Alumínio 3A21: Composição, Propriedades, Guia de Têmpera e Aplicações

Visão Geral Abrangente

3A21 é um integrante da série 3xxx de ligas de alumínio, da família Al–Mn, caracterizada pelo manganês como principal elemento de liga. É classificada como uma liga não tratável termicamente, que se fortalece por encruamento (endurecimento por deformação a frio) em vez de tratamento térmico por solução e precipitação.

As composições típicas posicionam o manganês em um intervalo que promove fortalecimento por solução sólida e formação de dispersóides, com adições modestas de Fe, Si e elementos-traço que afetam sutilmente o comportamento na conformação e na corrosão. A liga oferece um equilíbrio entre resistência moderada, boa resistência à corrosão e excelente conformabilidade e soldabilidade, tornando-a atraente para chapas e componentes conformados.

Indústrias que comumente utilizam o 3A21 incluem fabricação geral, acabamento automotivo, HVAC, eletrodomésticos e aplicações náuticas leves, onde são exigidos resistência moderada e boa conformabilidade. Engenheiros escolhem o 3A21 quando a combinação de capacidade de conformação a frio, resistência razoável, baixo custo e boa resistência à corrosão atmosférica supera as resistências máximas mais elevadas disponíveis em ligas tratáveis termicamente.

Variantes de Estado Térmico

Estado Térmico	Nível de Resistência	Alongamento	Conformabilidade	Soldabilidade	Observações
O	Baixo	Alto (20–40%)	Excelente	Excelente	Totalmente recozido, máxima ductilidade para conformações complexas
H12	Baixo–Médio	Moderado (10–25%)	Muito Bom	Excelente	Leve encruamento, mantém boa conformabilidade
H14	Médio	Moderado (8–18%)	Bom	Excelente	Estado comercial comum para resistência e conformabilidade moderadas
H16	Médio–Alto	Menor (6–14%)	Regular–Bom	Excelente	Maior encruamento, limite de escoamento superior para peças conformadas
H18	Alto	Baixo (3–10%)	Reduzido	Excelente	Endurecimento comercial próximo do máximo por trabalho a frio
H111	Baixo–Médio	Variável	Bom	Excelente	Levemente trabalhado; usado quando é necessária resistência moderada com boa conformabilidade
H112	Médio	Moderado	Bom	Excelente	Alternativa comercial de estado encruado

O têmpera nas ligas da série 3xxx é obtido controlando a quantidade de trabalho a frio; não ocorre endurecimento por precipitação significativo com tratamentos convencionais T6/T651. A transição de estados O para H eleva os limites de escoamento e resistência à tração, ao mesmo tempo que reduz o alongamento uniforme e total, exigindo dos projetistas o equilíbrio entre requisitos de conformação e de carga em serviço.

A soldabilidade permanece excelente nesses estados porque a liga é não tratável termicamente; contudo, áreas encruadas podem apresentar amolecimento local na zona termicamente afetada da solda, e a conformabilidade após a soldagem depende da escolha entre trabalho a frio ou recozimento pós-soldagem.

Composição Química

Elemento	Faixa %	Observações
Si	0,1–0,6	Controle de impurezas; Si mais alto melhora fundição mas pode reduzir ductilidade
Fe	0,2–0,7	Impureza comum; forma intermetálicos que podem diminuir ductilidade e qualidade superficial
Mn	0,6–1,5	Principal elemento de fortalecimento; melhora resistência à recristalização e corrosão
Mg	0,05–0,20	Minimamente presente; pode aumentar resistência ligeiramente, mas mantido baixo para preservar soldabilidade
Cu	0,05–0,3	Baixos teores podem aumentar resistência mas reduzir resistência à corrosão
Zn	0,05–0,25	Normalmente baixo; Zn mais alto direcionaria a liga para comportamento da série 7xxx
Cr	0,05–0,20	Microligação para controle de estrutura do grão e melhor tenacidade
Ti	0,01–0,10	Desoxidante/refinador de grão em alguns produtos
Outros	Balance Al, resíduos ≤0,15	Elementos-traço e impurezas mantidos baixos para controle das propriedades

O teor de Mn domina o comportamento microestrutural ao formar dispersóides e limitar a recristalização durante ciclos térmicos, preservando a resistência após conformação e exposição térmica moderada. Quantidades controladas de Fe e Si são inevitáveis e influenciam acabamento superficial e características de conformação, enquanto Cr e Ti em traços são úteis para controle de grão durante fundição e trabalho a quente.

Propriedades Mecânicas

O comportamento à tração do 3A21 é característico das ligas alumínio–manganês não tratáveis termicamente: dúctil no estado recozido, com limite de escoamento relativamente baixo e aumento da resistência em função do encruamento. O comportamento de limite de escoamento é modesto comparado a ligas tratáveis termicamente, e as curvas tensão-deformação mostram alongamento uniforme substancial no estado O e ductilidade progressivamente reduzida em estados H superiores. O desempenho à fadiga é geralmente bom para componentes com superfícies lisas, mas a presença de partículas intermetálicas e acabamentos superficiais ásperos pode reduzir os limites de resistência à fadiga.

A dureza aumenta com o encruamento; no estado recozido a dureza é baixa e cresce previsivelmente com os estados comerciais H. A espessura tem efeito significativo: chapas mais finas se encruam de forma mais uniforme e podem atingir maiores resistências aparentes após deformação, enquanto seções mais espessas normalmente apresentam menor fortalecimento por encruamento e conformabilidade reduzida. A liga apresenta sensibilidade moderada a entalhes e beneficia-se de acabamento superficial adequado para peças críticas à fadiga.

Propriedade	O/Recozido	Temperamento Principal (ex.: H14/H16)	Observações
Resistência à Tração	~80–140 MPa	~140–210 MPa	Valores dependem de trabalho a frio e espessura; H16/H18 atingem o limite superior
Limite de Escoamento	~30–70 MPa	~80–160 MPa	Limite de escoamento aumenta fortemente com o temperamento; projetar para valores específicos
Alongamento	~25–40%	~5–18%	Ductilidade diminui com maior encruamento
Dureza (HB)	~20–40 HB	~40–90 HB	Dureza Brinell ou Vickers aumenta com o número H e trabalho a frio

Propriedades Físicas

Propriedade	Valor	Observações
Densidade	2,70–2,73 g/cm³	Levemente ligado em relação ao Al puro (2,70 g/cm³)
Faixa de Fusão	~630–655 °C	Intervalo sólido–líquido depende dos elementos de liga mínimos
Condutividade Térmica	~120–150 W/m·K	Levemente inferior ao Al puro; adequada para dissipação de calor
Condutividade Elétrica	~28–38 % IACS	Inferior ao Al puro e algumas ligas da série 1xxx devido a Mn e impurezas
Calor Específico	~880–910 J/kg·K	Comparável a outras ligas de alumínio usadas em engenharia geral
Coeficiente de Dilatação Térmica	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	Dilatação térmica típica do alumínio; projetar para movimentos térmicos

A combinação de condutividade térmica relativamente alta e baixa densidade torna o 3A21 útil onde é necessária gestão térmica leve, mas sem a máxima condutividade. A condutividade elétrica é reduzida pela liga e pelo trabalho a frio, portanto, caso o desempenho elétrico seja prioritário, ligas da série 1xxx mais puras são preferíveis. A dilatação térmica deve ser considerada em montagens multimateriais.

Formas do Produto

Forma	Espessura/Tamanho Típico	Comportamento de Resistência	Temperas Comuns	Observações
Chapa	0,2–6,0 mm	Pode ser fornecida nos temperas O ou H, a resistência aumenta com o temper	O, H14, H16, H18	Uso mais amplo em componentes formados e painéis
Placa	6–25 mm	Efeito de encruamento menor, granulação grosseira se não processada	O, H111	Utilizada para peças estruturais ou usinadas quando são necessárias seções mais espessas
Extrusão	Diâmetros de até várias centenas de mm	A resistência depende do resfriamento pós-extrusão e do encruamento	O, H112	Formabilidade limitada para perfis finos complexos em comparação com ligas 6xxx
Tubo	Parede de 0,5–6,0 mm	Comporta-se de forma similar à chapa em condições de parede fina	O, H14	Comum para dutos HVAC e tubos estruturais leves
Barra/Triagem	Ø6–150 mm	O encruamento pode aumentar a resistência para barra trefilada	H12–H18	Utilizada para conectores estruturais leves e componentes

As diferenças de processamento são significativas: produtos em chapa e de parede fina são facilmente encruados até os níveis de propriedade requeridos, enquanto placas e extrusões grossas obtêm incrementos menores de encruamento e podem necessitar de tratamento mecânico ou térmico pós-processamento para propriedades uniformes. A escolha da forma deve refletir o temper alcançável e a resistência e formabilidade exigidas em serviço.

Graus Equivalentes

Norma	Grau	Região	Observações
AA	3003 (aprox.)	USA	Equivalente mais próximo da Aluminum Association em composição e comportamento
EN AW	3.0517 / AW-3003	Europa	Especificação Al–Mn similar usada para chapa de uso geral
JIS	A3003	Japão	Liga geral comparável baseada em manganês
GB/T	3A21	China	Denominação local; alinhada com características de Al–Mn da série 3xxx

Diferenças sutis entre as especificações normalmente refletem controles mais rígidos sobre impurezas, conteúdo permitido de cobre ou limites diversos sobre elementos traço que influenciam a formabilidade e o acabamento superficial. Ao especificar material para fornecimento internacional, engenheiros devem solicitar certificados químicos e mecânicos para confirmar a composição e tempera exata em vez de confiar apenas em nomes de referência cruzada.

Resistência à Corrosão

3A21 apresenta boa resistência geral à corrosão atmosférica típica da família 3xxx. Forma uma película oxida estável que protege contra ambientes industriais e rurais brandos; em atmosferas costeiras ou ricas em cloretos tem bom desempenho, mas exige atenção no projeto para corrosão por frestas e áreas de retenção de sal.

A liga demonstra boa resistência à corrosão uniforme e mostra suscetibilidade limitada à corrosão por pite sob exposição marinha agressiva em comparação com ligas Al–Zn de maior resistência. Trincas por corrosão sob tensão não são modo de falha comum para ligas 3xxx, e a principal preocupação de corrosão é o ataque localizado em ambientes poluídos ou com alto teor de cloretos.

Interações galvânicas com metais diferentes devem ser consideradas: quando acoplado a materiais mais nobres (por exemplo, cobre, aço inoxidável) em ambientes úmidos, 3A21 pode atuar como parceiro anódico e corroer preferencialmente, a menos que esteja isolado. Contra materiais mais ativos normalmente é o parceiro catódico e será protegido; estratégias típicas de mitigação incluem revestimentos, barreiras e projeto sacrificial.

Propriedades de Fabricação

Soldabilidade

O comportamento de soldagem para 3A21 é excelente com métodos convencionais de fusão como TIG e MIG. Ligas de adição recomendadas incluem Al–Si (ex.: 4043) e Al–Mg (ex.: 5356), dependendo da ductilidade desejada e resistência à corrosão no metal de solda; 4043 é frequentemente usado para minimizar risco de trincas e fornecer boa molhabilidade. Sensibilidade a trincas a quente é baixa em comparação com ligas tratáveis termicamente, porém atenção ao ajuste da junta e limpeza é importante para evitar porosidade e inclusões.

Usinabilidade

A usinagem de 3A21 é moderada; geralmente é mais gomosa do que ligas de alumínio de fácil usinagem e se beneficia de ferramentas de carboneto afiadas e refrigeração adequada. Usinabilidade típica é inferior a ligas Al–Cu 2xxx e ligas fundidas Al–Si 3xx; taxas de avanço e velocidades devem ser ajustadas para evitar empastamento de ferramenta e controlar a morfologia dos cavacos. Vida útil da ferramenta é aceitável com carbonetos revestidos e estratégias de alta velocidade, focadas em produzir cavacos contínuos com adequada evacuação.

Formabilidade

A formabilidade é um dos pontos fortes de 3A21 na condição recozida (O), permitindo estampagem profunda e operações complexas de conformação. Raios mínimos de curvatura dependem da espessura da chapa e do temper, mas o temper O geralmente permite dobras muito pequenas (ex.: R ≤ 0,5t em muitos casos), enquanto temperas H exigem raios maiores para evitar trincamento. O encruamento aumenta a resistência, mas reduz a ductilidade, portanto sequências de conformação frequentemente especificam etapas de recozimento ou pré-deformação controlada para atingir geometria e desempenho finais.

Comportamento em Tratamento Térmico

Sendo uma liga não tratável termicamente, 3A21 não responde a envelhecimento por solução e precipitação para produzir aumentos significativos de resistência. Esforços para tratamento térmico focam principalmente na estrutura de grão, recozimento ou alivio de tensões, em vez de endurecimento por precipitação. Tratamento de solução seguido por têmpera tem efeito benéfico mínimo e pode causar crescimento de grão ou amolecimento indesejado.

O endurecimento por encruamento via deformação a frio é o principal método para aumentar a resistência; este processo é estável e previsível, permitindo que projetistas selecionem temperas H para valores de limite de escoamento requeridos. Recozimentos de reversão (recozimento completo para O) são usados para restaurar formabilidade entre operações de conformação ou para aliviar tensões residuais após soldagem e fabricação.

Desempenho em Alta Temperatura

Em temperaturas elevadas, 3A21 apresenta perda progressiva de resistência começando bem abaixo do intervalo de fusão; amolecimento significativo ocorre acima de aproximadamente 150–200 °C. Resistência à fluência é limitada em comparação com ligas de alumínio resistentes ao calor e aços, portanto serviço prolongado sob carga e alta temperatura não é recomendado. A oxidação é mínima ao ar nas temperaturas comuns de serviço devido ao óxido protetor de alumínio, mas exposição prolongada em altas temperaturas pode alterar condições superficiais e propriedades mecânicas.

As zonas afetadas pelo calor junto às soldas não sofrem endurecimento por precipitação, mas podem experimentar recozimento localizado e crescimento de grão devido a ciclos térmicos elevados, reduzindo a resistência local. Para aplicações em alta temperatura, ligas alternativas de alumínio projetadas para estabilidade térmica ou materiais não alumínicos devem ser considerados.

Aplicações

Indústria	Exemplo de Componente	Por que 3A21 é Usado
Automotiva	Acabamentos, calhas, painéis internos	Boa formabilidade, resistência razoável, custo-benefício
Marinha	Suportes estruturais leves, dutos	Resistência à corrosão adequada e facilidade de fabricação
Aeroespacial	Conectores não críticos, carenagens	Relação resistência/peso favorável para estruturas secundárias
Eletrônica	Gabinetes, dissipadores térmicos	Boa condutividade térmica e facilidade de fabricação
Eletrodomésticos	Panelas, painéis	Formabilidade e resistência à corrosão para contato com alimentos e painéis externos

3A21 é frequentemente selecionada para aplicações onde se requer combinação de conformação, soldagem, resistência moderada e resistência à corrosão sem a complexidade ou custo das ligas tratáveis termicamente. Seu equilíbrio de propriedades permite manufatura eficiente e desempenho robusto em serviço para muitos componentes de commodities e semi-estruturais.

Orientações para Seleção

Utilize 3A21 quando precisar de uma liga Al–Mn robusta e de baixo custo com excelente formabilidade e soldabilidade e quando a resistência máxima tratável termicamente não for necessária. É especialmente apropriada para peças estampadas e trefiladas, componentes estruturais leves e aplicações expostas a ambientes atmosféricos.

Comparada com alumínio comercialmente puro (ex.: 1100), 3A21 troca condutividade elétrica e térmica ligeiramente inferiores por resistência substancialmente melhor e maior resistência à deformação mecânica durante o uso. Comparada com outras ligas encruadas como 3003/5052, 3A21 está na mesma faixa geral de desempenho, mas pode ser preferida se propriedades controladas de Mn específicas ou temperas particulares forem exigidos; 5052 oferece maior resistência e melhor resistência à corrosão marinha devido ao Mg, porém com formabilidade reduzida em relação à 3A21 totalmente recozida.

Comparada com ligas comuns tratáveis termicamente (ex.: 6061), 3A21 oferece formabilidade superior e maior facilidade de união a um custo menor, embora não alcance as maiores resistências máximas das ligas 6xxx; escolha 3A21 para operações de conformação complexas ou quando soldabilidade e resistência à corrosão forem priorizadas em detrimento da resistência máxima.

Resumo Final

3A21 continua sendo uma liga Al–Mn prática e amplamente utilizada na engenharia moderna, onde é necessária uma combinação confiável de conformabilidade, soldabilidade, resistência à corrosão e custo-benefício; sua resposta previsível ao encruamento e boas características de fabricação mantêm-na relevante para componentes produzidos em massa e semi-estruturais.