Alumínio AlZnMgCu: Composição, Propriedades, Guia de Têmpera e Aplicações

Visão Abrangente

As ligas AlZnMgCu pertencem à série 7xxx de ligas de alumínio, nas quais o zinco é o principal elemento de liga, e o magnésio e o cobre são elementos secundários significativos. Essas ligas são tratáveis termicamente e obtêm sua resistência principalmente através do endurecimento por precipitação por meio das sequências de tratamento de solubilização, têmpera e envelhecimento artificial. Membros típicos de alta resistência dessa família, como o AA 7075, oferecem algumas das maiores relações resistência-peso disponíveis entre as ligas de alumínio forjadas, embora com uma compensação na resistência absoluta à corrosão e facilidade de soldagem em comparação com famílias de menor resistência. São amplamente utilizadas em aeroespacial, defesa, artigos esportivos de alto desempenho e certas aplicações estruturais automotivas onde alta resistência estática ou à fadiga é um parâmetro crítico de projeto.

Os principais elementos de liga nos sistemas Al–Zn–Mg–Cu são o zinco (promoção de precipitados de endurecimento por envelhecimento), o magnésio (forma precipitados de fortalecimento com o zinco) e o cobre (aumenta a resistência, porém pode reduzir a resistência à corrosão e aumentar a susceptibilidade à fissuração sob tensão – SCC). Pequenas adições, como cromo e zircônio, são usadas para refinamento de grão e controle de recristalização, a fim de manter a resistência em produtos submetidos a processamento termomecânico. Essas ligas são escolhidas em detrimento das séries 6xxx ou 5xxx quando se prioriza resistência máxima e tenacidade por unidade de massa, e em substituição aos aços inoxidáveis quando se busca redução de peso com rigidez e desempenho à fadiga comparáveis. A seleção frequentemente é regida por um equilíbrio entre desempenho mecânico (resistência, rigidez, fadiga) e a necessidade de medidas de mitigação da corrosão, como revestimentos, cladagem ou envelhecimento excessivo.

Considerações de fabricação influenciam fortemente a escolha de um grau e tratamento térmico específicos da liga AlZnMgCu. A capacidade de tratamento térmico, disponibilidade em formas de produto (chapa, placa, perfis extrudados) e possibilidade de realizar tratamentos pós-soldagem ou pós-formação determinam se um componente pode atingir o potencial total da liga. A combinação de alta resistência, usinabilidade razoável e adaptabilidade a processos padrão de união e acabamento do alumínio torna as ligas AlZnMgCu uma escolha prática para estruturas projetadas onde a eficiência de massa é crítica.

Os projetistas também devem considerar restrições ambientais e de ciclo de vida ao especificar AlZnMgCu. Estratégias de proteção anticorrosiva, suscetibilidade à fissuração sob tensão (SCC) sob esforços de tração e determinados tratamentos térmicos, e a sensibilidade das propriedades à espessura e histórico térmico são fatores que influenciam a seleção do material, o processo de fabricação e planos de manutenção em serviço. O resultado final é uma família de ligas de alto desempenho, indispensável quando há um objetivo de projeto sensível a peso e quando estratégias adequadas de mitigação da corrosão e soldabilidade são implementadas.

Variantes de Tratamento Térmico

Tratamento	Nível de Resistência	Alongamento	Conformabilidade	Soldabilidade	Observações
O	Baixo	Alto	Excelente	Excelente	Condicional totalmente recozida; máxima ductilidade e conformabilidade
T4	Baixo–Médio	Médio	Boa	Boa	Tratada em solução e envelhecida naturalmente; estado intermediário
T6	Alto	Baixo–Médio	Regular	Ruim–Regular	Tratada em solução e envelhecida artificialmente para resistência máxima
T73 / T76	Médio–Alto	Médio	Melhorada	Melhor que T6	Tratamentos superenvelhecidos para melhor resistência à SCC e tenacidade
T651	Alto	Baixo–Médio	Regular	Ruim–Regular	T6 com alívio de tensão por alongamento ou compressão
H112 / H116	Variável	Variável	Variável	Variável	Tratamentos controlados comercialmente para controle parcial de propriedades
H14	Médio	Baixo	Regular	Ruim–Regular	Endurecido por deformação e parcialmente recozido; usado para extrusões e chapas

O estado do tratamento térmico exerce efeito dominante no desempenho mecânico, resistência à corrosão e comportamento na conformação das ligas AlZnMgCu. Tratamentos de envelhecimento máximo como T6 maximizam resistência à tração e limite de escoamento, mas reduzem significativamente a ductilidade e tornam a conformação e soldagem mais desafiadoras sem restauração pós-processo.

O superenvelhecimento para T73/T76 reduz a força motriz para a fissuração sob tensão (SCC) e melhora a resistência à esfoliação e ataque intergranular, às custas de uma queda mensurável nos limites de escoamento e resistência à tração máxima. A seleção do tratamento térmico é, portanto, um equilíbrio entre resistência máxima requerida e durabilidade ambiental.

Composição Química

Elemento	Faixa %	Observações
Si	≤ 0,40	Impureza; promove fluidez na fundição e pode formar intermetálicos que reduzem a tenacidade
Fe	≤ 0,50	Impureza; forma intermetálicos frágeis que podem reduzir ductilidade e resistência à corrosão
Mn	≤ 0,30	Moderador menor da estrutura de grão; limitado na série 7xxx para evitar intermetálicos prejudiciais
Mg	1,5 – 3,0	Contribui para resistência; forma precipitados MgZn2 com Zn durante o envelhecimento
Cu	0,5 – 2,5	Aumenta resistência e tenacidade, porém eleva suscetibilidade à corrosão e SCC
Zn	3,5 – 8,0	Elemento primário de endurecimento; maior Zn eleva resistência máxima via precipitação
Cr	0,04 – 0,35	Controla recristalização e estrutura de grão, melhora tenacidade e resistência ao crescimento do grão
Ti	≤ 0,20	Refinador de grão durante solidificação e processamento termomecânico
Outros	Balanceamento Al + traços	Adições em traços e resíduos (ex.: Zr) usadas para controle de grãos e modificação de textura

A química da liga Al–Zn–Mg–Cu é otimizada para promover a formação de finas zonas GP e precipitados MgZn2 (η′/η) durante o envelhecimento, que são os principais agentes de endurecimento. O cobre modifica a sequência de precipitação e contribui para aumento da resistência máxima e tenacidade, mas também altera o comportamento eletroquímico e aumenta o potencial de corrosão localizada e SCC, a menos que mitigados por seleção do tratamento térmico ou cladagem.

Elementos em traço, como cromo e zircônio, são micro-ligas deliberadamente adicionadas para “fixar” os contornos de grão e controlar a recristalização durante o trabalho em quente e ciclos térmicos. O controle de impurezas como ferro e silício é essencial porque suas fases intermetálicas são pontos de iniciação de fissuras e corrosão localizada em tratamentos de alta resistência.

Propriedades Mecânicas

As ligas AlZnMgCu exibem um amplo espectro de comportamento mecânico dependendo do tratamento térmico, da forma do produto e da espessura. No envelhecimento máximo T6, essas ligas apresentam alta resistência à tração e limites de escoamento elevados, com ductilidade tipicamente na faixa de dígitos simples a baixos dígitos duplos em porcentagem. Em condições recozidas ou tratadas em solução, a mesma liga apresentará alongamento muito maior e menor limite de escoamento, permitindo operações de conformação impossíveis na condição T6.

O comportamento à fadiga é geralmente excelente para AlZnMgCu quando fabricado com estrutura de grão controlada e defeitos superficiais mínimos, tornando-o favorável para aplicações com carregamento cíclico. No entanto, fadiga e tenacidade à fratura são sensíveis a tensões residuais de tração e heterogeneidades microestruturais; o superenvelhecimento (T73/T76) pode melhorar a resistência à propagação de trincas de fadiga, às custas da redução da resistência estática. Os efeitos de espessura são pronunciados: seções mais espessas frequentemente apresentam redução de resistência devido a taxas mais lentas de têmpera e distribuição de precipitados mais grosseira, exigindo controles de processamento como medidas para inibir a têmpera ou ciclos de envelhecimento ajustados.

A dureza segue o comportamento da resistência à tração, com temperas de envelhecimento máximo exibindo valores de dureza substancialmente maiores que os estados recozidos ou envelhecidos naturalmente. A entrada de calor oriunda da soldagem ou operações localizadas de alta temperatura produz zonas amolecidas (ZTA) pela dissolução ou coarsening dos precipitados de fortalecimento, o que reduz o limite de escoamento e resistência à fadiga local, frequentemente exigindo tratamento térmico pós-soldagem ou adaptações no projeto.

Propriedade	O/Recozido	Tratamento Principal (ex.: T6/T651)	Observações
Resistência à Tração	250 – 350 MPa	480 – 620 MPa	Grande variação dependendo da variante da liga e espessura; T6 próximo dos valores máximos
Limite de Escoamento	120 – 300 MPa	410 – 540 MPa	Limite de escoamento aumenta significativamente com envelhecimento; relação escoamento/tração varia conforme o tratamento
Alongamento	12 – 20%	5 – 15%	Ductilidade reduzida no envelhecimento peak; conformação é mais fácil nos estados O/T4
Dureza	60 – 95 HB	135 – 165 HB	Dureza corresponde à densidade de precipitados e tratamento; valores medidos dependem da escala

Propriedades Físicas

Propriedade	Valor	Observações
Densidade	2,78 – 2,82 g/cm³	Ligeiramente menor que aço; excelente eficiência de massa para peças estruturais
Faixa de Fusão	~480 – 635 °C	Intervalo solidus−líquidus depende do teor de zinco e cobre; evitar serviço próximo ao ponto eutético
Condutividade Térmica	120 – 160 W/m·K	Inferior ao alumínio puro mas ainda alta comparada a aços; benefícios no projeto de caminhos térmicos
Condutividade Elétrica	20 – 35 % IACS	Reduzida em relação ao alumínio puro devido à liga; espessura e tratamento tem pequeno efeito
Calor Específico	~870 – 910 J/kg·K	Valor aproximado próximo à temperatura ambiente para cálculo de massa térmica
Coeficiente de Dilatação Térmica	23–24 µm/m·K (20–100 °C)	Dilatação típica do alumínio; importante para projetos de juntas multimateriais

As ligas AlZnMgCu mantêm muitas das características físicas favoráveis do alumínio, notadamente baixa densidade e condutividade térmica relativamente alta em comparação com materiais ferrosos. Essas propriedades as tornam atraentes em aplicações que exigem gerenciamento térmico e componentes estruturais leves, mas os projetistas devem considerar a condutividade elétrica inferior ao alumínio puro ao especificar para aplicações elétricas.

A estabilidade térmica e características de fusão definem limites práticos para exposição térmica durante processos e serviço. A microestrutura reforçada por precipitação é sensível à temperatura: exposição prolongada acima de aproximadamente um terço a metade da temperatura de fusão (em escala absoluta) causa amolecimento e perda de integridade mecânica, o que é particularmente relevante para soldagem, brasagem e serviço em altas temperaturas.

Formas do Produto

Forma	Espessura/Tamanho Típico	Comportamento de Resistência	Tratamentos Comuns	Observações
Chapa	0,4 – 6,0 mm	Bom controle da espessura é necessário para chapas grossas	T6, T651, T73	Comum para revestimentos estruturais e painéis; sensibilidade à têmpera afeta seções grossas
Placa	6 – 200 mm	Resistência pode cair com o aumento da espessura devido ao resfriamento mais lento	T6, T651, T73	Placas pesadas exigem têmpera e revenimento controlados para manter propriedades
Extrusão	Perfis complexos, diversas espessuras de parede	Microestrutura extrudada beneficia-se do envelhecimento pós-extrusão	T6, T73, H112	Usado para perfis estruturais de alta resistência e conexões
Tubo	paredes finas a grossas	Soldagem e conformação afetam propriedades locais; alta capacidade de pressão no T6	T6, T73	Aplicações em trocadores de calor e tubos estruturais onde razão resistência-peso é crítica
Barra/Talo	diâmetros até várias centenas de mm	Boa usinabilidade; seções grandes requerem processamento térmico	T6, O, T73	Usado para forjados, componentes usinados e conexões aeroespaciais

As rotas de processamento variam entre as formas de produto: chapas e placas geralmente são tratadas termicamente em escala de produção, depois temperadas e envelhecidas, enquanto extrusões exigem controle cuidadoso de taxas de têmpera e às vezes envelhecimento direto para alcançar as combinações desejadas de propriedades. Espessura da placa e capacidade de têmpera são entradas críticas no projeto; quando uniformidade máxima do tratamento térmico é necessária, seções mais finas ou homogeneização pós-processo podem ser especificadas.

As aplicações influenciam a forma e tratamento escolhidos; por exemplo, revestimentos estruturais aeroespaciais usam chapa laminada em T6/T651 com revestimento ou proteção anticorrosiva, enquanto componentes estruturais marítimos frequentemente usam tratamentos sobremaduras e tratamentos superficiais. Folgas para usinagem e controle de distorção também são orientados pela seleção da forma e tratamento.

Graus Equivalentes

Norma	Grau	Região	Observações
AA	7075 / AlZnMgCu	USA	7075 é o representante comercial mais comum das ligas Al–Zn–Mg–Cu de alta resistência
EN AW	7075	Europa	EN AW-7075 está em conformidade com a numeração europeia de ligas; química e tratamentos similares
JIS	A7075	Japão	Designação japonesa para a família 7075 com tolerâncias de processamento específicas da região
GB/T	7075	China	Norma chinesa cobre equivalentes do 7075 e especificações de tratamento térmico

Diferenças sutis entre normas decorrem das tolerâncias para elementos impurezas, janelas precisas de composição e faixas permitidas para propriedades mecânicas em cada tratamento. Para componentes aeroespaciais ou de segurança crítica, as especificações de compra referenciam uma norma e tratamento específico com testes e certificações definidos para garantir intercambiabilidade e desempenho reprodutível.

Práticas regionais de tratamento térmico e tratamentos permitidos (ex.: designação T651 vs T6511 vs T73) podem impor diferenças no controle de tensões residuais e metas de alongamento mesmo para ligas com química nominalmente idêntica. Sempre faça referência cruzada dos chamados em desenho com certificações de mill do fornecedor e relatórios de ensaio.

Resistência à Corrosão

As ligas AlZnMgCu apresentam resistência moderada à corrosão geral em ambientes atmosféricos, mas são mais suscetíveis à corrosão localizada (pitting e exfoliação) e trincas por corrosão sob tensão comparadas às ligas das séries 5xxx e algumas 6xxx. A presença de cobre e uma alta razão Zn:Mg aumentam a heterogeneidade eletroquímica e favorecem ataques localizados quando expostas a ambientes contendo cloretos, tornando comuns os revestimentos protetores, revestimentos (Alclad) ou medidas anódicas sacrificial em aplicações marítimas e costeiras. Sobrenvelhecimento para T73/T76 ou revestimento com camadas de alumínio de alta pureza melhoram substancialmente a resistência à exfoliação e SCC, embora isso reduza a resistência máxima obtida.

Exposição marítima requer mitigação cuidadosa: em água do mar e zonas de salpico, ligas AlZnMgCu de alta resistência não protegidas podem perder desempenho rapidamente devido a pitting e SCC se houver tensões trativas presentes. Estratégias de projeto incluem uso de revestimentos sacrificial, proteção catódica, seleção de tratamentos sobremaduros e evitar geometrias que formem frestas. Fixadores e conjuntos geralmente são isolados de metais diferentes ou usam componentes resistentes à corrosão para prevenir aceleração galvânica do ataque ao alumínio.

Trincas por corrosão sob tensão são um modo de falha notável para tratamentos de alta resistência sob tensão trativa sustentada em ambientes cloretados corrosivos. A suscetibilidade pode ser reduzida abaixando o limite de escoamento (sobrenvelhecimento), aplicando tensões compressivas superficiais (incidência) ou alterando a química da liga. Em comparação com ligas 6xxx (ex.: 6061), as ligas 7xxx apresentam maior resistência, mas requerem controle ambiental e considerações de projeto mais rigorosos para evitar falhas por SCC.

Propriedades de Fabricação

Soldabilidade

A soldagem das ligas AlZnMgCu é desafiadora em tratamentos envelhecidos peak porque o calor dissolverá ou coarsificará os precipitados endurecedores, produzindo uma zona termicamente afetada (ZTA) amolecida com resistência ao escoamento e fadiga significativamente reduzidas. Métodos de soldagem por fusão como TIG e MIG são viáveis para reparos e fabricação, mas o metal de solda e a ZTA serão geralmente consideravelmente mais fracos que o material base T6, a menos que se realize tratamento por solubilização e envelhecimento pós-soldagem, o que é frequentemente impraticável em estruturas montadas. Ligas de adição como 5356 ou 4043 são habitualmente usadas; entretanto, 5356 (Al–Mg) oferece melhor resistência, e ligas de enchimento especialmente formuladas para 7xxx podem ser aplicadas para minimizar incompatibilidades galvânicas e de resistência. Risco de trincas por quente é maior em ligas com maior teor de zinco, por isso preparação prévia à soldagem, design de junta e controle do aporte térmico são críticos.

Usinabilidade

A usinabilidade do AlZnMgCu é geralmente boa em relação aos aços, com formação de cavacos previsível e baixas temperaturas de corte, mas a alta resistência e dureza dos tratamentos envelhecidos aumentam o desgaste da ferramenta comparado a ligas de alumínio mais macias. Ferramentas de carboneto com geometria afiada e ângulos de ataque positivos são preferidas para manejo eficiente dos cavacos e redução de aresta incrustada; velocidades de corte são maiores que em aços, mas devem ser limitadas para evitar temperaturas superficiais excessivas que alteram o tratamento local. Para componentes aeroespaciais de tolerância apertada, é essencial prever alívio de tensões e controle de distorção durante a usinagem e acabamento subsequente para manter estabilidade dimensional e desempenho mecânico.

Conformabilidade

A conformação a frio é mais eficaz nas condições O, T4 ou parcialmente recozidas, onde a ductilidade é suficiente para operações de dobra e estampagem profunda, enquanto as condições T6 e H14 são menos formáveis e mais propensas a trincas durante dobras severas. Os raios mínimos de dobra são determinados pela condição do material e espessura; uma regra conservadora para chapas T6 é utilizar um raio mínimo interno de dobra de 1–2× a espessura, enquanto condições mais macias podem permitir raios próximos ou inferiores a 1× a espessura, dependendo da ferramenta e da fixação da chapa. Quando são necessárias formas complexas, recomenda-se conformar em condições mais macias seguido por tratamento térmico controlado para restaurar a resistência, ou projetar com dobras de aba (hemming) e conformação incremental para evitar falhas na peça.

Comportamento ao Tratamento Térmico

As ligas AlZnMgCu são clássicas ligas tratáveis termicamente; os principais passos do processamento térmico incluem o tratamento de solução, têmpera e envelhecimento artificial. O tratamento de solução é tipicamente realizado próximo a 470–480 °C para dissolver o zinco e magnésio solúveis numa solução sólida supersaturada, seguido por têmpera rápida (em água ou polímero) para reter essa supersaturação. O envelhecimento artificial (T6) é feito em temperaturas em torno de 120–160 °C por tempos estabelecidos para precipitar finos precipitados do tipo η′ e zonas GP que fornecem a dureza e resistência máximas.

O envelhecimento natural (T4) pode proporcionar resistência intermediária e é o ponto de partida para algumas sequências de fabricação, enquanto tratamentos de sobrematuração (T7/T73/T76) intencionalmente coarsificam os precipitados para reduzir a suscetibilidade à corrosão sob tensão e melhorar a tenacidade à fratura e estabilidade dimensional. A designação T651 indica uma condição T6 com alívio controlado de tensões (tratamento por estiramento ou compressão) após a têmpera, o que mitiga distorções em componentes de precisão. O controle do processo de resfriamento é crítico; seções espessas que resfriam lentamente podem não alcançar a mesma supersaturação e, portanto, apresentar resistência inferior.

O comportamento não tratável termicamente em condições H envolve endurecimento por deformação; entretanto, a família AlZnMgCu de alta resistência geralmente é projetada para desenvolvimento de resistência por tratamento térmico ao invés de endurecimento por deformação. O recozimento restaura a ductilidade por recristalização e dissolução das fases endurecedoras, possibilitando operações de conformação antes do novo envelhecimento.

Desempenho em Alta Temperatura

A resistência das ligas AlZnMgCu em temperaturas elevadas decresce rapidamente com o aumento da temperatura; perda significativa de resistência é observada para temperaturas acima de ~100 °C, e o uso em aplicações estruturais acima de ~150 °C é geralmente limitado. Os precipitados responsáveis pelo endurecimento coarsificam ou dissolvem em temperaturas elevadas, levando ao amolecimento e redução dos limites de escoamento e resistência à fadiga. A oxidação em temperaturas moderadas é mínima para alumínio em comparação com aços, mas os filmes de óxido protetores não previnem o coarsificação microestrutural.

Para componentes soldados, o comportamento da zona afetada pelo calor (ZAC) em altas temperaturas é uma preocupação principal: sobrematuração local ou dissolução dos precipitados endurecedores causam zonas amolecidas que podem determinar falhas em ciclos térmicos ou aplicações suscetíveis ao fluência. O projeto para exposição em alta temperatura requer seleção de ligas mais termicamente estáveis ou incorporação de barreiras térmicas e intervalos frequentes de inspeção.

Aplicações

Setor	Exemplo de Componente	Motivo do Uso de AlZnMgCu
Aeroespacial	Casco das asas, armações da fuselagem, acessórios	Resistência específica excepcional e tenacidade em membros estruturais
Marítimo	Acessórios de casco de alta resistência, mastros	Alta resistência estática com medidas de mitigação contra corrosão; economia de peso crítica
Automotivo	Componentes de chassis de alto desempenho, peças de suspensão	Redução de peso e rigidez onde a eficiência de massa melhora a dinâmica
Defesa	Carcaças de blindagem, corpos de míssil	Soluções estruturais leves e de alta resistência para eficiência de carga útil
Esportes e Lazer	Quadros de bicicleta premium, equipamentos de escalada	Alta resistência específica e resistência à fadiga para equipamentos de desempenho

As ligas AlZnMgCu permanecem como material preferencial onde o objetivo de projeto enfatiza máxima eficiência estrutural por unidade de massa e onde podem ser empregadas práticas controladas de fabricação e mitigação da corrosão. Essa família de ligas suporta componentes críticos em diversos setores onde cargas estáticas e de fadiga dominam os requisitos de projeto.

Considerações para Seleção

Ao escolher AlZnMgCu para um componente, priorize esse material quando resistência específica e resistência à fadiga são requisitos primários e quando a fabricação pode acomodar tratamento térmico e proteção contra corrosão. Se máxima ductilidade, condutividade e soldabilidade simples forem prioritárias, o alumínio comercialmente puro (ex.: 1100) superará AlZnMgCu nessas métricas específicas, às custas da capacidade estrutural.

Comparado com ligas endurecidas por trabalho como 3003 ou 5052, AlZnMgCu oferece resistência estática e à fadiga muito maiores, mas normalmente requer proteção contra corrosão mais robusta e possui formabilidade reduzida nas condições de pico. Em relação a ligas tratáveis termicamente comuns como 6061 ou 6063, AlZnMgCu geralmente proporciona maior resistência máxima e frequentemente melhor desempenho em fadiga, porém pode ser mais caro, menos soldável sem tratamento pós-solda e mais suscetível à corrosão sob tensão sem sobrematuração ou medidas protetivas.

Use AlZnMgCu quando a vida útil sob carregamento cíclico, rigidez por massa e peso mínimo da peça forem mais importantes que os custos aumentados de acabamento e controle da corrosão. Selecione variantes sobrematuradas ou revestidas para ambientes agressivos e reserve condições de pico para componentes cuja exposição corrosiva em serviço seja limitada ou bem controlada.

Resumo Final

As ligas AlZnMgCu combinam algumas das maiores resistências e características favoráveis de fadiga disponíveis entre ligas de alumínio forjado, tornando-as indispensáveis para aplicações de engenharia de alto desempenho e com restrição de peso. Uso responsável requer atenção à seleção de condição, mitigação da corrosão e controles de fabricação para alcançar o desempenho da liga sem comprometer a durabilidade em serviço.