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Titânio e suas ligas
André Paulo Tschiptschin
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Titânio - obtenção
• Identificado como um novo elemento metálico por Gregor, na Inglaterra, em 1791.
• Sua produção era muito difícil devido à forte tendência a reagir com oxigênio e nitrogênio.
• Somente em meados do século 20 (1938 a 1940) foi desenvolvido processo comercial de obtenção de titânio.
• Somente na segunda metade do século 20 começou a ser utilizado como liga industrial e em projetos.
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Processo Kroll
• Desenvolvido em Luxemburgo ⇒ redução do
tetracloreto de titânio com magnésio em um
atmosfera de gás inerte.
• Obtenção de titânio na forma de esponja.
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Propriedades
• Metal de baixa densidade (ρAl < ρTi < ρFe) cerca de 60%
da densidade do ferro.
• Limite de resistência equivalente ao de aços.
martensíticos de menor resistência. Limites de
escoamentos entre 500 MPa e 1100 MPa.
• Pode ser usado em temperaturas entre 540°C e 600 °C.
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Resistência à corrosão
• O Titânio é muito resistente à corrosão. Sua resistência à
corrosão é melhor que a do aço inoxidável na maioria
dos ambientes.
• Muito boa biocompatibilidade no corpo humano.
• O titânio é imune aos fluídos corpóreos contendo
cloretos e pH tendendo para o ácido.
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Escala de nobreza prática
• Ti forma película passiva
de TiO2 que torna as
ligas nobres se
considerarmos a escala
de nobreza prática.
• Utilização em reatores
químicos e implantes
cirúrgicos.
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Propriedades de fabricação
• Pode ser forjado ou trabalhado por técnicas
convencionais.
• Apresenta boas propriedades de fundição.
• Metalurgia do pó.
• Boa soldabilidade.
• Usinabilidade muito difícil, requer técnicas
especiais de usinagem.
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Transformações de fase
• Titânio sofre transformação de fase a 882°C
passando de fase β (CCC) estável em alta
temperatura para fase α (HCP) estável em
baixa temperatura.
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Transformações de fase
05/12/2006 Workshop on Biomaterials – Medellin 2006 [email protected] 9
• A temperatura de transformação
pode ser aumentada ou diminuída
pela adição de elementos de liga
• Duas temperaturas são
importantes:
– Alfa transus, abaixo da qual a
liga é totalmente alfa
– Beta transus, acima da qual a
liga é totalmente beta
– Entre as duas temperaturas as
ligas são (α+β)
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Classes de titânio
• As ligas de titânio podem ser classificadas em
quatro classes, de acordo com a sua
microestrutura
– Alfa
– Próximo de alfa (near alpha)
– Alfa-beta
– Beta
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Transformações de fase
• Efeito dos elementos de liga nos diagramas de
equilíbrio Ti-X.
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Microestrutura desejada em
parafusos, placas e fixadores
de ligas de Ti (α+β)
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Endurecimento da fase βFases ω e β’
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Transformação β (CCC) ⇒ α (HCP)
• Relação cristalográfica:
{110}β // (0002)α
<111>β // <1120> α
• A fase β pode transformar para 12 variantes hexagonais com diferentes orientações.
• A transformação pode ser martensítica ou por nucleação e crescimento controlado por difusão.
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Martensitas atérmicas
• Martensita α’ hexagonal
– Massiva ou em ripas em ligas muito diluídas
– Acicular em ligas mais carregadas de elementos
• Martensita α’’ ortorrômbica
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Propriedades elásticas
• Módulo de elasticidade (HCP) depende da
direção.
• Módulo de elasticidade do CCC é sempre
menor e depende da composição.
α (HCP) Ti ⇐ β (CCC) Ti
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Propriedades elásticas
• Módulo de elasticidade (HCP) depende da
direção. (100 a 140 Mpa).
• Módulo de elasticidade do CCC é sempre menor
(70 a 90 MPa) e depende da composição.
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Compatibilidade mecânica
OssoTi β
Ti ασ (MPa)
ε
Ligas Ti β apresentam maior compatibilidade mecânica e resultam em menor número de
falhas por adesão do implante ao osso.
εα εβ εosso
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Resistência à fadiga comparada com a de aços
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• Os níveis de oxigênio e ferro determinam o nível de
resistência de titânio comercialmente puro.
• O carbono e o nitrogênio são mantidos em níveis mínimos
para evitar fragilização.
• Quando se requer dutilidade e tenacidade muito boas são
utilizados os graus extra baixo intersticial (ELI)
Efeito de intersticiais nas propriedades mecânicas
do Ti
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Efeito de intersticiais na tenacidade
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Efeito da temperatura de processamento nas
propriedades
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Comparação entre morfologias equiaxiais e
aciculares e Ti alfa e próximo de alfa.
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Aplicações biomédicas
• Titânio puro e titânio α+β, incluindo Ti-6Al-4V ELI eTi-6Al-4V
são ligas que foram projetadas para uso estrutural para a
indústria aeroespacial. Posteriormente foram utilizadas em
aplicações biomédicas.
• A toxicidade do V, elemento estabilizador da fase β foi
demonstrada e o V foi substituído por outros elementos
estabilizadores de β como o Fe ou o Nb.
• Duas ligas tipo (α+β) Ti-5Al-2.5Fe e Ti-6Al-7Nb, foram
normatizadas.
• Mais, recentemente concluiu-se que o módulo elástico dos
biomateriais metálicos deve ser baixo para garantir
compatibilidade mecânica entre o osso e o implante.
• As ligas β foram desenvolvidas.
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Aplicações biomédicas