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Titanios e Suas Ligas - Teorico

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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. 
 
 
Referencias 
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edição,. LTC, 2008. 
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