Alumínio 3N21: Composição, Propriedades, Guia de Têmpera e Aplicações

Visão Abrangente

3N21 é uma liga de alumínio da série 3xxx pertencente à família das ligas trabalhadas com reforço por manganês. É principalmente ligada com manganês como o principal elemento de endurecimento e contém pequenas quantidades de silício, ferro, cobre, magnésio, zinco e elementos-traço para controlar a estrutura de grãos e o comportamento no processamento. A liga não é tratável termicamente e alcança resistência através do trabalho a frio e controle cuidadoso da microestrutura; apresenta um equilíbrio entre resistência à tração moderada e excelente resistência à corrosão. Características típicas incluem boa conformabilidade, excelente soldabilidade nos tratamentos comuns, resistência razoável à fadiga para esta família e comportamento à corrosão superior a muitas ligas contendo cobre ou zinco, tornando-a atraente para aplicações marítimas e arquitetônicas.

Indústrias que empregam comumente o 3N21 incluem transporte (painéis de carroceria, membros estruturais leves), fabricação marítima e offshore, fachadas e componentes de edificações, e alguns chassis eletrônicos onde se prioriza resistência moderada e resistência à corrosão. Engenheiros selecionam o 3N21 em lugar de ligas mais puras quando há necessidade de desempenho mecânico superior sem os ônus do tratamento térmico, e em vez de ligas tratáveis termicamente de maior resistência quando a conformabilidade e soldabilidade superiores são críticas. A liga é escolhida onde se requer combinação de fabricabilidade (estampagem profunda, dobra, soldagem) e durabilidade ambiental, tornando-se uma opção custo-efetiva para elementos estruturais de média carga.

Variantes de Têmpera

Têmpera	Nível de Resistência	Alongamento	Conformabilidade	Soldabilidade	Observações
O	Baixa	Alta	Excelente	Excelente	Totalmente recozida, ductilidade e conformabilidade máximas
H12	Moderada	Moderado	Muito boa	Excelente	Endurecimento parcial por trabalho a frio; aumento moderado de resistência
H14	Moderada-Alta	Moderado	Boa	Excelente	Têmpera comum por trabalho a frio para chapa de resistência moderada
H16	Alta	Baixo	Regular	Excelente	Trabalho a frio mais intenso, usado quando se requer maior resistência
H18	Muito alta	Baixo	Limitada	Excelente	Máximo trabalho a frio comercial para a série 3xxx
H111	Variável	Variável	Boa	Excelente	Essencialmente algum grau de encruamento após fabricação

A têmpera tem efeito de primeira ordem nas propriedades do 3N21: o aumento do trabalho a frio eleva o limite de escoamento e a resistência à tração enquanto reduz o alongamento e a conformabilidade. Rotas típicas de produção utilizam O para estampagem profunda e têmperas H1x como compromisso entre conformabilidade e resistência para componentes estampados ou estruturais.

Composição Química

Elemento	Faixa %	Observações
Si	≤ 0,6	Controlado para reduzir defeitos de fundição/segregação e manter ductilidade
Fe	≤ 0,7	Impureza comum; excesso reduz ductilidade e resistência à corrosão
Mn	0,8 – 1,8	Elemento principal de liga que proporciona endurecimento por solução sólida e dispersão
Mg	≤ 0,5	Pequenas adições melhoram resistência e resposta ao encruamento
Cu	≤ 0,20	Limitado para preservar resistência à corrosão e soldabilidade
Zn	≤ 0,30	Mantido baixo para evitar compensações entre resistência e corrosão galvânica
Cr	≤ 0,10	Adições-traço controlam estrutura de grãos e recristalização
Ti	≤ 0,15	Refinador de grão para tarugos fundidos/extrudados, efeito pequeno nas propriedades
Outros (cada)	≤ 0,05	Controle de impurezas (Ni, Pb, Bi, Sn) é importante para ductilidade e soldabilidade

A composição enfatiza o manganês como principal agente de liga, com limites conservadores para cobre, zinco e magnésio para manter boa resistência à corrosão e soldabilidade. Elementos menores e controle de impurezas influenciam principalmente o comportamento de recristalização, tamanho de grãos e resposta ao trabalho a frio, que juntos determinam características de conformação e fadiga.

Propriedades Mecânicas

O comportamento à tração do 3N21 é característico de ligas contendo Mn e não tratáveis termicamente: resistência relativamente baixa na condição recozida com aumento acentuado pelo trabalho a frio. O limite de escoamento apresenta forte elevação nas têmperas H; sob trabalho a frio intenso a liga pode se aproximar da faixa média a alta de resistência à tração do alumínio estrutural, enquanto a ductilidade diminui proporcionalmente. Dureza se correlaciona com a têmpera e pode ser usada como indicador rápido in loco do estado de encruamento; a dureza aumenta aproximadamente de forma linear com a deformação a frio cumulativa até os limites práticos de conformação.

O desempenho à fadiga é geralmente favorável em comparação com ligas ricas em cobre ou zinco, pois a solução sólida à base de manganês reduz a suscetibilidade a fissuração assistida por corrosão localizada. A espessura afeta a resistência principalmente pela eficiência do trabalho a frio e o estado de tensões residuais; seções mais espessas são mais difíceis de encruar uniformemente e podem manter ductilidade maior em têmperas equivalentes. A soldagem introduz amolecimento local nas têmperas trabalhadas a frio, mas geralmente não produz fragilização; a vida em fadiga próxima às soldas deve ser avaliada para concentrações de tensão e condição da ZAC.

Propriedade	O/Recozida	Têmpera Chave (H14/H18)	Observações
Resistência à Tração (MPa)	100 – 140	190 – 260	Faixas típicas para chapa; depende do trabalho a frio exato e espessura
Limite de Escoamento (MPa)	30 – 70	120 – 220	Aumento significativo com encruamento; valores variam com a têmpera
Alongamento (%)	20 – 35	5 – 15	Recozida tem alta ductilidade; trabalho a frio intenso reduz consideravelmente o alongamento
Dureza (HV)	30 – 50	60 – 95	Aumento de dureza reflete grau de encruamento; valores aproximados pelo método Vickers

Propriedades Físicas

Propriedade	Valor	Observações
Densidade	2,68 – 2,70 g/cm³	Típica para ligas Al-Mn; ligeiramente inferior a muitas classes de aço em massa
Faixa de Fusão	640 – 653 °C	Faixa solidus-líquidus dependente de liga menor; padrão para ligas de alumínio
Condutividade Térmica	140 – 170 W/(m·K)	Inferior ao alumínio puro devido à liga; ainda boa para dissipação de calor
Condutividade Elétrica	~30 – 45 % IACS	Reduzida em relação ao alumínio puro; condutividade inversamente relacionada ao teor de liga
Calor Específico	~0,90 J/(g·K)	Aproximado; útil para cálculos de gerenciamento térmico
Coeficiente de Dilatação Térmica	23 – 24 ×10⁻⁶ /K	Semelhante a muitas ligas de alumínio; relevante para cálculos de tensões térmicas e montagem

Os constantes físicas posicionam o 3N21 na classe dos materiais estruturais metálicos leves adequados para aplicações que exigem baixa densidade e condutividades térmica/eléctrica razoáveis. Condutividade elétrica e térmica são adequadas para muitos papéis de dissipação de calor ou condutividade limitada, mas devem ser confirmadas contra parâmetros do alumínio puro quando necessário. A dilatação térmica é típica de ligas de alumínio e deve ser considerada em conjuntos de materiais distintos para evitar tensões térmicas.

Formas de Produto

Forma	Espessura/Tamanho Típico	Comportamento de Resistência	Têmperas Comuns	Observações
Chapa	0,3 – 6,0 mm	Resistência obtida via trabalho a frio; calibres menores mais fáceis de conformar a frio	O, H14, H16	Usada amplamente para painéis, fachadas e peças estampadas profundas
Placa	6 – 25 mm	Limitada industrialmente; menos comum devido a limites de conformabilidade	O, H18	Seções mais espessas são mais desafiadoras para trabalho a frio uniforme
Extrusão	Perfis até 200 mm	Pode ser solubilizada no tarugo e então encruada em serviço	O, H112/H116	Tarugos de extrusão com grão refinado para estabilidade dimensional
Tubo	Diâmetro externo 6 – 100 mm	Propriedades mecânicas dependem de trefilação e têmpera	O, H14	Usado para tubos estruturais e conduítes onde a resistência à corrosão é importante
Barra/Pedra	Ø 4 – 60 mm	Resistência depende da condição batida/trabalhada a frio	O, H12/H14	Tipicamente fornecida para usinagem ou pequenas peças estruturais

A forma afeta o comportamento mecânico porque o trabalho a frio durante a conformação determina a têmpera final e a anisotropia nas propriedades. Chapas e extrusões finas são as formas processadas economicamente mais viáveis para 3N21, enquanto placas mais espessas são produzidas, porém com conformabilidade limitada e requerem controle específico do processo para alcançar uniformidade mecânica desejada. A seleção da forma do produto deve ponderar os processos posteriores: estampagem profunda e conformação favorecem chapas finas nas têmperas O/H1x, enquanto membros estruturais frequentemente utilizam têmperas H trabalhadas a frio para maior capacidade de carga.

Graus Equivalentes

Norma	Grau	Região	Observações
AA	3N21	USA	Designação usada em alguns catálogos de fornecedores; alinha-se com padrões da série 3xxx Mn
EN AW	3003 / similar ao 3N21	Europa	Não há correspondência direta 1:1; EN AW-3003 é o equivalente comum mais próximo na prática
JIS	similar ao A3003	Japão	Composição e tratamentos térmicos JIS são similares; referência direta exige verificação química
GB/T	3N21	China	Norma chinesa usa a designação 3N21 em certas especificações de material

A equivalência direta entre normas requer comparação cuidadosa química e de propriedades; algumas normas consolidam ligas de Mn estreitamente relacionadas sob números comuns (ex. 3003). Diferenças sutis ocorrem devido a limites de impurezas, metas de limite de escoamento/tração e históricos de processamento permitidos, portanto qualificação cruzada e certificação do fornecedor são recomendadas para aplicações críticas. Ao substituir ou adquirir 3N21 de diferentes regiões, valide o mapeamento do tratamento térmico e critérios mecânicos de aceitação ao invés de confiar apenas no nome.

Resistência à Corrosão

3N21 apresenta boa resistência geral à corrosão atmosférica típica de ligas de manganês com baixo teor de cobre, formando uma película de óxido protetora e aderente que retarda a degradação adicional. Em ambientes marítimos, tem desempenho favorável em relação a muitas ligas endurecíveis por tratamento térmico de maior resistência devido ao conteúdo limitado de cobre e zinco, mas imersão prolongada e exposição a cloretos ainda requerem considerações de projeto como revestimentos, proteção catódica ou ânodos sacrificiais. A fissuração por corrosão sob tensão (SCC) não é modo principal de falha para ligas não endurecíveis à base de Mn, mas ataque localizado em soldas, reentrâncias ou sob depósitos pode acelerar a corrosão localizada (pitting) e subsequente iniciação de fadiga.

Interações galvânicas com metais diferentes devem ser consideradas: 3N21 é anódico em relação a aços inoxidáveis e ligas de cobre, assim em contato o alumínio corroerá preferencialmente a menos que eletricamente isolado ou o sistema seja projetado para acomodar correntes galvânicas. Em comparação com ligas 5xxx contendo magnésio, 3N21 geralmente apresenta soldabilidade comparável ou ligeiramente superior e resistência à corrosão similar, mas as séries 5xxx podem fornecer maior resistência onde a soldagem é menos crítica. Frente às ligas 6xxx endurecíveis, 3N21 troca resistência máxima alcançável por melhor resistência a certas formas de corrosão localizada e comportamento mais fácil de soldagem e conformação.

Propriedades de Fabricação

Soldabilidade

A soldagem de 3N21 por MIG (GMAW), TIG (GTAW) e processos de resistência é direta na maioria dos tratamentos devido ao baixo teor de cobre e impurezas controladas, produzindo cordões com boa ductilidade. Arames de adição recomendados são ligas alumínio-Mn/Cu de baixo teor (ex. aditivos à base de AlSi em alguns casos) escolhidos para casar desempenho à corrosão e requisitos mecânicos da junta. O risco de trincas por calor é baixo comparado a ligas de alto teor de cobre, mas o amolecimento da zona termicamente afetada (ZTA) em tratamentos com encruamento é comum e deve ser considerado no projeto da junta e tratamento pós-soldagem.

Usinabilidade

A usinagem do 3N21 é típica de ligas Al-Mn: boa formação de cavacos, baixas forças de corte e acabamento superficial favorável com ferramentas de metal duro. O índice de usinabilidade é moderado comparado a variedades de fácil usinagem; velocidades e avanços devem ser ajustados ao tratamento térmico e tamanho da seção para evitar criação de rebarbas e aresta acumulada. Uso de fluido refrigerante ou jato de ar é recomendado para cortes mais pesados para evacuação dos cavacos e controle da dilatação térmica.

Conformabilidade

A conformação a frio é uma das maiores qualidades do 3N21 nos tratamentos O e H leves; raios de dobra apertados e estampagem profunda são possíveis com lubrificação apropriada e ferramentaria progressiva. Os raios mínimos recomendados dependem do tratamento e espessura, mas o temperamento O acomoda raios tão pequenos quanto 1 a 2× a espessura para muitas peças estampadas enquanto H18 exige raios maiores para evitar trincas. Se conformação complexa for necessária, iniciar em O ou H12 e aplicar sequências controladas de encruamento para alcançar metas mecânicas finais.

Comportamento ao Tratamento Térmico

3N21 é uma liga não endurecível e, portanto, não se beneficia de tratamentos de solubilização e envelhecimento artificial usados em ligas 6xxx ou 7xxx. Seu processo de endurecimento baseia-se em trabalho a frio (tratamentos H), encruamento e, quando aplicável, tratamentos de estabilização para controlar a estrutura de grãos e resposta à recristalização. Ciclos de recozimento restauram ductilidade (temperamento O) por recristalização; procedimentos industriais de recozimento são usados para bobinas ou peças que necessitam de estampagem profunda posterior. Exposição térmica durante o serviço ou fabricação (ex. soldagem) pode causar amolecimento local e recristalização parcial, alterando tensões residuais e tolerâncias dimensionais.

Desempenho em Alta Temperatura

Em temperaturas elevadas, 3N21 vai perdendo resistência progressivamente e não é recomendado para aplicações estruturais acima de aproximadamente 150 – 200 °C em cargas sustentadas. A oxidação é limitada pela camada de óxido de alumínio, mas temperaturas elevadas aceleram processos de difusão e recuperação microestrutural que reduzem a resistência do estado encruado. A ZTA em torno de soldas pode apresentar amolecimento semelhante ao sobreenvelhecimento em temperaturas moderadas devido à recuperação; projetistas devem validar comportamento à fluência e relaxamento para componentes submetidos a cargas térmicas cíclicas. Para exposição intermitente a temperaturas maiores, o desempenho em curto prazo é aceitável, mas o uso a longo prazo em alta temperatura deve preferir ligas projetadas para estabilidade térmica elevada.

Aplicações

Indústria	Componente Exemplo	Por que 3N21 é Usado
Automotiva	Painéis da carroceria, reforços internos	Combinação de conformabilidade, resistência à corrosão e resistência moderada
Marítima	Painéis da superestrutura, peças de acabamento	Boa resistência a cloretos e soldabilidade na fabricação
Aeroespacial	Fixadores secundários, elementos estruturais não críticos	Relação favorável resistência-peso e propriedades de fadiga para estruturas secundárias
Eletrônica	Chassis, suportes, dissipadores térmicos	Equilíbrio entre condutividade térmica, conformabilidade e resistência à corrosão

3N21 é usado em aplicações que requerem equilíbrio econômico entre manufaturabilidade e durabilidade ambiental ao invés da máxima resistência possível. Sua combinação de conformabilidade, soldabilidade e desempenho à corrosão o torna uma liga versátil para componentes em chapa metálica onde conformação e união são operações frequentes. A liga é particularmente atraente quando projetistas preferem evitar processos de tratamento térmico, mas necessitam capacidade estrutural maior que graus de pureza comercial.

Informações para Seleção

Para seleção geral, escolha 3N21 quando precisar de uma liga não endurecível com melhor resistência e resistência à fadiga que alumínio puro comercial mantendo excelente conformabilidade e soldabilidade. Em comparação ao 1100, 3N21 sacrifica um pouco de condutividade elétrica e térmica e alguma ductilidade do metal puro em troca de limite de escoamento e resistência à tração substancialmente maiores. Frente a ligas encruadas como 3003 e 5052, 3N21 normalmente apresenta resistência similar ou ligeiramente maior para resistência à corrosão comparável, sendo preferível quando se deseja impulso intermediário de resistência sem migrar para ligas endurecíveis.

Em comparação com ligas endurecíveis como 6061 ou 6063, 3N21 não alcançará a mesma resistência máxima, mas oferece processamento mais simples (sem ciclos de solubilização/envelhecimento) e conformabilidade e resposta à soldagem superiores em muitos componentes soldados ou conformados. Use 3N21 quando eficiência de conformação e união, desempenho consistente à corrosão e capacidade estrutural moderada forem mais importantes que maximizar resistência por unidade de peso.

Resumo Final

3N21 permanece relevante pois combina as vantagens práticas da família de ligas de manganês 3xxx—boa resistência à corrosão, excelente conformabilidade e soldabilidade fácil—com uma rota econômica para resistência estrutural moderada via trabalho a frio. Seu conjunto equilibrado de propriedades e flexibilidade de processamento fazem dele uma escolha pragmática para muitas aplicações nos setores de transporte, marítimo, arquitetônico e aeroespacial leve onde manufaturabilidade e durabilidade ambiental são essenciais.