Universidade Federal de Pernambuco (UFPE)

Centro de Tecnologia e Geocincias (CTG)

Engenharia Mecnica

Ligas de Magnsio: Caractersticas e Ensaio de Fadiga

Ensaios Mecnicos

Prof. Armando Shinohara

Aluno: xxx

Introduo Como uma das ligas mais leves, foi descoberto nas ligas de magnsio de um novo interesse como materiais de engenharia, depois de terem sido exaustivamente investigadas entre 1930 e 1960 e quase nada depois disso. Especialmente nas indstrias automotivas e aeroespaciais, a economia de peso causada pelas ligas importante nas estruturas. A maioria das investigaes anteriores foi a respeito da influncia de diferentes microestruturas, tratamentos de superfcie e as condies ambientais orientadas para a vida do material, especialmente a corroso. Para peas ciclicamente carregados, a predio da vida at a fadiga sob diferentes condies de carga que ocorrem durante o servio de interesse primordial. No que diz respeito a ligas de magnsio, o comportamento elstico e de deformao plstica cclica pode ser descrito pelas relaes Basquin- e Manson-Coffin.

O magnsio O magnsio o mais leve dos metais estruturais com a densidade de 1,74 g/cm3. Contudo usado como material estrutural combinado com outros elementos, tendo a maior parte das ligas de magnsio uma densidade levemente mais elevada do que o metal puro. O magnsio um metal reativo usualmente encontrado na natureza sob a forma de xido, carbonato ou silicato, muitas vezes em combinao com o clcio. A sua elevada reatividade uma das razes pela qual a produo de magnsio requer grande quantidade de energia. O uso de magnsio centra-se em trs propriedades deste metal: a sua tendncia formao de compostos intermetlicos com outros metais; a sua alta reatividade; a sua baixa densidade.

A produo mundial de magnsio pequena quando comparada com outros metais estruturais como ao ou alumnio, o seu valor de cerca de 300000 toneladas por ano. Metade do magnsio produzido usado diretamente nas ligas de alumnio para melhoria das suas propriedades mecnicas (a adio de Mg estas ligas varia entre 1,5 e 4,5%).

Tipos de Ligas de Magnsio As ligas Mg-Al foram as primeiras a ser desenvolvidas. A adio do Al ao magnsio permite aumentar a sua resistncia mecnica e corroso. As ligas AM60 e AM100 so dois exemplos de ligas mais comercializadas.

Segue abaixo o Diagrama de fases de uma curva de resfriamento liga magnsio ( ZAXL a05413) com resfriamento,podemos verificar a presena do alumnio (como elemento majoritrio),verificando a TL estando prxima a 615 C e a Temperatuta final de solidificao ficando

prxima de 590 C.

As ligas de Mg-Al-Zn tm uma importncia industrial pois apresenta uma boa combinao de baixo peso, resistncia mecnica e resistncia corroso. A adio de zinco aumenta a resistncia desta ligas por soluo slida e precipitao. O aumento do teor deste elemento pode provocar um aumento da microporosidade e da contraco neste tipo de ligas. Estas no

so particularmente resistentes ou dcteis mas tm baixa densidade e so relativamente de fcil produo. Tm o inconveniente de no poderem ser aplicadas a uma temperatura superior a 95C.A liga AZ91 a mais utilizada, tambm a que tem maior produo na fundio injectada. A resistncia corroso do magnsio em condies normais pode ser melhorada com a diminuio dos teores de impurezas de ferro, nquel e cobre.Temos como exemplo a liga de alta pureza AZ91D. Estas ligas apresentam excelentes propriedades mecnicas, no entanto no tm uma vasta aplicao devido sua susceptibilidade microporosidade durante o vazamento; no so soldveis devido elevada quantidade de zinco (5 a 6%) e sofrem fissurao a quente. O zinco permite um aumento da resistncia da liga, enquanto o zircnio refina o gro.

Os elementos de terras raras combinados com ligas Mg-Zn-Zr produzem as ligas para fundio em areia EZ33 e ZE41. Estas ligas tm uma soldabilidade relativamente boa porque o seu baixo ponto de fuso eutctico forma uma cadeia nas ligaes dos gros durante a solidificao na qual tender a diminuir a microporosidade. No entanto, as foras de tenso temperatura ambiente das ligas EZ33-T5 e ZE41-T5 so relativamente baixas devido em parte remoo de algum Zn da soluo slida para formar as fases estveis da liga Mg-Zn-Terras Raras nas ligaes do gro. No entanto, as ligas EZ33 e ZE41 tm uma boa resistncia fadiga.

Ensaio de Fadiga com uma Liga A presente investigao foi realizada em amostras de AZ91D. A liga a quarto da srie AZ91A, AZ91B, AZ91C e AZ91D, ou seja, contm adicionalmente um pouco de mangans. A composio qumica de acordo com o fabricante dada como se segue (% em peso): 9,08% de Alumnio, 0.35% de Mangans, 0.73% de Zinco, 0.014% de Silcio, muito baixos teores de cobre, de nquel e de ons, o equilbrio de magnsio. A resistncia trao foi determinada em 180 MPa, e a tenso de escoamento a 90 MPa. O material investigado reflete a influncia bem conhecida do processo de fundio sobre as propriedades mecnicas com valores de tenso de escoamento e resistncia trao de cerca de 30% mais baixa em comparao com os valores para o estado fundido sob presso. Tal como esperado para o material fundido, a liga apresenta uma microstrutura dendrtica de no-equilbrio resultante da difuso incompleta durante os tempos de arrefecimento, em vez de curta durao. Como esperado, as duas orientaes no

mostram quaisquer diferenas particulares na microestrutura entre si. O Alumnio pobre est rodeado por um euttico interdendrtico, que consiste em um secundrio Alumnio rico que contm uma fase intermetlica Mg17Al12 (aprox. 32,5% em volume). A microscopia de luz (LM) e microscopia electrnica de varrimento (SEM) permitem muito bem distinguir as fases de Magnsio precipitado e os microporos. Investigaes por difrao de Raio-X no revelou qualquer textura do material.

A carga aumenta, bem como testes de amplitude de tenso controla constante com uma razo de tenses de R = 1 e uma onda de forma triangular. Estes foram realizados em uma mquina de ensaio de servohidrulica MTS no laboratrio temperatura ambiente com uma frequncia de 5 Hz. Em aumento de testes de carga, a carga foi aumentada a partir de 20 MPa com uma velocidade de s = 12.4 103 Mpa/ciclo at a falha. Nos testes de

amplitude constante, os as corpo de prova foram carregadas at a falha amostra ou a um nmero mximo de ciclos (Nmax) de 2 106 Mpa. O alinhamento exato das garras hidrulicas evitou que surgissem momentos de flexo sobre o corpo de prova quase totalmente. O registro de dados e avaliao foram realizadas com a ajuda software. Mudanas de superfcie e microestruturais foram caracterizados pela luz (LM) e microscopia eletrnica de varredura (MEV). As diferentes fases na superfcie de fratura foram especificadas pela anlise de raios-X de energia dispersiva (EDX) nas superfcies de fratura e medidas de dureza em sees transversais.

Para caracterizar o comportamento de deformao cclica, foram avaliadas histerese de tenso-deformao e mudanas de temperatura. A tenso foi medida com extensmetros capacitivos. Alm de histerese de tenso-deformao, medies de temperatura so muito bem adaptado para caracterizar processos de fadiga. A alterao de temperatura no comprimento de medida foi medido por trs termopares. Em comparao com os testes de amplitude constante, o aumento de carga de testes em combinao com as medies de temperatura e de histerese mecnica ofereceram uma boa possibilidade para determinar a resistncia ao escoamento cclico de um material com uma nica espcie. A resistncia ao escoamento cclico representa um bom valor de estimativa da resistncia fadiga, como tem sido demonstrado por correlacionar os resultados do aumento de carga e testes de amplitude constante.

Ligas de magnsio exibem um comportamento macroscopicamente frgil com a deformao plstica

muito localizada durante o carregamento cclico. Os valores bastante baixos da amplitude de deformao plstica causam uma dificuldade especial para determinar a resistncia deformao cclica em testes de aumento de carga. Como esperado, a anlise da variao de temperatura provoca problemas semelhantes. O desenvolvimento da amplitude de deformao plstica a alterao da temperatura no comprimento de medida da amostra em funo do nmero de ciclos de mostrado na figura abaixo para um aumento de carga de ensaio caracterstica. O aumento da amplitude da tenso versus o nmero de ciclos mostrada adicionalmente.

O comportamento de deformao cclica foi investigado em ensaios de amplitude constante controlado por tenso. Como pode ser visto a partir das curvas de deformao cclicas, um estado de saturao ou um abrandamento cclico para cerca de 100 ciclos seguido por endurecimento cclico proferido sobre a maior parte da vida em fadiga. Pouco antes da falha, as amplitudes de deformao plstica aumentar rapidamente devido ao crescimento macroscpico da rachadura. Para amplitudes de tenso intermdios (50; 60; 70 MPa), o endurecimento seguido por um estado de saturao. Perto do limite de resistncia (55 MPa), a amplitude de deformao plstica tende a zero. Para maiores amplitudes de estresse (80; 90 MPa), o amolecimento final, imediatamente segue a fase de endurecimento cclico sem saturao no meio. Em comparao com o comportamento sob carga monotnica (3.6 104 Mpa), o material apresenta um aumento no endurecimento cclico para ambas as condies de teste. O efeito o endurecimento em carga testes aumento um pouco mais acentuados em comparao com os testes de amplitude constante.

A liga de magnsio AZ91D mostra caractersticas sobre a superfcie de fratura dentro dos limites estveis de crescimento da fissura e falha final. Na figura abaixo, caractersticas da superfcie de fratura desenvolvido durante o crescimento estvel da falha podem ser vistas. A rea de crescimento instvel da falha apresenta caractersticas tpicas de um dctil bem como reas de comportamento frgil para todos os modos de teste. Isto correlaciona-se muito bem com as diferentes fases da microestrutura e as suas diferentes propriedades mecnicas. Enquanto o um mostra comportamento dctil, resultando em uma estrutura covinha, o euttico falhar de uma maneira bastante frgil. Esta suposio comprovada pela anlise dos pontos equivalentes na superfcie de fratura e medidas de dureza feitos por Raio-X de energia dispersiva. Apesar de os pequenos valores em vez de deformao plstica, bandas de deslizamento, bem como microfissuras foram observadas nas superfcies de amostra. Como pode ser visto, microfissuras foram observados na fase um (a) pelas in/extruses, bandas de deslizamento e limites das fases e (b) devido sua fragilidade.

O comportamento de deformao cclica da liga Mg-AZ91D foi caracterizado por aumento de carga e testes de amplitude constante temperatura ambiente. O limite de resistncia poderia ser estimado muito bem a partir do limite de escoamento cclico avaliados a partir dos testes de aumento de carga. Em comparao com outros mtodos, este mtodo no se baseia em estatsticas, mas, vantajosamente, considera as alteraes microestruturais, devido carga de fadiga refletida pela amplitude de deformao plstica e / ou mudanas de temperatura. Em testes de amplitude constante controlado pela tenso, AZ91D mostra endurecimento cclico para amplitudes de estresse acima do limite de resistncia (55 MPa). As curvas CSS avaliadas a partir do aumento de carga e os testes de amplitude constante so quase idnticos e ambos indicam endurecimento cclico em comparao com a carga de trao monotnica. Os

testes de deformao cclicos foram complementados por investigaes microestruturais. Microfissura formao foi observada, na superfcie da amostra (em bandas de deslizamento) e no interior do material (em poros). O crescimento da trinca foi observada a ocorrncia em ambos os testes trans e interdendrticamente, neste ltimo foi claramente mais favorvel. A falha final muitas vezes ocorre por meio de coalescncia de vrias rachaduras.

Vantagens e desvantagens O maior mercado de produo de magnsio para a fundio de componentes de automveis, particularmente nos Estados Unidos. Um dos objectivos mundiais a economia de combustvel, particularmente na indstria automvel, o modo de alcanar estes objetivos a produo de automveis mais leves, portanto, h uma grande interesse da substituio do ao por metais estruturalmente mais leves (Mg e Al).

A indstria do alumnio foi mais bem sucedida nesta substituio devido em parte, a uma boa resistncia corroso e familiaridade com o seu uso. Contudo em anos recentes o magnsio ganhou popularidade na medida em que a pureza das suas ligas foi melhorada, resultando num aumento significativo da resistncia corroso. Devido excelente capacidade de fuso das ligas de Mg-Al, grandes componentes estruturais tais como moldes de assentos, jantes e painis de instrumentos so agora fundidos com sucesso, substituindo frequentemente certos processos de formagem.

Outras grandes vantagens da fundio das ligas de magnsio so: custos mais reduzidos da maquinagem, relativamente ao alumnio; aumento do tempo de vida da ferramenta de fundio, possivelmente maior rapidez na fundio; reduo do custo de transporte dos materiais devido sua menor massa.

Um dos principais motivos para o uso do magnsio e suas lugas mundiais a economia de combustvel,particularmente na indstria automvel,ou seja,tem objetivos a produo de automveis mais leves, portanto, h uma grande interesse da substituio do ao por metais estruturalmente mais leves ( Mg e Al).So interessantes tambm devido a provavel rapidez na

fundio,a reduo dos custos de maquinagem, reduo do custo de transporte dos materiais devido sua menor massa.

As ligas de magnsio possuem propriedades bem atrativas,porm um dos motivos do qual evitado seu uso a baixa resistncia a corroso especialmente em ambientes cidos e em condies de gua e sal.

A maior desvantagem apresentada pelo magnsio e pelas suas ligas reside na fraca resistncia corroso. Como todos os metais muito oxidveis, a sua estabilidade s pode ser conseguida por meio de proteo adequada da superfcie. O magnsio e suas ligas no formam uma pelcula natural de xido que proteja o metal. As ligas de magnsio escurecem quando expostas ao ar, pela formao de uma camada de hidrxido de magnsio ou de carbonato de magnsio, a qual no impede a continuao do ataque.

Para aplicaes sujeitas a instabilidades trmicas importante que o metal seja polido e isento de bolhas podendo estas ser regies de acumulao de umidade. As ligas que forem empregues em ambientes salinos devem ser cuidadosamente protegidas.

Nas ligas de magnsio, a diminuio da resistncia mecnica provocada pela corroso pode ser estimada pela intensidade do ataque superficial.

No entanto as aplicaes do magnsio e suas ligas vem crescendo a cada dia, existem vantagens e desvantagens para seu uso, porm existe um problema com esse uso to crescente,pois a procura dos seus fundidos tem aumentado cerca de 15% ao ano, ultrapassando a sua produo. Por essa razo o preo do magnsio elevado, no havendo incentivo no seu uso.