Correlação entre parâmetros microestruturais e propriedades mecânicas da liga Al-3Mg-1%Si-1%Co

Abstract

Este trabalho avaliou o efeito da adição de cobalto na microestrutura e na vida em fadiga da liga Al-Mg-Si, atendendo à crescente demanda da indústria aeronáutica por ligas de alumínio com propriedades mecânicas otimizadas e compatíveis com novas tecnologias emergentes, como manufatura aditiva de metais. O estudo teve como objetivo correlacionar a vida em fadiga com a morfologia microestrutural da liga Al-3%Mg-1%Si-1%Co, visando à aplicação industrial em ligas de alumínio fundidas. A metodologia envolveu a produção da liga por solidificação, caracterização microestrutural por microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia de raios-X por dispersão de energia, e avaliação mecânica por meio de ensaios de tração, de microdureza e de fadiga. A solidificação ocorreu em lingoteira escalonada instrumentada com termopares, permitindo a obtenção de curvas de resfriamento e a determinação de parâmetros térmicos sob diferentes taxas de resfriamento. Na análise da evolução microestrutural, foi realizada a medição dos espaçamentos dendríticos secundários, correlacionando-os com as taxas de resfriamento obtidas durante a fundição. Os resultados indicaram um refinamento da microestrutura com o aumento das taxas de resfriamento e uma segregação do cobalto nas regiões sob solidificação mais lentas. Identificou-se a presença de três principais fases, matriz α-Al, Mg₂Si e Al-Co-Fe, presentes em todas as taxas de resfriamento. Os ensaios de microdureza, tração e fadiga permitiram a avaliação mecânica das ligas com adição de cobalto. Os resultados indicaram que a adição de 1% de cobalto promoveu refinamento microestrutural e aumento de 10% na dureza média, influenciando positivamente a resistência mecânica. Nos ensaios de fadiga, a liga com cobalto apresentou uma tensão de vida infinita superior ao limite de escoamento, atribuída à presença de fases intermetálicas que retardaram a propagação de trincas. Entretanto, a presença de microporosidades comprometeu o desempenho sob fadiga, destacando a importância do controle dos defeitos de solidificação para melhorar as propriedades mecânicas.

This work evaluated the effect of cobalt addition on the microstructure and fatigue life of an Al-Mg-Si alloy, addressing the growing demand of the aerospace industry for aluminum alloys with optimized mechanical properties and compatibility with emerging technologies such as metal additive manufacturing. The objective of this study was to correlate fatigue life with the microstructural morphology of the Al-3wt.%Mg-1wt.%Si-1wt.%Co alloy, aiming at its industrial application in cast aluminum alloys. The methodology involved alloy production by solidification, microstructural characterization through optical microscopy, scanning electron microscopy, and energy-dispersive X-ray spectroscopy, as well as mechanical evaluation by tensile, microhardness, and fatigue testing. Solidification was conducted in a stepped mold instrumented with thermocouples, enabling the acquisition of cooling curves and the determination of thermal parameters under different cooling rates. Microstructural evolution was assessed by measuring secondary dendritic arm spacing and correlating it with the cooling rates obtained during casting. The results indicated microstructural refinement with increasing cooling rates and cobalt segregation in regions subjected to slower solidification. Three main phases were identified, α-Al matrix, Mg₂Si, and Al-Co-Fe, all present across the cooling rate conditions. The microhardness, tensile, and fatigue tests enabled mechanical evaluation of the cobalt-containing alloy. The results showed that the addition of 1 wt.% cobalt promoted microstructural refinement and a 10% increase in average hardness, positively influencing mechanical strength. In the fatigue tests, the cobalt-modified alloy exhibited an infinite-life stress amplitude higher than the yield strength, attributed to the presence of intermetallic phases that delayed crack propagation. However, the presence of microporosity compromised fatigue performance, highlighting the importance of controlling solidification defects to improve mechanical properties.