Efeitos das adições de Zr nas propriedades térmicas, mecânicas e magnéticas da liga Cu-9%Al-10%Mn-3%Ag

Abstract

In this work, the effects of the additions of 1, 3 and 5%Zr (% in mass) in the Cu-9%Al-10%Mn-3%Ag alloy were investigated under different heat treatments. The changes in the properties of the alloys were characterized using differential thermal analysis (DTA), differential scanning calorimetry (DSC), optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction analysis (XRD), electron diffraction analysis, energy dispersive X-ray analysis (EDX), magnetization measurements as a function of temperature (M vs T) and the applied field (M vs H) and Vickers microhardness measurements as function of temperature. The results showed that the addition of 5%Zr increased the melting point of the material. The increase in Zr content progressively decreased grain size. In slowly cooled samples it was observed that the presence of Zr altered the spinodal decomposition rate and the saturation magnetization values, but without changing Curie temperature. It was verified that the reduction of the slow cooling rate from 1 Kmin-1 to 0,07 Kmin-1 allowed the identification of two competitive reactions (spinodal decomposition and formation of α-Cu phase). In fast-cooled alloys, it was observed that the increase of the Zr content contributed to increase the crystallinity, and this is possibly due to the decreased grain size. Changes in Ag-rich precipitates dimensions were also observed as a function of the heat treatment used. In addition, the martensitic transformation was identified at temperatures below 273 K, but its stabilization at room temperature was possible by aging heat treatment. The aging of the samples for a long time was able to supply energy to the alloys and, in some cases, it became possible to analyze the decomposition of the metastable phases, which were converted first in intermediate phases and, later, in more stable phases. The main phases formed from Zr additions were Cu5Zr, Zr-rich precipitates, ZrAl3 and Cu2ZrAl, which formed under specific heat treatments and were responsible for changes in β phase stability field. Lastly, it was concluded by the kinetic study according to the Ozawa, Kissinger and “model-free” models that the activation energy of the bainite precipitation reaction gradually decreased for additions up to 3%Zr, and that the 5%Zr content caused an expressive increase of the activation energy.

Neste trabalho foram realizados estudos sobre os efeitos das adições de 1, 3 e 5%Zr (% em massa) sobre as transformações de fase da liga Cu-9%Al-10%Mn-3%Ag, sob diferentes tratamentos térmicos. As alterações nas propriedades das ligas foram caracterizadas utilizando-se análise térmica diferencial (DTA), calorimetria exploratória diferencial (DSC), microscopia óptica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e de transmissão (MET), análises por difração de raios X (DRX) e por difração de elétrons, análise de espectroscopia por dispersão de energias de raios X (EDX), medidas de magnetização em função da temperatura (M vs T) e do campo aplicado (M vs H) e medidas de microdureza de Vickers. Os resultados mostraram que a adição de 5%Zr aumentou o ponto de fusão do material; e a elevação do teor de Zr diminuiu progressivamente o tamanho dos grãos. Nas amostras submetidas ao resfriamento lento, notou-se que a presença de Zr alterou a velocidade da decomposição espinodal e as magnetizações de saturação, mas sem modificar a temperatura de Curie. Verificou-se que a redução da taxa de resfriamento lento de 1 Kmin-1 para 0,07 Kmin-1 possibilitou a análise de duas reações competitivas (decomposição espinodal e formação da fase α-Cu). Para as ligas resfriadas rapidamente, observou-se que o aumento da concentração de Zr contribuiu para a elevação do grau de cristalinidade, e isso possivelmente ocorreu devido à diminuição do tamanho do grão das ligas. Foram observadas também mudanças nas dimensões dos precipitados ricos em Ag em função do tratamento térmico empregado. Além disso, a transformação martensítica foi identificada em temperaturas inferiores a 273 K, mas a sua estabilização em temperatura ambiente foi possível por meio do tratamento térmico de envelhecimento. O envelhecimento das amostras por tempos prolongados foi capaz de fornecer energia às ligas de modo que, em alguns casos, tornou-se possível analisar a decomposição das fases metaestáveis, cuja conversão originou primeiramente fases intermediárias e, posteriormente, fases mais estáveis. As principais fases formadas a partir das adições de Zr foram Cu5Zr, precipitados ricos em Zr, ZrAl3 e Cu2ZrAl, que se formaram sob tratamentos térmicos específicos e foram responsáveis por alterações no campo de estabilidade da fase β. Por fim, concluiu-se pelo estudo cinético seguindo os modelos de Ozawa, Kissinger e “model-free” que a energia de ativação da reação de precipitação da bainita diminuiu gradualmente para adições de até 3%Zr, e que o teor de 5%Zr ocasionou um aumento expressivo da energia de ativação.