Alumínio 3B21: Composição, Propriedades, Guia de Têmpera e Aplicações

Visão Abrangente

3B21 é um membro da série de ligas de alumínio 3xxx, caracterizado principalmente pela liga à base de manganês e pertencente à família não tratável termicamente. É formulado para aproveitar o fortalecimento por solução sólida proporcionado pelo Mn e, em algumas variantes, por adições modestas de Mg; o fortalecimento é obtido predominantemente por trabalho a frio e não por tratamento térmico de precipitação.

As principais características do 3B21 incluem resistência moderada a boa em relação ao alumínio puro, excelente conformabilidade em condição recozida, boa resistência à corrosão atmosférica geral e soldabilidade simples com métodos padrão de soldagem de alumínio. Indústrias típicas que utilizam o 3B21 variam de transporte e painéis externos automotivos a bens de consumo e algumas estruturas secundárias marítimas onde se requer equilíbrio entre conformabilidade e resistência à corrosão.

Engenheiros escolhem o 3B21 quando uma combinação de ductilidade para operações de conformação e melhor desempenho mecânico do que o alumínio comercialmente puro é necessária sem a complexidade do tratamento térmico. Sua competitividade frente a outras ligas decorre da baixa densidade, resposta previsível ao trabalho a frio e custo relativamente baixo de produção e fabricação.

A seleção frequentemente favorece o 3B21 em vez de ligas tratáveis termicamente de maior resistência quando operações complexas de conformação e boa aparência superficial devem ser preservadas, e também em relação ao alumínio puro ou ligas mais macias quando se deseja maior capacidade estrutural e resistência a amassados.

Variantes de Têmpera

Têmpera	Nível de Resistência	Alongamento	Conformabilidade	Soldabilidade	Notas
O	Baixa	Alta (30–45%)	Excelente	Excelente	Totalmente recozido, ideal para estampagem profunda e conformação
H12	Baixo-Médio	Médio-Alto (20–30%)	Muito Boa	Muito Boa	Leve encruamento decorrente de trabalho mecânico parcial
H14	Médio	Médio (10–20%)	Boa	Muito Boa	Têmpera comum a frio para chapas comerciais; limite de escoamento mais alto
H16	Médio-Alto	Médio (8–15%)	Reduzida	Boa	Maior grau de encruamento para rigidez aprimorada
H18	Alta	Baixo-Médio (6–12%)	Limitada	Boa	Trabalho a frio mais intenso, aumento da resistência para painéis estruturais
H24	Médio-Alto	Médio (10–18%)	Boa	Muito Boa	Encruado e estabilizado; mantém alguma conformabilidade
T3 (quando aplicado)	N/D	N/D	N/D	N/D	Não é a rota principal — ligas 3xxx não são tratáveis termicamente; designações T usadas para estabilização após solução em algumas especificações

A prática de designação da têmpera para o 3B21 segue o manuseio convencional da série 3xxx: têmpera O macia para máxima conformabilidade e várias têmperas H para aumentos graduais de resistência via encruamento. Escolher uma têmpera equilibra a complexidade da conformação, controle de springback e rigidez necessária em serviço; reparo por soldagem e união pós-conformação devem considerar o amolecimento local em partes temperadas H soldadas.

Composição Química

Elemento	Faixa %	Notas
Si	≤ 0,6	Impureza típica; excesso reduz ductilidade e promove intermetálicos
Fe	≤ 0,7	Impureza comum; influencia estrutura granular e pode formar fases frágeis
Mn	0,8–1,5	Elemento principal da liga para a família 3xxx; aumenta resistência e inibe recristalização
Mg	0,1–0,6	Pequena adição em algumas variantes; aumenta fortalecimento por solução sólida e melhora encruamento
Cu	≤ 0,2	Presente em baixos níveis; aumenta resistência ligeiramente, mas reduz resistência à corrosão
Zn	≤ 0,25	Normalmente baixo; teores mais altos não são típicos da família 3xxx
Cr	≤ 0,10	Pequenas quantidades para controlar estrutura granular e melhorar estabilidade da têmpera
Ti	≤ 0,15	Adições pequenas utilizadas para refino de grão em produtos fundidos ou forjados
Outros (cada)	≤ 0,05–0,15	Outros resíduos (Ni, Pb, Sn) mantidos baixos para evitar fragilização ou fases deletérias

A química da liga 3B21 é orientada para um balanço dominado por manganês que proporciona fortalecimento estável por trabalho a frio e ductilidade robusta. O Mn reduz recristalização e forma dispersóides finos que garantem estabilidade do grão durante a conformação e exposições térmicas moderadas. O Mg, quando presente em quantidades modestas, aumenta a resistência através dos efeitos de solução sólida e melhora a capacidade de encruamento, mas deve ser limitado para evitar susceptibilidades observadas em ligas 5xxx com maior teor de Mg.

Propriedades Mecânicas

O comportamento à tração do 3B21 segue as tendências clássicas da série 3xxx: a condição recozida (O) exibe resistências relativamente baixas ao escoamento e à tração com alto alongamento uniforme que permite conformações severas. O trabalho a frio (têmperas H) produz aumentos significativos nos valores de limite de escoamento e resistência à tração à custa de ductilidade e capacidade de dobra, e o springback aumenta com o endurecimento por deformação. Espessura e histórico de processamento influenciam fortemente as propriedades medidas; calibres menores podem apresentar resistência aparente mais alta devido ao encruamento por laminação a frio durante a fabricação.

A dureza está fortemente correlacionada com a têmpera: dureza Rockwell ou Brinell sobe previsivelmente com o número H. O desempenho à fadiga do 3B21 é moderado — melhor que o alumínio puro devido à resistência de base mais alta, porém inferior a algumas ligas tratáveis termicamente; acabamento superficial, tensões residuais de conformação e entalhes dominam a vida útil. A razão limite de escoamento/tração é moderada; aporte localizado de calor (e.g., soldagem) pode causar amolecimento na zona afetada pelo calor (ZAC), especialmente em temperas com elevado encruamento.

Os limites para conformação a frio são governados pela têmpera e tamanho do grão; a têmpera O permite raios de estampagem profunda até tolerâncias sensíveis na chapa, enquanto H18 pode requerer raios maiores e passos progressivos na conformação. Os valores típicos abaixo são faixas representativas para espessuras usuais de chapa e têmperas comuns.

Propriedade	O/Recozido	Têmpera Principal (ex.: H14)	Notas
Resistência à Tração	90–130 MPa	150–220 MPa	Valores variam com espessura e lote da liga; H14 típico para painéis estruturais moderados
Limite de Escoamento	30–70 MPa	100–160 MPa	Limite aumenta substancialmente com trabalho a frio; ganho baixo na têmpera O
Alongamento	30–45%	8–20%	Alongamento depende da têmpera e caminho de deformação durante conformação
Dureza (HB)	25–45 HB	50–85 HB	Dureza aumenta com têmpera H; conversão para HRC/HRB varia

Propriedades Físicas

Propriedade	Valor	Notas
Densidade	~2,70 g/cm³	Típica de ligas de alumínio trabalhadas; benéfica para relação resistência/peso
Faixa de Fusão	~640–655 °C	A liga reduz um pouco o solidus em comparação com Al puro (660 °C)
Condutividade Térmica	~120–150 W/m·K	Inferior ao Al puro; ainda alta para aplicações de dissipação térmica
Condutividade Elétrica	~28–40% IACS	Reduzida em relação à série 1xxx devido à liga; depende do teor de Mn/Mg
Calor Específico	~0,88–0,91 J/g·K	Típica para ligas de alumínio próximo à temperatura ambiente
Coeficiente de Dilatação Térmica	~23–24 ×10⁻⁶ /K (20–100 °C)	Semelhante a outras ligas de Al; importante para projeto de ciclos térmicos

O 3B21 mantém as vantagens térmicas e elétricas do alumínio ao mesmo tempo em que aceita reduções modestas devido à liga. A condutividade térmica permanece alta o suficiente para componentes de dissipação de calor e peças de gestão térmica para consumo. O coeficiente de dilatação térmica é comparável a outras ligas de alumínio e deve ser considerado em juntas multimateriais para controlar tensões térmicas.

Formas de Produto

Forma	Espessura/Tamanho Típico	Comportamento de Resistência	Temperas Comuns	Observações
Chapa	0,2–6,0 mm	A resistência varia com a tempera; chapas finas frequentemente são um pouco mais duras	O, H14, H24	Amplamente utilizada para painéis, carcaças e peças formadas
Placa	>6 mm até 25 mm	Contribuição menor de trabalho a frio em placas mais espessas	O, H18	Usada quando são necessárias seções transversais maiores; consideram-se usinagem/formação de placas
Extrusão	Perfis com vários metros	A resistência depende do resfriamento da seção transversal; moderada	O, H112	Perfis extrudados utilizam Mn para estabilizar o grão durante a extrusão
Tubo	Diâmetros de pequenos a grandes	A espessura da parede e a tempera determinam a rigidez	O, H16	Tubos trefilados ou extrudados para estruturas leves
Barra/Bastão	Diâmetros e seções planas	Tipicamente mais macio na condição recozida; pode ser trefilado a frio	O, H12	Produção para componentes usinados e fixadores quando apropriado

Os processos de conformação e processamento determinam a escolha da forma do produto: laminação de chapas oferece acabamento superficial superior e controle de espessura rigoroso para painéis visíveis, enquanto a extrusão permite seções transversais complexas, mas requer atenção aos efeitos de envelhecimento/deformação. Placas e seções mais espessas frequentemente necessitam de métodos de conformação diferentes (conformação incremental, conformação a quente) para obter formas semelhantes. Montagens soldadas devem considerar amolecimento local da tempera e possível distorção em componentes finos.

Graus Equivalentes

Norma	Grau	Região	Observações
AA	3B21	EUA	Designação usada em alguns catálogos de fornecedores; não padronizada universalmente em todas as listas AA
EN AW	3003 / família 3xxx	Europa	Equivalentes europeus forjados mais próximos estão na série 3xxx AW; equivalência direta requer verificação da composição
JIS	A3003 / A3xxx	Japão	Graus japoneses da série 3xxx exibem química baseada em Mn e propriedades similares
GB/T	3B21	China	A designação chinesa 3B21 está alinhada com a numeração local de ligas e controles de composição

O cruzamento direto entre normas deve ser feito usando limites de composição e requisitos mecânicos, não apenas o nome. Diferenças pequenas em impurezas permitidas, conteúdo de Mg e práticas de tempera podem gerar diferenças mensuráveis em propriedades; portanto, para aplicações críticas, solicite certificados de fábrica e realize testes comparativos em vez de confiar apenas em tabelas nominais de equivalência.

Resistência à Corrosão

3B21 oferece boa resistência geral à corrosão atmosférica típica das ligas 3xxx contendo Mn; uma película de óxido forma-se rapidamente protegendo a matriz na maioria dos ambientes não agressivos. Em atmosferas urbanas e industriais, a liga se comporta bem e geralmente é escolhida em vez de alumínio puro quando se requer um pequeno incremento na resistência mecânica sem comprometer a resistência à corrosão ambiental.

Em ambientes marinhos, 3B21 oferece resistência razoável à corrosão uniforme, mas é mais vulnerável a ataques localizados (pitting) e exfoliação em condições ricas em cloretos do que algumas ligas Al-Mg (5xxx) ou ligas revestidas especialmente. Acabamento superficial, revestimento e limpeza da liga (redução de Fe e Cu) influenciam significativamente o desempenho em exposições marinhas.

A suscetibilidade à trinca por corrosão sob tensão (SCC) das ligas 3xxx-Mn é geralmente baixa em comparação com ligas contendo Cu ou com alto teor de Mg; contudo, interações galvânicas com materiais mais nobres (aço inoxidável, cobre) promovem corrosão acelerada do alumínio em contato eletrolítico. Projetistas devem considerar proteção sacrificial e isolamento elétrico para evitar degradação galvânica em conjuntos de metais mistos.

Propriedades de Fabricação

Soldabilidade

Soldas em 3B21 são facilmente realizadas com processos comuns como TIG e MIG utilizando gás argônio para proteção e práticas padrão de preparação. Seleção de material de aporte geralmente favorece ligas Al-Mn ou Al-Si para corresponder o comportamento mecânico e minimizar fissuração a quente; 4043 (Al-Si) e 5356 (Al-Mg) são comumente usados conforme o balanço desejado entre ductilidade e resistência. Temperas com endurecimento por deformação intenso sofrerão amolecimento na zona termicamente afetada (ZTA) e possível redução das propriedades locais; condições mecânicas pré e pós-solda devem ser planejadas.

Usinabilidade

A usinabilidade é moderada e inferior à das ligas de cobre livre-usinabilidade ou aços, mas trabalhável com ferramenta adequada. Ferramentas com pastilhas de metal duro, ângulo positivo, estratégias de avanço elevado e refrigeração em fluxo proporcionam o melhor equilíbrio entre vida útil da ferramenta e acabamento superficial. Cavacos tendem a ser contínuos e dúcteis; controle de bordo acumulado e geometria adequada de quebra-cavacos são recomendados para usinagem em produção.

Conformabilidade

A conformabilidade é excelente na tempera O e permanece boa em temperas H baixas para a maioria das operações comuns de estampagem e repuxo. Raios mínimos típicos de dobra em tempera O podem ser tão pequenos quanto 0,5–1,0T para dobras simples, mas deve-se prever rebatimento elástico (springback) e afinamento durante repuxo profundo. Temperas com trabalho a frio (H16–H18) exigem raios maiores e conformação em múltiplas etapas para evitar trincas; o recozimento pode restaurar a conformabilidade quando necessário.

Comportamento ao Tratamento Térmico

Como liga principalmente não tratável termicamente, 3B21 não responde a tratamentos de solubilização e envelhecimento para fortalecer significativamente. Tentativas de ciclos convencionais de solubilização e envelhecimento não chegam aos mesmos ganhos das famílias 6xxx/7xxx. O controle das propriedades mecânicas é alcançado através de trabalho a frio (endurecimento por deformação) e recozimento controlado.

O recozimento para recuperação da ductilidade é realizado nas faixas típicas para alumínio, geralmente entre ~300–420 °C, dependendo da espessura da chapa e da estrutura granular desejada, seguido por resfriamento controlado. Recozimento excessivo pode aumentar o tamanho dos grãos e reduzir a conformabilidade em algumas operações; práticas de tempera estabilizada H (ex.: H24) utilizam estabilização térmica moderada ou alivio de tensões em baixo nível para minimizar deriva de propriedades.

Para projetos que exijam maior resistência do que a alcançável por trabalho a frio, deve-se avaliar alternativas tratáveis termicamente; caso contrário, sequências de conformação a frio, ferramentas progressivas e cronogramas de encruamento são o procedimento padrão para 3B21.

Desempenho em Alta Temperatura

3B21 mantém propriedades úteis em temperaturas moderadamente elevadas, mas sofre perda progressiva de resistência acima de aproximadamente 100–150 °C, com reduções significativas no limite de escoamento e resistência ao fluência em temperaturas superiores. Para serviço contínuo em alta temperatura ou onde fluência é preocupante, preferem-se ligas para alta temperatura ou aços inoxidáveis.

A oxidação não é limitante em ar para exposições breves devido à película protetora de óxido de alumínio; contudo, exposição prolongada em atmosferas oxidantes agressivas ou ricas em cloretos em altas temperaturas degrade as escalas protetoras e acelera o ataque. Zonas afetadas pelo calor na solda podem apresentar capacidade mecânica reduzida e amolecimento local, o que deve ser considerado em ciclos térmicos ou casos de carga em alta temperatura.

Aplicações

Indústria	Componente Exemplo	Por que o 3B21 é Usado
Automotiva	Painéis internos/externos da carroceria, acabamentos	Boa conformabilidade para estampagem complexa e resistência moderada para resistência a amassados
Marinha	Estruturas secundárias, acabamentos	Resistência à corrosão adequada e facilidade de fabricação; leve
Aeroespacial	Fixações não críticas, fairings	Relação favorável resistência/peso e conformabilidade para painéis moldados
Eletrônica	Caixas, dissipadores de calor	Alta condutividade térmica e facilidade de acabamento superficial

3B21 é comumente selecionado quando é necessário equilíbrio entre conformabilidade, resistência à corrosão e desempenho estrutural moderado a baixo custo. Sua versatilidade entre chapas e extrudados o torna material prático para painéis visíveis, carcaças formadas e componentes estruturais secundários onde economia de peso e custo de fabricação são prioridades.

Orientações para Seleção

Ao selecionar 3B21, priorize aplicações que exijam excelente conformabilidade e boa resistência à corrosão com resistência moderada. Escolha tempera O para repuxo profundo e formas complexas; utilize temperas H para componentes que precisem de maior rigidez ou resistência a amassados sem recorrer à complexidade do tratamento térmico.

Comparado ao alumínio comercialmente puro (1100), o 3B21 troca condutividade elétrica e térmica um pouco inferior por resistência significativamente maior e melhor capacidade de encruamento. Comparado às ligas com trabalho a frio comuns como 3003 ou 5052, 3B21 geralmente situa-se no meio-termo: mais resistente que Al puro, mas com resistência à corrosão semelhante ou ligeiramente melhor que ligas 5xxx com maior conteúdo de Mg. Em comparação com ligas tratáveis termicamente como 6061 ou 6063, 3B21 oferece conformabilidade superior na condição recozida e fabricação mais fácil, mas força máxima menor; prefira 3B21 quando conformação e resistência à corrosão forem mais importantes que resistência máxima.

Resumo Final

3B21 é um alumínio forjado prático à base de Mn que combina excelente conformabilidade, resistência à corrosão confiável e fortalecimento previsível por trabalho a frio para uma ampla gama de aplicações estruturais leves e conformadas. Seu equilíbrio de propriedades e fabricação simples o tornam uma escolha econômica quando resistência moderada e alta usinabilidade são os principais fatores de projeto.