de vista de utilizaeño, estas ligasse situam entre o alumínio comercialmente puro e asligas de alumÍnio de alta resistencia endurecíveis porprecipitacáo coerente. A adicáo de manganas propor-ciona aumento na resistencia el.tracáo e na temperaturade recristalizacáo, causando somente urna pequen a re-ducáo na dutilidade. A resistencia el.corrosáo é equiva-lente a do alumínio comercialmente puro (AI-Fe-Si). Adespeito de estas ligas serem bastante conhecidas, algu-mas dúvidas relativas aos seus constituintes micrciestru-turais ainda remanescem.

O primeiro trabalho sistemático sobre as fases pre-sentes na liga se deve a Sperry [1]. o qual identifica qua-tro fases no material bruto de fusáo: a matriz e partículasprecipitadas de A~(Mn, Fe), a-AI(Mn, Fe) e Si.

Furrer e Hausch [2], utilizando técnicas mais mo-dernas, encontraram apenas dois precipitados no mate-rial bruto de fusáo: 85% de A4(Fe, Mn) e 15% dea-AI12(Fe, Mnh Si. Após homogeneízacáo a 620 DC por 16horas, a quantidade de A4(Fe, Mn) diminuía de 85% para35%, com consequente aumento da fase a.

Mathewe co-autores [3], em trabalho recente, cons-tataram que após homogeneizacáo a 645°C a liga apre-sentava apenas precipitados de a-AI12(Fe, Mn)3Si.

Com relacáo el.estrutura cristalina das fases, sabe-se que a fase A4 (Fe, Mn) é tradicionalmente aceita comoortorrórnbica, enquanto que sobre a estrutura cristalinada fase a, permanecem ainda algumas dúvidas. Munson[4] sugere que a fase ternária a-AIFeSi tem estruturahexagonal e que a fase quaternária a-AlfeMSi, ondeM = V, Cr, Mn, Cu, Mo e W, é cúbica de corpo centrado.Tanto Furrer e Hausch como Mathew e coautores in-dexaram-na como cúbica.

O objetivo do presente trabalho é estudar a microes-trutura de chapas laminadas a quente da liga 3003, utili-

zando várias técnicas metalográficas complementares,tais como microscopia ótica, microcoscopia eletrónicade transmissáo. microssonda eletrónica e difracáo deraios X.

2. MATERIAL E TECNICAS DE ANALISEMICROESTRUCTURAL

O material analisado foi obtido industrialmente porlingotamento semícontínuo na forma de placas com 250mm de espessura seguido de tratamento térmico dehornogeneizacáo em torno de 600°C e posteriormentelaminado a quente até a espessura de 6 mrn. A composi-cáo química em peso era a seguinte: Al; 0,90% Mn; O,65r"Fe; 0,19% Si; 0,14% Cu; 0,014% Ti e outros elementos emteores menores que 0,01 %.

A microestrutura da liga foi pesquisad a por meio denumerosas técnics complementares. A morfología, aquantidade, o tamanho e a distribuicáo das fases presen-tes foram estudados por microscopia ética, As amostraspara microscopia ótica e medidas de mieroduroza forampolidas eletroliticamente utilizando-se como eletrólito700 mi de alcool etílico, 120 mi de água destilada, 100 mide butil glicol e 68 mi de ácido perclórico, Aplícou-se urnatensáo de 14 volts por um tempo de 20 segundos. Estasamostras foram observada" sem ataque e corn iliminacáoconvencional. Para avaliar se as amostras estavam te-cristalizadas ou apenas recuperadas, elas eram poste-riormente anodizadas e observadas com luz polarizada.O eletrólito utilizado na anodizacáo consistiu de 9 mi deácido fluobórico em 400 mi de água destilada. A tensáoaplicada foi de 20 volts e o tempo de anodizacño foi de 60segundos. Esta técnica permitiu separar claramente asregióes recristalizádas das regióes nao recristalizadas.A distribuicáo dos elementos de liga, Mn, Fe e Si nasdiversas fases foi obtida com auxílio de urna microssondaeletrónica por análise de comprimentos de onda.

A estrutura cristalina das fases foi estudada pordifracáo de raios X. A difracáo em superficie polida,utilizando-se un difratometro com radíacao Cu K a. teve

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o objetivo de determinar o parárnetro de rede da matriz.Para a difracáo de raios X das partículas de precipitadoshouve necessidade de sua extracáo, por ser a fracáo volu-métrica dos precipitados relativamente baixa. Os preci-'pitados extraídos foram analisados en urna cámara deDebye - Scherrer com radiacáo Cu K a.

Para a extracáo dos precipitados foram utilizadosdois métodos. Um dos métodos é o método químico pro-posto por Sperry 111. onde se utiliza urna solucáo de iodoem metano! para a dissolucáo da matriz. Este métodonao apresentou bons resultados pois o iodo atacava osprecipitados. O outro método, eletroquímico. utilizacomo eletrólito a mesma solucáo para o poliento eletrolí-tico mencionada acirna. com urna tensáo de 50 volts. Apósdissolucáo da matriz, os precipitados erarn filtrados sobvácuo com filtro de membrana de PTFE corn tamanho deporo de 0.2 urn, lavados, secos, e analisados por dífracáode raios X.

A subertrutura de discordancias e detalhes dos pre-cipitados foram observados com um microscópio eletró-nico de transmissáo (MET). Amostras para MET comformato de discos com diámetro de 3 mm e espessura daordem de 250 Mmforam obtidas por eletroerosáo. Para seobter regióes transrnissiveis aos elétrons, estes discosforam poli dos eletrolíticamente por jato duplo. O eletró-lito utilizado foi o mesmo usado para poli mento eletrolí-tico das amostras para microscopia ática. A tensáoaplicada neste caso foi de 50 volts,

As medidas de microdureza Vickers representam amédia de pelo menos 7 penetracóes utilizando-se cargade 0.1 kg. '

3. RESULTADOS E DISCUSSAO

A tabela 1 apresenta os valores de rnicrodureza Víc-kers e de fracáo volumétrica porcentual de partículasprecipitadas do material laminado a quente, em compa-racáo com amostras posteriormente recozidas a 630 e370 DC por 2 e 10 horas, respectivamente. A cornparacáoentre os valores de microdureza sugerem que o materiallaminado a quente, ao contrário das amostras que sofre-ram recozimentos posteriores, nao estava completa-mente recristalizado. Observacóes de amos tras anodi-zadas por microscopia ética, utilizando-se luz polari-zada, confirmaram esta suposicáo. As amostras recozi-das apresentavam graos completamente recristalizados,com cores definidas e homogéneas para cada posicáo daplatina rotativa, enquanto os graos da amostras lami-nada a quente apresentavam claras evidencias de defor-rnacao, tais como mistura de várias cores dentro de ummesmo grao. Micrografias coloridas evidenciando estefato podem ser encontradas na dissertacáo de mestradode um dos autores [5]. As medidas de fracáo volumétricade partículasde precipitados indicaram que, após a lami-nacáo a quente, a fracáo relativa das fases está próximada de equilibrio e pouco pode ser alterada por tratamen-tos posteriores, mesmo em alta temperatura como 630°C.

Para observaeáo mais detalhada da microestruturafoi usado o .microscópio eletrónico de transmissáo, Afigural apresenta alguns aspectos microestruturais que

nao puderam ser observados por microscopia ética, Osgraos estáo subdivididos em subgráos com diámetro nafaixa de 1 a 6 /J- m. O interior dos subgráos contém urnarede de discordancias. A subestrutura composta de sub-graos bem definidos, maiores que 2 Mm e contendo relati-vamente poucas discordancias no seu interior é típica dealumínio deformado a quente. As discordancias no inte-rior dos subgráos provavelmente se formaram duranteos últimos passos de laminacáo quando o material jáestava relativamente frio. Nao se eonstatou por MET, emconcordancia com as observacóes feitas por microscopiaática, a presenca de novos graos recristalizados. Poroutro lado, a presenca de subgráos bem definidos sugerea ocorréncia de acentuada recuperacáo. Além da subes-trutura de discordancias, pode-se observar precipitadosde duas classes distintas de tamanho: precipitados finosmenores qu 0,3 /J- m e precipitados grosseiros com ta-manho comparável ao tamanho dos subgráos. Os precí-pitados grosseiros sáo, muito provavelmerite, precipi-tados primários enquanto que os finos devem ter precipi-tado durante o processamento termomecánico do ma-terial.

TABLA 1

TRATAMENTOS TERMICOS, MICRODUREZAVICKERS E FRACAo VOLUMETRICA

DE PRECIPITADOS

Microdureza Vickers Fracao volumétricaEstado (Kg/m~) de precipitados (%)

laminado a quente 47,5± 2,2 4,9± 1.2

recozido 370 'C10 horas 29.3± 0.7 3.9± 1,1

recozido 630°C2 horas 33,8± 0,4 3.5± 1.4

A Fig. 2 apresenta detalhes dos precípitados gros-seiros. O precipitado maior da figura 2b apresenta nume-rosas discordancias no seu interior, indicando que estetipo dé precipitado pode acomodar alguma deforrnacáo.As discordancias no interior das partículas e as discor-dancias da matriz apresentam morfologia e distribuicáodistintas. Isto é explicado porque a matriz e os precipita-dos tém estrutura cristalina, propriedades elásticas ecomportamento mecánico completamente distintos. Aná-Iises preliminares de difracáo de elétrons em área sele-cionada (vide Fig. 3) sugerem que eles tém estruturacristalina ortorrómbica. A presenca de precipitadosortorrómbicos nesta liga foi posteriormente confirmadapor difracáo de raios X do resíduo extraido. Deve-seainda destacar que os numerosos pequen os pontos escu-ros observáveis no interior dos subgráos das Figs.lb, lc eId sáo anéis de discordancias produzidos pelo feixe ele-trónico devido a ob ervacao de urna mesma regiáo portempo muito longo.

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Ta)

-{el

(bJ

Fig. l. Micrografias eletl'ÓnieaS de transmissáo mostrando subgráos e partículas de precipitados. a) 5000 X, b) 10.000 X. el 15:000

X e dl 15.000 X.

( d)

A particáo dos elementos de liga nas diversas fasesfoi estudada por análise de comprimentos de onda errurna microssonda eletrónica, A Fig. 4 apresenta a partícao do Mn, Fe e Si rias fases. Pode-se observar que ésteselementos estáo concentrados preferencial mente naspartículas de precipitados. Foi também possível obser-var que todas as partículas contém Fe e Mn ma nem todas

contém Si sugerindo a existencia de mais de um tipode precipitado.

Por meio de difracao de raios X determinou-se oparámetro de rede da matriz (vide Tabela II). A compa-racáo do parárnetro de rede obtido com o do alumíniopuro corrobora a afirmacáo de que os elementos de ligaestáo concentrados nas partículas. Em outras palavras,

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( a)

(b)

Fig, 2. Micrografías .iletrónicas 'de transrnissáo mostrando partículas grosseira, de precipitados. a) 15.000 X e b) 10.000 X.

as solubilidades do Fe, do, Mn e do Si nesta liga sáomuito baixas.

Para se determinar a estrutura cristalina dos preci-pitados foi necessária, devido a sua baixafracáo volumé-trica, a extracáo dos precipitados e posterior dífracáo deraios X do resíduo extraído.

A tabela III apresenta os máximos de difracao doresíduo extraído e urna proposta de identificacáo destesmáximos. os resultados obtidos sugerem a presenca deduas fases no resíduo. Houve uma boa coincidencia deuma parte dos reflexos medidos com os da substanciaortorrómbica A~Mn [8]. Os refelxos medidos restantescoincidiram razoavelmente com o padráo da substanciahexagonal a-AIFeSi [9]. Deve-se todavia salientar quevários autores [3-4] afirman que a fase quaternária a-AIFeMnSi tem estrutura cristalina cúbica.

Fig. 3. Dífracáo de elétrons do precipitado maior da figura an- .terior.

TABELA Il

PARAMETROS DE RED E DO ALUMINIO (aJ

(A; Referéencia Observayao

4,054,04944,0497

este trabalho(6)(7)

liga 3003aluminio puroalumínio puro

4. CONCLUSOES

As experiencias realizadas permiten afirmar que;

- A larninacáo a quente produziu urna microestru-tura fortemente recuperada sem novos graosrecristalizados;

- As solubilidades do Mn, do Fe e do Si nesta ligasáo muito baixas, estando o soluto praticamentetodo concentrado nas partículas de precipi-tados;

- Dois tipos de precipitados sáo identificados:Al¡¡(Fe, Mn) e aAIFe MnSi;

- As quantidades dos precipitados após a lamina-cao a quente estao próximas das de equilibrio:

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Fig. 4. Imagens dos precipitados obtidos com a mícrossonda, au-mento 1.500 X. a) elétrons secundários, b) raios X de Mn, e)raios X de Fe, d) raios X de Si.

- A distribuicáo e o tamanho das espécies presen-tes na microestrutura (defeitos cristalinos e pre-cipitados) podem ser associados as etapas deprocessamento do material.

BIBLIOGRAFIA

1. Sperry, P. R.: Journal 01 Metals,7 (1955) 145.

2. Furrer, P. e Hausch, G.: Metal Science. 13 (1979) 155.

3. Mathew, E. V.; Ramaehandran, T. R.: Gupta: K. P. e Das. S.: -Journal of Materials Science Letters, 3 (1984) 605.

TABELAIII

MAXIMOS DE DIFRACAO DO RESIDUOEXTRAIDO ELETROLITICAMENTE DA LIGA

3003. DIFRATOMETRIA DE RAlOS X, RADIACAüCUKll'.

28 oIntensidade"d(A) Identijica~ao Proposta

17,94 4.94 m Al¡;(Mn, Fe)(llO)22.05 4.03 m a-AlFeMnSi(121)23,50 3.79 fa A~(Mn. Fe)(020)26.20 3,40 fa o:-AIFeMnSi(124)27.05 3.30 fa Al¡;(Mn, Fe)(1l2)28.00 3.19 fa a-AlFeMnSi(l25)34,20 2,62 mía A~(Mn, Fe)(202)35,40 2,54 mfa A~(Mn. Fe)(1l3)38.30 2.95 fa Al¡;(Mn, Fe)(130)38.90 2.315 fa a-AlFeMnSi(141)39,80 2,265 fo A~(Mn. Fe)(131)41,50 2.18 mío o:-AIFeMnSi(047)42,00 2.15 rnfo a-A1FeMnSi)051) e

A~(Mn. Fe)(222)42,70 2,12 m o:-AIFeMnSi(052)43.00 2,10 mfo A~(Mn, Fe)(310)44.00 2.06 mfo a-AIFeMnSi(331)44.70 2,03 fo A~(Mn. Fe)(311) e

o:-AIFeMnSi(240)48,22 1,89 fa A\¡(Mn, Fe) e

a-AIFeMnSi(-)48.80 1.87 mfa a-AIFeMnSi(-)

• Intensidades avaliadas visualmenteIndices de intensidade fa = fraca: fo = forte: m = média; mfo == muito forte; mfa = muito fraca,

4. Munsoñ, D.: Journal of the Institute of Metals, 95 (1967)217.

5. Pimenta Jr, F. C.: Intercáo entre precipitacao e recristalizacáoem uma liga de alumínio da série 3000-Disserta~ao de Mestrado,FEC-UNICAMP (1985).

6. Powder difracction fiJe NR-4-0787 (alumínio). Joint Comittee onPowder Diffraction Standards.

7. Cullity, B. D.: Elements of X-ray Diffraction, 2 ed., AddisonWesley, New York. 1978.506.

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