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1 Escola de Engenharia Industrial Metalúrgica de Volta Redonda Universidade Federal Fluminense – UFF/VR Ciências dos Materiais II Titânio e Suas Ligas Prof. Fabrício Lins Rafael Mendes Da Silva Roni Peterson Vieira 2 Resumo: O Titânio e suas ligas tem sido usado amplamente devido as suas características peculiares, como alta resistência a corrosão e elevada biocompatibilidade. Em razão destes motivos tem sido usado amplamente nas industrias farmacêutica, alimentícia, galvanoplastia, química e derivados, papel e celulose,siderúrgicas, aeronáuticas, espaciais, biomedicina, mineração, petróleo e petroquímicas,e inúmeras outras , pois a cada dia se desenvolvem novas aplicações. Palavras Chaves : Ligas Titânio, Microestrutura,Ligas Ligas Alfa (α),Ligas Beta (β) Ligas α+β 3 Índice Introdução Processamento Propriedades Mecânicas do Titânio Titânios e Suas ligas : Características Gerais Ligas Alfa (α) Ligas Beta (β) Ligas α+β Propriedades mecânicas de materiais à base de titânio Microestruturas Aplicações do Titânio e Suas Ligas Conclusão Referencias 4 Titânio Introdução A presença de Titânio (Ti) na maioria dos minerais da crosta terrestre passou despercebida durante séculos, em razão da semelhança de suas propriedades com a do silício (Si), porém por volta de 1791 o pastor e mineralogista William Gregor ao examinar a areia preta observou que quando elas eram atacadas com ácido sulfúrico, apresentavam uma substancia avermelhada, tal substancia ainda não era o Titânio, mas Ilmenita (FeOTiO2) que junto do H2SO4 forma o sulfato ferroso (marrom avermelhado). Em 1825 Jons Jacob Berzelius achava que havia isolado o titânio , mas verificou se que ainda não era material puro, 1887 os suecos Sven Otto Petterson e Lars Fredrick Nilson também só obtiveram o material impuro. E em 1910 Matthew A. Hunter obteve com 99% de teor pureza através de redução de cloreto de sódio com o composto TiCl4 em um recipiente de aço sob pressão. Por volta de 1937, Guilherme Kroll junto com a Siemens e Helska desenvolveram um processo para obtenção consistente de composto de titânio através da redução de tetracloreto de titânio com pó de magnésio, em uma atmosfera de argônio, a fim de se evitar a oxidação. As reações do método Kroll são as seguintes: O tetracloreto é obtido pela ação do cloro e do carbono sobre a ilmenita 2TiFeO3 + 7Cl2 + 6C → 2TiCl4 + 2FeCl3 + 6CO Após é feita a destilação do tricloreto de ferro e posteriormente a redução do TiCl4, através do magnésio. TiCl4 + 2Mg → 2MgCl2 + Ti Este é o primeiro processo que permitiu a produção em grandes quantidades de titânio puro, e utilizado até hoje. Mas ao todo existem atualmente seis tipos de processos disponíveis: ‘Kroll’, ‘Hunter’, redução eletrolítica, redução gasosa, redução com plasma e redução metalotérmica. O Titânio é um elemento metálico bem conhecido por sua boa performance em relação a resistência à corrosão, sendo quase tão resistente quanto a platina, também possui grande resistência mecânica, além de baixa condutividade térmica e elétrica, ser leve, forte e de fácil fabricação. Tem baixa densidade em relação ao aço, algo em torno de 40%, porém é mais pesado que o alumínio em 60%, sendo duas vezes mais resistente que ele. E quando puro é bem dúctil e fácil de trabalhar , tem o ponto de fusão alto sendo bem útil como um metal refratário. Portanto tais características fazem com que o titânio seja muito resistente contra os tipos usuais de fadiga. O Titânio é o nono elemento em abundância no planeta terra. Existem diversos minerais que possuem Titânio, no entanto apenas uma pequena parcela dos mesmos ocorrem no planeta terra, em volumes e concentrações consideráveis economicamente. Destes minerais os que se apresentam como principais fontes comerciais de titânio são: ilmenita (TiO2.FeO) , rutilo (TiO2), o anatásio (TiO2) e o leucoxênio. A ilmenita, do qual é obtida a maior parte do titânio, é um mineral de magnetismo fraco abundante na litosfera, dando formação a inúmeros depósitos econômicos espalhados por diversos países se caracterizando por um minério preto,quando fresco e inalterado, composto de óxidos de ferro e titâno (FeTiO3) com composição teórica de Fe (36,8%), Ti (31,6%) e O (31,6%),apresentando cristalização hexagonal,romboédrica. Propriedades físicas da ilmelita Propriedades Ilmenita Brilho Metálico a sub-metálico Clivagem Ausente Cor Preta Densidade (g/cm³) 4,5 a 5,0 Dureza (escala de Mohs) 5,0 a 6,0 Fratura Conchoidal Hábito Variado (compacto,granular,lamelar, maciço, romboédrico) Sistema Cristalino Trigonal – Classe (Romboédrica) Susceptibilidade Magnética Fraca (aumenta quando a ilmenita é aquecida) 5 Transparência Opaco Propriedades Ópticas Anisotropia forte, marrom pálido, às vezes, com matriz rosada ou violeta Ocorrência Ocorre como mineral acessório em rochas magmáticas e metamórficas Propriedades Diagnósticas Pode apresentar magnetismo, densidade, brilho. Usos Fonte de ferro e titânio, principalmente de titânio. Associação Variável, normalmente cm magnetita em rochas basálticas e ácidas. O rutilo é um mineral composto de dióxido de titânio, TiO2. Possui uma fratura subconcoidal, é frágil, com dureza considerável, densidade relativa, brilho adamantino a metálico, apresentando cor marrom ou vermelho e em algumas casos, amarelo, azul ou violeta. É transparente a opaco. Apresenta uma estrutura cristalina tetragonal. O rutilo natural é geralmente opaco ou vermelho muito escuro e pode conter até 10% de ferro. È a forma mais estável de dióxido de titânio e é produzido em temperaturas mais altas. Ocorre como material acessório bastante comum de inúmeras rochas, porém suas reservas não são tão abundantes como as da ilmenita.É caracterizado pela escassez da oferta e é de grande importância econômica. Trata-se de uma matéria prima-nobre, que possui teor de dióxido de titânio de 96%. Propriedade Físicas do Rutilo Propriedades Rutilo Associação Associado a quartzo, micas titaníferas, feldspatos, hornblendas Brilho Adamantino a metálico Clivagem Distinta [110] Cor Vermelho, marrom, azul, amarelo, violeta, preto Densidade (g/cm³) 4,3 Dureza (Escala de Mohs) 6,0 a 6,5 Fratura Superfícies planas(sem clivagem), fraturas em padrão irregular.Ausência de subconchoidal Hábito Prismático, acicular, maciço, compacto Ocorrência - Ocorre como mineral acessório em hornblenda dioritos, sienitos, granitos, anfibolitos, gnaisses, mica xistos, sendo freqüentemente de origem secundária Propriedades Diagnósticas Estrias longitudinais, geminação, hábito, cor, testes Propriedades Ópticas Uniaxial positivo Transparência Transparente, translúcido e opaco Uso Gema e fonte de Ti. O anatásio é um nome que deriva do grego anatasis, significando alongamento, conhecido antigamente como octaedrita. Cristaliza-se no sistema tetragonal, apresenta coloração castanha e no seu estado natural contém de 98,4 a 99,8% de TiO2. É um óxido de titânio trimorfo apresentando a mesma composição química da brookita e o do rutilo, sendo que difere do primeiro pelo sistema de cristalização e, do segundo, pelo arranjo interno dos átomos. Propriedades Físicas do Anastásio Propriedades Anatásio Associação Associado a apatita, adulária, titanita, rutilo, hematita. Brilho adamantino a resinoso Clivagem [101] perfeito ,[001] distinto Cristalografia Tetragonal – classe Bipiramidal ditetragonal Cor Variada(marrom vermelhado, preto, marrom, amarelado, cinza e azul escuro) Composição Óxido de titânio. 60% de Ti, 40% de O Densidade relativa 3,8 - 3,9g/cm³ Dureza(Escala de Mohs) 5,5 - 6,0 6 FraturaSubconchoídal Traço Branco amarelado Transparência Transparente e translúcido Sistema cristalino Tetragonal Hábito piramidal, bipiramidal, achatado Usos Fonte de titânio Devido ao elevado custo de produção, a principal aplicação do titânio metálico se deu na indústria aeroespacial cujo valor agregado dos componentes é bastante elevado e em indústrias químicas onde possuem ambientes altamente agressivos (ácidos ou básicos).Além destas aplicações, o titânio (Ti) apresenta também uma ampla aplicação na área de biomateriais, por ser compatível ao corpo humano. Processamento O tipo de depósito determina o processo de concentração nas usinas de beneficiamento de minério de titânio. A granulometria de liberação e a composição mineralógica da ganga são influenciadas pela origem geológica do minério. Nos depósitos primários, o processo se inicia com a britagem, e logo em seguida a moagem, a qual promove a liberação da ilmenita. Nesse depósito, geralmente, a ganga é formada, principalmente, por magnetita, hematita, quartzo, albita, etc. A ilmenita tem densidade de 4,5g/cm³ e, em termos de susceptibilidade magnética, é classificada como mineral magnético e fortemente magnético, comporta-se como mineral condutor (Dana, 1976; Sampaio, 2002). A hematita (Fe2O3) tem densidade em torno de 5,5 e é um mineral fracamente magnético e condutor. O quartzo e a albita possuem densidade em torno de 2,7 e são minerais não-magnéticos e não-condutores. A concentração de ilmenita, portanto, pode ser obtida por meio de métodos gravíticos e magnéticos. Para a separação gravítica da ilmenita têm sido usados equipamentos como: espirais, mesas concentradoras, cones Reichert e jigues (Nair, 1980; Fan e Rowson, 2000). A flotação é usada para a concentração de finos, naturais ou gerados no circuito de cominuição, trabalhando em faixas granulométricas impróprias para os métodos gravíticos. A flotação da ilmenita e dos minerais oxidados de ferro pode ser realizada com ácidos graxos e seus sabões, sulfonatos, aminas ou succinamatos. A ilmenita apresentar baixa susceptibilidade à flotação, resultando em baixos valores de recuperação. Fan e Rowson (2000) constataram a influência do estado de oxidação das espécies Ti4+ e Fe2+ nas propriedades superficiais da ilmenita e conseguiram aumentar a recuperação da flotação, com oleato de sódio, de 65% para 83% com o uso de um ativador. Após um processo de britagem, se comercializa o minério primário na forma de lump. Já nos depósitos de placers, o minério está na forma de areia. O minério é constituído por ilmenita, rutilo, outros minerais pesados (zirconita e monazita, por exemplo), onde o quartzo é o principal componente da ganga. Logo, a granulometria dos minerais de titânio estaram na faixa granulométrica entre 1,5 e 0,074 mm, uma vez que os depósitos de areia de praia têm características que facilitam a concentração gravítica.No processo de concentração inicialmente remove-se o material grosso. A concentração gravítica, via úmida, é feita em espirais e/ou em cones Reichert, para eliminação do quartzo e outros componentes leves. O concentrado de minerais pesados é secado (geralmente em secadores rotativos) e, logo depois, exposto à separação magnética e separação elétrica de alta tensão. Um concentrado de ilmenita é resultado da separação magnética. A fração não-magnética é processada em separador de alta tensão, para remoção de rutilo e de alguma ilmenita residual. A recuperação dependerá da granulometria do minério, sendo encontrados valores mais altos com o minério grosso. As duas principais usinas de titânio, no Brasil, provenientes de placers, utilizam essa combinação de métodos de concentração gravimétrica, magnéticos e de alta tensão. Na usina da Millennium, em Mataraca (PB), assim que ocorre a eliminação de material orgânico e da areia grossa, o minério passa por métodos gravíticos de concentração, concentração magnética em separadores Jones e, posteriormente, separadores Carpco de alta tensão. O processo gera concentrados de ilmenita com 54,5% TiO2 e de rutilo com 94,5% TiO2 (Sampaio et al., 2001). Na usina da INB (Indústrias Nucleares do Brasil), em São Francisco de Itabapoana (RJ), o minério na faixa granulométrica entre 0,1 e 2,0 mm é inicialmente concentrado em espirais. Após a secagem, o pré-concentrado obtido passa por separação magnética em equipamentos dos tipos de tambor e de esteira e, em seguida, por separador 7 eletrostático. No processo são obtidos concentrados de ilmenita com mais de 54% TiO2 e de rutilo com 94% TiO2 (Schnellrath et al., 2001). Propriedades Mecânicas Do Titânio O titânio comercialmente puro apresenta tensão limite de resistência à tração variando entre 240 e 690 Mpa, e sua ductilidade varia de um alongamento de 20 a 40 %, e a redução de área vária entre 45 e 65 %, dependendo dos teores de elementos intersticiais. Além de possuir o modulo de eslaticidade de 103 GPa, porém nas ligas de titânio o módulo de elasticidade é mais alto, podendo chegar a 124 GPa, em relação ao alumínio (70 GPa) e magnésio (43 GPa) é bem maior, porém inferiores aos dos aços (205 GPa).Já o módulo de cisalhamento do titânio e de suas ligas, do mesmo modo, atinge valores intermediários entre os do alumínio e do aço, variando entre 34 e 48 GPa. Adições de elementos de ligas em teores expressivos aumentam a resistência mecânica em comparação com o titânio comercialmente puro. Estes elementos de liga, como Al, V, Cr, Fe, Mn e Sn, são adicionados tanto em sistemas binários como em sistemas ternários e mais complexos em geral. Por outro lado, simultaneamente ao aumento de dureza/resistência mecânica, ocorre redução de ductilidade. As ligas de titânio podem atingir tensão limite de resistência à tração superior a 1370 MPa com ductilidade satisfatória (alongamento de até 15 %). Porém, comercialmente estão disponíveis ligas de titânio com resistência à tração na faixa de 690 a 1030 MPa, fundidas em forno de indução e depois trabalhadas mecanicamente, que possuem ductilidade satisfatória (alongamento de 10 a 20 %). Ligas fundidas por indução, e depois trabalhadas, podem atingir resistência à tração ainda mais elevada, porém com baixa ductilidade, o que restringe bastante o campo de aplicações destas ligas produzidas por este processo. A dureza do titânio comercialmente (Vickers) puro varia entre 90 e 160 HV, enquanto a dureza de ligas de titânio termicamente tratadas varia entre 250 e 500 HV. Uma liga de titânio comercial típica, com tensão limite de resistência ao escoamento da ordem de 895 MPa atinge dureza da ordem de 320 HV ou 34 HRC (dureza Rockwell C). A tenacidade ao impacto do titânio e de suas ligas é boa, enquanto sua resistência à fadiga pode ser considerada muito boa. O titânio comercialmente puro não apresenta boa resistência à fluência, porém ligas de titânio podem apresentar melhor resistência à fluência, melhorada pelo trabalho mecânico a frio. Por outro lado o trabalho a frio aumenta a resistência mecânica/dureza. O aumento de temperatura de trabalho, que provoca rápida queda de resistência mecânica no alumínio, apresenta este efeito, porém de modo mais lento, no titânio e suas ligas. O titânio possui estrutura hexagonal compacta (HC) à temperatura ambiente, esta fase é denominada fase alfa (α) e é termodinamicamente estável até a temperatura de 882 ° C, na qual se transforma numa estrutura cúbica de corpo centrado (CCC), conhecida como fase beta (β), que se mantém estável até ser atingida a temperatura de fusão mencionada. As principais características deste metal são: o baixo peso específico, boa resistência mecânica, excelente resistência à corrosão, boa ductilidade, boa usinabilidade, além de ser biocompatível. Fig.02: Representações de célula unitária HC: (a) posições atômicas; (b) arranjo atômico; (c) átomos dentro da célula unitária. 8 Fig.03: Representações de célula unitária CCC: (a) posições atômicas; (b)arranjo atômico; (c) átomos dentro da célula unitária. As principais aplicações do titânio e suas ligas na indústria atualmente estão concentradas em componentes para a indústria aeronáutica, implantes cirúrgicos dentais e ortopédicos. A cinética de transformação de fase beta para fase alfa durante o resfriamento influencia as propriedades do titânio e suas ligas. Dependendo dessas condições de transformação, podem surgir à temperatura ambiente fases metaestáveis. Do mesmo modo, a adição de determinados elementos de liga a partir de certos níveis de teores fazem com que a fase beta possa ser estável à temperatura ambiente, podendo coexistir com a fase alfa ou até mesmo predominar ou ser a única fase estável, dependendo dos teores de determinados elementos que favorecem a formação da fase beta, como será visto com mais detalhe mais adiante neste texto. A elevada ductilidade do titânio se deve á facilidade de formar maclas em vários planos cristalográficos, mas ao contrário de outros metais com estrutura cristalina tipo HCP, o titânio também apresenta deslizamento de discordâncias em outros planos diferentes do plano basal, devido á baixa razão c/a (parâmetros do reticulado HCP). O nitrogênio e o oxigênio restringem a formação de maclas e o deslizamento de discordâncias de modo ainda não esclarecido. As propriedades do titânio e de suas ligas são bastante afetadas pela presença de elementos intersticiais (hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e carbono). Ao contrário do hidrogênio, do oxigênio e do nitrogênio, que apresentam solubilidade relativamente elevada no titânio, o carbono não é solúvel, tendendo a formar carbonetos. O hidrogênio é um elemento que apresenta elevada difusividade, pois seu diâmetro atômico é muito pequeno. Por este motivo é um elemento facilmente absorvido em estruturas cristalinas, mesmo quando a temperatura é relativamente baixa, podendo ser removido por recozimento em alto vácuo. Em solução o hidrogênio não afeta as propriedades mecânicas, mas sim quando se precipita sob a forma de hidretos de titânio, reduzindo acentuadamente a ductilidade e a tenacidade. O resfriamento lento de 400 ºC até a temperatura ambiente favorece a precipitação de hidretos, assim como o envelhecimento natural, isto é, à temperatura ambiente, mesmo por apenas alguns dias. O aumento dos teores de oxigênio e de nitrogênio também reduz a tenacidade do titânio (principalmente o nitrogênio), mesmo bem abaixo dos limites de solubilidade desses elementos, pois favorecem a formação de estruturas aciculares (as chamadas estruturas de Widmanstätten). O carbono, em teores de até 0,3 %, aumenta a resistência mecânica do titânio, podendo formar carbetos, porém reduz a ductilidade e a tenacidade. A possibilidade de dissolução de elementos intersticiais e sua influência sobre o comportamento mecânico é de grande importância em vários processos, obrigando executar em uma atmosfera inerte ou vácuo qualquer aquecimento. Da mesma forma, a sua dissolução muito altera a temperatura de transformação alotrópica, por isso pode causar uma mudança na microestrutura. No caso do titânio comercialmente puro, a microestrutura, incluindo o tamanho de grão, e as propriedades mecânicas só podem ser modificadas por seqüências de encruamento e recozimento. O resfriamento rápido a partir do campo beta (1000 ºC, por exemplo) não suprime a formação de fase alfa, mas forma contornos mais irregulares, resultando em maior resistência mecânica. Titânio e suas ligas 9 Características Gerais O titânio existe em duas formas cristalográficas. Em temperatura ambiente, não ligado (comercialmente puro) titânio tem estrutura cristalina hexagonal compacta (HC) e estrutura cristalina denominada fase alfa (α). A 883 ° C , ocorre a transição de hexagonal compacta (HC) para estrutura cúbica de corpo centrado (CCC), conhecida como fase beta (β). A microestrutura do titânio não ligado recozido é alfa acicular, a presença desta microestrutura indica que o material foi aquecido a temperatura acima de beta. A manipulação destas variações cristalográficas através de adições de liga e processamento termomecânico é a base para o desenvolvimento de uma ampla gama de ligas e propriedades. Essas fases também fornecem uma maneira conveniente de classificar as ligas de titânio. Com base nas fases presentes, ligas de titânio podem ser classificadas como ligas α, ligas β, α + β ou ligas. A microestrutura alfa equiaxial só pode ser produzida por recristalização do material. Em titânio não ligado, não é possível reter a estrutura beta em baixas temperaturas, porém com adições de elementos estabilizadores de beta, como o ferro, isto pode ser conseguido. O tamanho de grão, forma do grão e contorno de grão, têm uma influência muito significativa nas propriedades mecânicas das ligas de titânio. As ligas de titânio podem apresentar um aumento/diminuição de suas propriedades devido a transformação de fase, com isso podendo melhorar/comprometer a resistência à tração, ductilidade, tenacidade, propriedades e cíclico. Por outro lado existem também elementos químicos como o oxigênio, hidrogênio e nitrogênio que mudam as propriedades do material. Por exemplo, a disponibilidade de oxigênio em altas temperaturas acelera a conversão de alguns átomos de metais de óxidos. A oxidação do material está diretamente ligada a temperatura, quanto maior é a temperatura maior será a oxidação. Uma complicação adicional é a alta afinidade do titânio com o oxigênio e sua capacidade de “pegar o oxigênio” de o ar. O oxigênio dissolvido muda muito a resistência e a maleabilidade das ligas de titânio. O hidrogênio é outro elemento que pode afetar significativamente as propriedades de ligas de titânio, ele tende a causar fragilização por hidrogênio, enquanto (oxigênio e nitrogênio) vão aumentar a resistência e reduzir a ductilidade. Os elementos de liga empregados na obtenção das ligas de titânio podem ser classificados em três grupos: α-estabilizadores, β-estabilizadores e neutros. Enquanto a adição de elementos definidos como α-estabilizadores resultam no aumento da temperatura de transformação alotrópica, outros elementos, descritos como β-estabilizadores promovem o decréscimo de tal temperatura. Quando uma transformação eutetóide ocorre, tal elemento β- estabilizador é definido como β-estabilizador eutetóide, ou ainda, β-estabilizador isomorfo. Se nenhuma mudança significativa na temperatura de transformação alotrópica é observada, o elemento de liga é descrito como um elemento neutro. A figura abaixo exibe uma representação esquemática dos tipos de diagrama de fase formados com os diversos tipos de elemento de liga do titânio. Representação esquemática dos tipos de diagrama de fases entre o titânio e seus elementos de liga. Entre os elementos α-estabilizadores estão os metais dos grupos IIIA e IVA (Al e Ga) e os elementos intersticiais C, N e O. A próxima figura mostra o diagrama de fases do sistema Ti- Al. 10 Diagrama de fases do sistema Ti-Al Por outro lado, entre os elementos β-estabilizadores estão os metais de transição (V, Ta, Nb, Mo, Mg, Cu, Cr e Fe) e os metais nobres. A figuras abaixo mostram o diagrama de fases do sistema Ti-Nb, do tipo β isomorfo e o diagrama de fases do sistema Ti-Mo, do tipo β eutetóide. Um elemento considerado por alguns autores do tipo β-estabilizador de baixa intensidade e dessa forma também definido como neutro é o Zr, que tem seu diagrama de fases com o Ti mostrado na figura 1.2.5. A adição de elementos α e β-estabilizadores ao titânio produz um campo no diagrama de fases correspondente onde coexistem as fases α e β. As ligas de titânio exibem uma gama bastante ampla de propriedades, as quais estão relacionadas à composição química e os tratamentos térmicos e mecânicos empregados. De acordo com a natureza de suas microestruturas, as ligas de titânio podem ser classificadas em ligas α, β e α+β. Além disso, as ligasβ podem eventualmente ser classificadas como ligas quase β e ligas β metaestáveis. 11 Diagrama de fases do sistema Ti-Nb Diagrama de fases do sistema Ti-Mo 12 Diagrama de fases do sistema Ti-Mo Diagrama parcial do titânio e elementos de liga β-estabilizadores Ligas Alfa (α) As ligas de titânio do tipo α são formadas pelo titânio comercialmente puro (Ti CP) e ligas contendo elementos-estabilizadores, as quais exibem apenas a fase α à temperatura ambiente. Tais ligas exibem elevada resistência à fluência e são apropriadas para uso em temperaturas relativamente elevadas. Como tais ligas não exibem fases metaestáveis obtidas através do resfriamento rápido, o emprego de tratamentos térmicos não produz variações significativas em termos microestruturais e de propriedades mecânicas. Além disso, como a fase α (HC) não é sensível a transições dúctil-frágil, esse grupo de ligas de titânio é indicado para utilização em baixas temperaturas. Em termos de comportamento mecânico, as ligas tipo 13 α caracterizam-se por exibir bom nível de resistência mecânica, alto módulo de elasticidade, boa tenacidade à fratura e baixa forjabilidade, o que se deve à estrutura HC. Micrografia ótica do titânio comercialmente puro com aumento de 200x As ligas monofásicas alfa não podem ter suas propriedades alteradas por tratamentos térmicos, mas sim somente por encruamento e recozimento subseqüente. Outro mecanismo de endurecimento nestas ligas é o endurecimento por solução sólida. O alumínio, o estanho e o zircônio (este último segundo algumas fontes) estabilizam a fase alfa. Entretanto, o teor de alumínio não deve ser superior a 7 %, uma vez que acima desse nível torna-se difícil o trabalho a quente e ocorre fragilização em baixa temperatura, devido á formação da fase Ti3Al. Uma característica deste tipo de liga é a transformação martensítica que ocorre devido ao resfriamento rápido, e a martensita resultante é conhecida como fase alfa linha. Entretanto, o endurecimento e a formação de fase Ti3Al reduzem a resistência à corrosão sob tensão. O efeito do carbono, do oxigênio, do nitrogênio e do hidrogênio nas ligas monofásicas alfa é idêntico ao efeito destes mesmos elementos no titânio comercialmente puro. Ligas Beta (β) As ligas tipo β são obtidas quando uma quantidade elevada de elementos β- estabilizadores é adicionada ao titânio, o que permite o decréscimo da temperatura de transformação alotrópica (transformação α/β) desse elemento. Caso o volume de elemento β- estabilizador adicionado ao titânio é suficientemente alto para deslocar a temperatura de início da transformação martensítica para temperaturas abaixo da temperatura ambiente, a nucleação e o crescimento da fase α se tornarão bastante reduzidos e dessa maneira, a fase β metaestável será retida à temperatura ambiente após resfriamento rápido. Este tipo de liga de titânio é bastante sensível a tratamentos térmicos. Tais tratamentos revelam ser uma ferramenta poderosa no controle e otimização do comportamento mecânico das ligas de titânio. Em alguns casos, dependendo da composição e parâmetros de tratamento térmico, a precipitação da fase metaestável ω é possível. Entretanto, a precipitação dessa fase não é desejável, pois a mesma leva a fragilização da liga e deve ser evitada. As ligas de titânio tipo β são bastante frágeis às temperaturas criogênicas e assim, não são indicadas para operação em baixas temperaturas. Por outro lado, como não exibem alta resistência à fluência, não são indicadas para emprego em temperaturas elevadas. As ligas de titânio do tipo β estão sendo exaustivamente avaliadas com o objetivo de aplicá-las na fabricação de dispositivos para implante ortopédico, pois a estabilização da estrutura CCC à temperatura ambiente produz um material com baixo módulo de elasticidade associado à resistência mecânica elevada. Em adição, tais ligas podem ser concebidas a partir da utilização de elementos de liga altamente biocompatíveis como é o caso do Nb, do Ta e do Zr. 14 Microestruturas das ligas (a) tipo b Ti-35Nb (% em peso) Microestruturas da amostras laminadas, tratadas e resfriadas em água: (a) Ti-5Mo e (b) Ti-7,5Mo. 50X 200X Micrografias obtidas por microscopia ótica para a amostra de Ti-13Nb As principais vantagens das ligas beta estão na elevada endurecibilidade, excelente forjabilidade, boa conformabilidade a frio na condição solubilizada e a possibilidade de serem endurecidas para atingir níveis de resistência mecânica relativamente altos. Ligas α+β As ligas do tipo α+β incluem ligas com teor suficiente de elementos α e β- estabilizadores que permitem expandir o campo α+β até a temperatura ambiente. Nesse tipo de liga, a combinação das fases α e β leva à obtenção de um ótimo balanço de propriedades, o que é obtido através do controle das frações volumétricas das mesmas e também de suas distribuições a partir de tratamentos térmicos e termo-mecânico. Tal procedimento resulta em uma variedade significativa de microestruturas, principalmente quando se compara com as microestruturas das ligas do tipo α. A liga Ti-6Al-4V 15 é um exemplo de liga do tipo α+β. Tal liga foi concebida para ser aplicada no setor aeroespacial e devido a sua elevada disponibilidade, ótima trabalhabilidade e comportamento mecânico superior em baixas temperaturas, tal liga se tornou a composição mais comum entre as ligas de titânio. Além disso, em função dessas características, essa liga é intensamente aplicada como biomaterial, principalmente em implantes ortopédicos. A figura abaixo exibe microestruturas de ligas do tipo β e do tipo α+β. tipo a+b Ti-6Al-7Nb (% em peso) obtidas através por resfriamento ao ar. O titânio é um elemento de baixa densidade (cerca de 60% da densidade do aço e superligas) que pode ser bastante reforçado com adição elementos de ligas e em seu processamento. As propriedades físicas e mecânicas do titânio elementares são apresentados na tabela abaixo. O titânio é magnético, uma alta condutividade elétrica e é mal condutor térmico. Seu coeficiente de expansão térmica é um pouco menor do que o aço e menos da metade do que de alumínio. Tabela Propriedades mecânicas de materiais à base de titânio 16 Microestruturas A seguir serão apresentadas algumas metalografias de ligas de titânio, mostrando seus microconstituintes típicos. 17 Liga Ti-6Al-4V; Liga Ti- 6Al- 4V com morfologia Widmanstaten. Liga Ti-6Al- 4V alfa-beta com defeito intersticial Liga Ti-8Al-1Mo-1V. Liga Ti-6Al-6V-2Sn alfa - beta Liga Ti-10V-2Fe-3Al. 18 Liga Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn Liga Ti puro. Microestruturas Fase Alfa Microestruturas Fases Alfa e Beta 19 Aplicações do Titânio e Suas Ligas Embora possuam menor resistência em altas temperaturas do que as superligas de níquel, componentes (discos, palhetas e etc) de ligas de titânio podem ser usados em determinados tipos de aplicação (temperaturas menos elevadas) em turbinas de jatos, com melhor correlação resistência mecânica/peso. Outra característica favorável do titânio e de suas ligas para esse tipo de aplicação é seu baixo coeficiente de expansão térmica em comparação com outros tipos de ligas metálicas. Para esse tipo de aplicação as ligas de titânio mais recomendadas são as bifásicas alfa+beta, como as ligas Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo e Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Cr-4Mo, esta última também conhecida como Ti-17. Além do uso em componentes de turbinas, as ligas de titânio também podem ser usadas na estrutura das aeronaves. Na faixa de temperaturas de 150 a 500 °C as ligas de titânio são os materiais mais adequados. As ligas de titânio apresentam densidade (peso específico) e resistência mecânica intermediárias entre as ligas de alumínio e os aços. Ligas de titânio indicadas para este tipo de aplicação são: Ti-6Al-4V, Ti-3Al-2,5V, Ti-662 (Ti-6Al-6V-2Sn- 0,5Cu-0,5Fe),em componentes como dutos de ar condicionado, eliminadores de gelo, suportes de asas, suportes de motores e diversos tipos de prendedores. Ligas de titânio também podem ser usadas na fabricação de componentes navais, como palhetas de turbinas a vapor, conectores, eixos de transmissão, molas em motores de alto desempenho, braços de suspensão e barras de torção. As ligas de titânio apresentam elevada resistência à corrosão causada pela água do mar e por isso são bastante adequadas para esse tipo de aplicação, na qual se sobressai a liga Ti-6Al-4V. Outro tipo de aplicação interessante para as ligas de titânio está na fabricação de trocadores de calor, devido à sua boa resistência à corrosão causada pela maioria dos agentes corrosivos atuantes neste tipo de aplicação, seja em tubos ou placas. Na indústria do petróleo é aproveitada a excelente resistência à corrosão do titânio e de suas ligas para a fabricação de componentes que entram em contato com a água do mar, que, além de cloretos, também contém gás sulfídrico (H2S). Especialmente na fabricação de trocadores de calor usados em plataformas de extração de petróleo as ligas de titânio oferecem excelente combinação de resistência à corrosão, boa resistência mecânica e baixa densidade. 20 Também são usadas na fabricação de equipamentos usados no resfriamento de gás e óleo. Do mesmo modo, refinarias de petróleo podem aproveitar essas propriedades das ligas de titânio para aplicações semelhantes nas quais essas ligas ficam em contato com essas substâncias corrosivas. Também na indústria química as ligas de titânio são usadas em equipamentos para a fabricação de cloro, cloretos, cloratos, hipocloritos, sais, gases e produtos orgânicos, devido à sua excelente resistência à corrosão. O titânio e suas ligas são atacados por ácidos tais como o sulfúrico, o clorídrico e o fosfórico, que geram íons H+, porém a presença de oxigênio leva à formação de uma cam ada passivada que reduz bastante a taxa de corrosão. O titânio também pode ser usado em substituição à grafite como anodo para a produção de cloro por eletrólise, devido principalmente à sua grande estabilidade dimensional. Pode ser usado, de um modo geral, em tubos, trocadores de calor, bombas, válvulas e vasos usados na fabricação de diversos produtos orgânicos, como ácido acético, benzóico, málico e aminas etilênicas. Mais recentemente tem aumentado o uso de titânio e suas ligas para a fabricação de implantes cirúrgicos ortopédicos e dentais, pois além das excelentes propriedades mencionadas anteriormente no caso de outros tipos de aplicação, o titânio e suas ligas apresentam excelente biocompatibilidade, ou seja, neste tipo de aplicação apresentam melhor osteointegração (integração ao tecido ósseo) e menor risco de alergia e reações adversas com o organismo do que outros materiais metálicos, como, por exemplo, o aço inoxidável austenítico AISI-SAE 316 L, cujo elevado teor de níquel pode provocar reações alérgicas. Outra vantagem do titânio e de suas ligas é o menor módulo de elasticidade (rigidez), mais próximo do osso humano do que o do aço inoxidável. Uma das ligas mais utilizadas para a fabricação de implantes é a liga Ti-6Al-4V, que, entretanto, devido ao seu elevado teor de vanádio, elemento pouco biocompatível, pode ser substituída por outras ligas como a liga Ti6Al-7Nb e, até mesmo, as chamadas ligas beta. Conclusão Neste trabalho pode ser observado a importância das ligas de titânio diante dos materiais existentes atualmente, seja no setor aeronáutico, pela sua alta resistência e baixo peso comparado ao aço, seja no setor marítimo por sua resistência à corrosão produzida pelos mares e oceanos, para aplicações onde necessita-se de resistência à corrosão devido ao cloro onde as ligas de níquel não tem resistência necessária , na medicina onde esta liga é a que possui melhor biocompatibilidade. Portanto, basta a nós futuros engenheiros termos o conhecimento dentre os mais diversos materiais e decidirmos pelo uso do material que mais adequado for a nosso trabalho. 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