Cap. 15a - TT ligas Al

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LIGAS DE ALUMÍNIO
TRATAMENTOS 
TÉRMICOS
CAPÍTULO 15a
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Considerações iniciais
A atual geração de aeronaves civis tem como requisito básico de projeto um período de vida útil mínimo de 20 anos ou 90.000 vôos.
 Estruturas aeronáuticas: combinação de baixo peso, altas resistências estrutural estática e à fadiga, baixa susceptibilidade de degradação em meios agressivos (elevada resistência à corrosão), um baixo custo de aquisição e de manutenção aliada a um alto desempenho em vôo.
Estatística informal (EMBRAER): cada quilograma a menos numa aeronave gera uma economia anual operacional para o cliente de até US$ 1,000.00. 
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Considerações iniciais
Condições operacionais fundamentalmente alcançadas por intermédio da eficiência aerodinâmica da aeronave e reduções de peso estrutural. 
 Aplicação de novos materiais de maior razão resistência mecânica / massa específica, tais como as novas ligas de alumínio-lítio, materiais compósitos laminados (GLARE e ARAL).
 
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Considerações iniciais
Mais ainda, são alcançados resultados significativos principalmente pela substituição dos prendedores mecânicos por novas tecnologias de junção, e também por métodos inovadores de fabricação de estruturas integradas na indústria aeronáutica, tais como a fabricação de componentes por extrusão, forjamento ou fundição de precisão. 
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Considerações iniciais
Deve-se considerar a capacidade destas novas tecnologias em reduzir significativamente os custos de fabricação e transmitir a imagem de alta tecnologia agregada na aeronave, por uma relação custo-benefício atraente para o cliente no momento da seleção, compra e utilização. 
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Considerações iniciais
Emprego do alumínio na indústria aeronáutica: meados de 1903, em função da elevada relação resistência mecânica e baixa massa específica em comparação à madeira e outras ligas metálicas.
 Metodologia de união por prendedores mecânicos (rebites e parafusos): inalterada desde a Primeira Guerra Mundial.
 
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Considerações iniciais
 Baixa soldabilidade das ligas de alumínio da série 2000, aliada à elevada confiabilidade do processo de união por rebites adquirida com as milhares de aeronaves civis e militares produzidas durante os conflitos mundiais.
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TRATAMENTOS TÉRMICOS – LIGAS DE ALUMÍNIO
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Estabilizador Vertical
- Revestimento: Al 2024-T3
- Reforçador: Al 7050-T6511
- Longarinas: Al 7050-T7451 / Al 7475-T7351
Fuselagem
- Revestimento: Al 2024-T3 / Al 2524-T3
- Reforçador: Al 7050-T6511
- Cavernas: Al 7474-T761
Estabilizadores Horizontais
- Revestimento: Al 2024-T3
- Reforçador: Al 7050-T6511
- Longarinas: Al 7050-T7451 / Al 7475-T7351
Asas
- Revestimento Superior: Al 7050-T7451
- Revestimento Inferior: Al 7475-T7351
- Longarinas: Al 7050-T7452 / Al 7475-T7351
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TRATAMENTOS TÉRMICOS – LIGAS DE ALUMÍNIO
As ligas de alumínio tratadas termicamente possuem resistência mecânica semelhante aos aços estruturais.
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TRATAMENTOS TÉRMICOS – LIGAS DE ALUMÍNIO
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Metalurgia do alumínio
Metal mais abundante da crosta terrestre, na forma do seu minério (bauxita), no qual se apresenta na proporção de, aproximadamente, 8,13%.
 Para efeito de comparação: ferro = 5%.
 cobre = 0,007% 
	
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Metalurgia do alumínio
 O processo de extração e obtenção do alumínio metálico consiste de três etapas distintas, que são :
 
 extração da bauxita, 
 obtenção da alumina, e 
 redução do alumínio.
 
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Metalurgia do alumínio
Extração da bauxita 
Bauxita (minério de alumínio), é obtida através de extração mecânica de aproximadamente 4,5m da superfície da crosta terrestre, sob céu aberto, após limpeza e separação mecânica de impurezas macroscópicas .
 
 
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Metalurgia do alumínio
 Tipos de minérios de alumínio 
 
 bauxita vermelha, composta basicamente por um alto teor do elemento ferro e pouca quantidade do composto sílica; e 
 bauxita branca, constituída essencialmente por pouco ferro e elevada quantidade de sílica. 
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Metalurgia do alumínio
Apesar da bauxita vermelha apresentar-se em menor quantidade, ela é o tipo mais utilizado, pois a bauxita branca, por seu superior teor de sílica na sua composição, forma uma maior quantidade de escória durante a sua redução eletrolítica .
 
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Metalurgia do alumínio
Obtenção da alumina.
 Alumina: composição semelhante a um pó branco e seco, cuja fórmula básica é Al2O3. 
 Processo de obtenção da alumina, a partir da bauxita, foi descoberto em 1888 por Karl Josef Bayer.
 
 Moagem do minério de alumínio, adição de hidróxido de sódio, aquecimento sob alta pressão e separação por sedimentação, através de emprego de precipitadores.  
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Metalurgia do alumínio
Após esta seqüência, o produto obtido é chamado de alumina hidratada (Al2O3.3H2O). 
Este tipo de alumina ainda está impróprio para a obtenção do alumínio puro, devido à presença destas moléculas de água. Portanto, realiza-se o seu aquecimento em calcinadores, numa faixa de temperaturas de 100-130C, obtendo-se a alumina calcinada.
Matéria-prima básica da fabricação de abrasivos, refratários, isoladores térmicos, tintas resistentes a temperaturas elevadas, velas de ignição e cerâmicas avançadas.
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Metalurgia do alumínio
 Redução do alumínio
 Separar os átomos de oxigênio da alumina calcinada. Devido à grande afinidade química entre os elementos alumínio e o oxigênio, é necessária uma grande quantidade de energia para realizar esta separação: O processo industrial descoberto por Charles Martin Hall e Paul Herout em 1886.
Consiste na dissolução da alumina num banho químico à base do composto denominado criolita (Na3AlF6).no interior de fornos eletrolíticos ligados em série por circuitos elétricos.
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Metalurgia do alumínio
 
 Processo básico da eletrólise e obtenção do alumínio.
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Propriedades físicas e mecânicas do alumínio puro
 Estrutura cristalina: CFC
 
 Propriedades mecânicas típicas, tais como a ausência de um limite de fadiga.
 Combinado com determinados elementos químicos, apresenta uma relação favorável entre a resistência mecânica e massa específica, que pode ser comparável aos aços de alta resistência, tais como os da série 300M. 
Propriedades do alumínio
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Propriedades do alumínio
 
 
 
 
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Propriedades do alumínio
 Massa específica teórica do alumínio com pureza de 99,996% = 2,6978 g/cm3
 
 Ponto de fusão = 690°C
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 Propriedades mecânicas típicas do alumínio em relação ao seu grau de pureza, sob temperatura e pressão ambientes (1,0 atm – 25 C).
Nota:n.d. – Valor não disponível.
 
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Vista do Junkers J1 – primeira aeronave construída a 
partir de painéis de alumínio (duralumínio).
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Sistema de classificação das ligas de alumínio.
Classificação de acordo com os seus principais elementos de liga presentes e pelo método de processamento final utilizado
 matéria-prima fundida (cast alloy);
peça ou componente assumindo a sua forma final por deformação plástica (wrought alloy). 
Sistema de classificação registrado pela The Aluminum Association (AA), de acordo com a Especificação AA H35.1 – 2000 .
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Ligas fundidas (cast alloys)
Para a classificação destas ligas é utilizado um sistema numérico de 4 dígitos.
 
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Ligas fundidas (cast alloys)
 Primeiro dígito indica o principal elemento de liga, ou o que está presente em maior quantidade.
 Exceção para esta regra: ocorre quando uma liga já está registrada numa classificação e, posteriormente, tem a sua composição química modificada pela adição de outros elementos.
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Ligas fundidas (cast alloys)
 Segundo e o terceiro
dígitos: apresentam uma importância secundária na classificação das ligas, porém servem para uma diferenciação entre as ligas de mesma classificação.
 Contudo, se uma liga é classificada na série 1XX.X, estes dígitos também servirão para a identificação da sua pureza. 
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Ligas fundidas (cast alloys)
 Último dígito após o ponto decimal: identifica o modo de produção da liga, isto é, se é obtida por solidificação em moldes (dígito 0), por lingotamento (dígito 1) ou também por lingotamento (dígito 2), mas que apresenta limites de composição química diferente das do dígito 1.
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Ligas fundidas (cast alloys)
Possíveis modificações que ocorrerem nas ligas já classificadas ou nos limites de impurezas são indicadas por uma seqüência de letras, após o sistema de classificação, de acordo com o seguinte critério: inicia-se com a letra A e omitem-se as letras I, O, Q e X, que são utilizadas apenas para as ligas experimentais.
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Ligas fundidas (“cast alloys”)
O alumínio comercialmente puro, fundido ou lingotado, que é classificado no grupo 1XX.X, deve apresentar um teor deste elemento superior a 99,0%.
O segundo e o terceiro dígitos desta classificação indicam a porcentagem mínima do alumínio. 
 
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Ligas trabalhadas mecanicamente (“wrought alloys”).
 Nomenclatura convencionada pela The Aluminum Association para as ligas de alumínio na forma de chapas e placas (trabalháveis mecanicamente).
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Ligas trabalhadas mecanicamente (“wrought alloys”)
O uso do primeiro dígito deste sistema de classificação indica o elemento de liga presente em maior quantidade. 
O segundo dígito relaciona-se a uma modificação da liga original ou os seus limites de pureza. Se este é zero, então se trata da liga originalmente desenvolvida. Quando ocorrem alterações nas suas composições, são consecutivamente adicionados números inteiros de 1 a 9 .
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Ligas trabalhadas mecanicamente (wrought alloys)
 Os dois últimos dígitos servem para discriminar as diferentes ligas dentro de cada grupo ou indica os seus graus de pureza.
 Convém salientar as seguintes observações destes sistemas de classificação :
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Ligas trabalhadas mecanicamente (wrought alloys)
i) um elemento de liga é considerado qualquer elemento químico intencionalmente adicionado para qualquer propósito, exceto como refinador de grãos;
 ii) conforme já mencionado anteriormente, as ligas são rotuladas nas séries 2XXX a 8XXX, de acordo com o elemento de liga presente em maior quantidade. A exceção ocorre na situação em que a liga é anteriormente registrada numa série, e posteriormente modificada; 
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Ligas trabalhadas mecanicamente (wrought alloys)
i)  se o teor do elemento de liga for igual para duas ou mais ligas, deve-se observar a quantidade do segundo elemento químico presente em maior proporção para efetuar a classificação, de acordo com a seguinte seqüência: Cu, Mn, Mg, Mg2Si, Zn e outros;
ii) os últimos dois dígitos presentes na série 1XXX – Alumínio puro, indicam a porcentagem mínima do alumínio presente; e
iii) as ligas experimentais também são classificadas por intermédio deste sistema, porém utiliza-se o prefixo X. Este prefixo não é mais empregado no momento em que esta liga já é disponível comercialmente.
 
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Introdução - Definição e objetivos
Definição de tratamento térmico
É um conjunto de operações, de aquecimento e resfriamento, a que são submetidos os materiais, sob condições controladas de tempo, temperatura, atmosfera do forno e velocidade de resfriamento.
Objetivos: 
Aumento e diminuição de dureza
Aumento de resistência à corrosão
Diminuição de tensões internas
Homogeneização da microestrutura
Melhora a resistência mecânica
Melhora a resistência ao desgaste
Melhora a usinabilidade
Melhora a ductilidade
Aumenta a tenacidade
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Introdução - Diagrama de 
 Equilíbrio Al-Cu
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LIGAS TRATÁVEIS TERMICAMENTE
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	Solubilização das Ligas de Alumínio da Série 2XXX (RESFRIAMENTO):	
TRATAMENTOS TÉRMICOS – LIGAS DE ALUMÍNIO
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Siglas referentes às ligas de Al
 A sigla referente à condição física das ligas de alumínio tratáveis termicamente é composta: 
da letra O, quando o material está no estado recozido; 
da letra W quando o material está solubilizado (condição instável); 
da letra T, seguida de um número de um ou mais algarismos, quando o material está no estado tratado termicamente, ou 
da letra F, quando o material está como fabricado.
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Siglas referentes às ligas de Al:
 explicação sumária das siglas
O : recozido.
W: solubilizado (condição instável).
T1: esfriado de uma temperatura elevada (estrudados) e envelhecido naturalmente.
T2: recozido (ligas fundidas).
T3: solubilizado e encruado por laminação a frio.
T4: solubilizado e envelhecido naturalmente.
T5: esfriado de uma temperatura elevada, envelhecido artificialmente
T6: solubilizado e envelhecido artificialmente.
T7: solubilizado e superenvelhecido (estabilizado).
T8:solubilizado, encruado por laminação a frio e envelhecido artificialmente.
T9:solubilizado, envelhecido artificialmente e depois encuado por laminação a frio.
T10:esfriado de uma temperatura elevada, envelhecido artificialmente e depois encruado por laminação a frio.
TX1:variações do processo original. Ex.: T31, T51, T61.
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Siglas referentes às ligas de Al: explicação sumária das siglas
TX2: tratamento térmico realizado pelo usuário. Ex.: T42, T62.
TX3: tratamento especial para aumento da resistencia à corrosão sob tensão.
TX51: com alívio de tensões por estiramento (barras laminadas e placas).
TX510: com alívio de tensões por estiramento (extrudados) sem endireitamento.
TX511: com alívio de tensões por estiramento e com pequeno endireitamento.
TX52: com alívio de tensões por compressão(forjados).
TX53: com alívio de tensões por tratamento térmico.
TX54: com alívio de tensões por estiramento e compressão combinados.
TX6: encruado 6% após a solubilização
TX61: variação de TX6 (liga 2024)
TX7: encruado 8% após a solubilização.
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Tratamentos térmicos
Recozimento;
Solubilização;
Envelhecimento natural;
Envelhecimento artificial. 
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Recozimento
Recozimento: Condição “O” 
Processo: Aquecimento a 340°C por uma hora e resfriamento ao ar.
 Objetivos:
 Alívio de tensões após conformação a frio.
 Redução de dureza.
Pleno: Aquecimento a 415°C por duas horas e meia e resfriamento 
 no forno.
 Objetivos: 
 Homogeneização da microestrutura após solda
 Alívio de tensões após conformação
 Redução de dureza
 
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Recozimento
O recozimento pode ser necessário antes das operações de conformação mecânica a frio, devido à ocorrência de encruamento durante essas operações. 
É utilizado em todos os tipos de ligas de alumínio, tanto as endurecíveis por precipitação como as que não endurecem por precipitação.
 Entretanto, no caso das primeiras, deve haver um controle de temperaturas mais cuidadoso, para evitar a ocorrência de precipitação durante um tratamento de recozimento para recristalização. 
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Temperaturas de recozimento completo 
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Solubilização
A solubilização consiste em aquecer o material a uma temperatura bem elevada, em geral relativamente próxima do ponto de fusão, de tal modo que nesta temperatura, com os coeficientes de difusão dos elementos de liga no alumínio já suficientemente aumentados, seja possível a migração desses átomos, proporcionando a dissolução, completa depois de um certo tempo de permanência nesta temperatura, das fases secundárias inicialmente presentes na liga.
 
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Solubilização
 Esta etapa do tratamento térmico é fundamental para assegurar que o envelhecimento subseqüente, realizado
em temperatura bem mais baixa e tempo mais prolongado, ocorra de modo controlado, de tal maneira que os precipitados sejam formados de forma controlada, principalmente no que se refere ao tamanho dos mesmos e, conseqüentemente, sua coerência com a matriz. 
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Solubilização
Aquecimento a uma determinada temperatura (varia de acordo com o material) com um tempo de encharque de acordo com sua dimensão, seguido de um resfriamento brusco, em água (máx. 38°C).
A transferência do forno para a água deve ser de, no máximo, 15 segundos. Acima deste tempo pode provocar corrosão intergranular. O resfriamento em água a uma temperatura superior a 38°C também pode provocar corrosão em chapas.
 Objetivo:
Amolecimento após a solubilização, condição AQ (15 minutos) e W (2 horas), sendo o tempo ideal para todo o tipo de conformação a frio.
Obs.: Utiliza-se o freezer para manter a condição AQ.
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Temperaturas de solubilização e envelhecimento (série 2XXX). 
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Temperaturas de solubilização e envelhecimento (série 6XXX). 
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 Temperaturas de solubilização e envelhecimento (série 7XXX) 
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Estiradeira de chapas 
Sheridan Gray
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Forno Ripoche
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Envelhecimento natural
Após condição AQ, passando para W - 2 horas (limite de conformação) e, finalmente, T42 - 96 horas.
Ex: Resistência à tração +/- 50 kgf/mm2 para a liga 2024.
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Envelhecimento natural
No envelhecimento natural ocorre a precipitação dos elementos de liga (cobre, zinco, etc.), no contorno e no núcleo dos grãos do alumínio (matriz), provocando o aumento da resistência mecânica.
Obs.: Os fornos utilizados para solubilização são os fornos a ar e fornos a sal. Em fornos a sal, as peças devem ser limpas após o tratamento térmico para evitar corrosão.
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Envelhecimento artificial
 É o tratamento térmico feito em estufas com um ou dois estágios, provocando a máxima precipitação dos elementos de liga na matriz, para obter-se maior resistência mecânica.
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Envelhecimento artificial
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Envelhecimento artificial
Fornos e estufas possuem homogeneidade classe 5.
Após tratamento térmico, são realizadas inspeções de dureza, condutividade elétrica e ensaio de tração. 
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Solubilização e envelhecimento
 O tratamento de solubilização e envelhecimento tem por objetivo a obtenção de precipitados finos, que ao mesmo tempo sejam grandes o suficientes para agir como obstáculos ao movimento das discordâncias, endurecendo a liga, sejam por outro lado pequenos o suficiente para manter a coerência com a matriz.
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Fusão de eutético
 Ocorre devido ao excesso de temperatura na solubilização. O líquido de composição eutética solidifica-se nos contornos de grão fragilizando a liga de forma irreversível. Por isso os controles de homogeneidade e acuidade são muito importantes.
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Fusão de eutético
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ALCLAD
 CHAPAS ALCLAD - composta por liga de alumínio de alta resistência mecânica no núcleo recoberta por uma fina camada de alumínio puro em ambos os lados (cerca de 5% da espessura) associando resistência mecânica e resistência à corrosão.
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ALCLAD - difusão de elementos de liga
A difusão dos elementos de liga no alclad ocorre em conseqüência do tempo de exposição na temperatura de solubilização; por isso é limitado o número de ressolubilizações em função da espessura da chapa.
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Bibliografia
Noções de tratamentos térmicos – Treinamento de tratamentos térmicos Embraer - Pinto, J. B. revisão 05/07.
Site www.infomet.com.br/Aluminio.php.
Site http://pt.wikipedia.org/wiki/Aluminio.