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MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA OCB Prof. Dr.Odney Carlos Brondino 1Provérbio chinês: “Escuto e Esqueço, Vejo e Lembro, Faço e Aprendo.” OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS �O titânio (Ti) é o nono elemento mais abundante da terra. �O titânio é um metal de brilho prateado, mais leve do que o ferro, quase tão forte quanto o aço, e quase tão resistente à corrosão como a platina. 1930⇒Willian Justin Kroll desenvolveu um método para produzir titânio metálico 1940⇒ Determinação das propriedades mecânicas do titânio HISTÓRICO DA PRODUÇÃO DO TITÂNIO Os óxidos de titânio que apresentam interesse econômico são: o rutilo (acima de 85% de TiO2); a ilmenita mais comum (TiO2.FeO), �o leucoxênio (60% deTiO2) , �O anatásio é o minério Brasileiro � (acima de 98% de TiO2) e �a perovskita (CaTiO3). 2 RUTILO ILMENITA OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS �O processo Kroll é o processo mais utilizado para obter Titânio metálico. �O minério mais puro do titânio, rutilo, é combinado com coque de petróleo e clorado num reator de cama fluida a 100°C obtendo um produto de aspecto esponjoso, ainda PROCESSO KROLL 3 impuro, contendo tetracloreto de titânio (TiCl4): 2 FeTiO3 + 7 Cl2 + 6 C→ 2 TiCl4 + 2 FeCl3 + 6 CO �O TiCl4 obtido é purificado através de contínuos processos de destilação fracionada. Em um reator separado, o TiCl4 é reduzido de Mg líquido - 800-850 °C. 2 Mg (l) +TiCl4 (g)→ 2 MgCl2 (l) + Ti (s) OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS PROCESSO KROLL 4Compressão/corte OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS PROPRIEDADES FÍSICAS e MECÂNICAS 5 OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS – COMPARAÇÕES COM OUTROS MATERIAIS Strength/density ratio for titanium compared with other materials Material Yield point at 20°C Density Strength/weight ratio at20°C Strength/weight ratio compared to min.MPa g/cm³ Ti Gr. 2 % Ti Gr. 5 % Titanium Gr. 2 275 4.51 61 100 32 Titanium Gr. 5 830 4.42 188 308 100 Titanium Gr. 9 485 4.48 108 177 57 Titanium Gr. 12 345 4.43 78 128 41Titanium Gr. 12 345 4.43 78 Aluminum alloy B51S, NS 17305 300 2.70 110 180 59 Stainless steel 13% Cr - AISI 410 - NS 14110 350 7.72 45 74 24 Stainless steel AISI 316L - NS 14460 210 7.94 26 43 14 Stainless steel duplex SAF 2205 - ASTM A 669 450 7.80 58 95 31 Stainless steel super duplex SAF 2507 550 7.80 70 115 37 Stainless steel 6% Mo - 254 SMO 300 8.00 38 62 20 Monel® 400 200 8.83 23 38 12 Inconel® 625 415 8.44 49 80 26 Hastelloy® C-276 355 8.89 40 66 21 Copper-nickel 90/10 90 8.90 10 16 5 6 OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS – COMPARAÇÕES COM OUTROS MATERIAIS 7 OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS Chapas laminadas de titânio Barras de titânio 8 OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS PROPRIEDADES FÍSICAS e MECÂNICAS � Densidade⇒ Fase α= 4,5 g/cm3 (hexagonal-HCP até 883oC) Fase β= 4,35 g/cm3 (cúbica-CCC) � Coeficiente de expansão térmica⇒8,41x10-6 ºC-1 � Boa resistência mecânica a altas e baixas temperaturas⇒ (Ti 99,2%= 40,6 Kg/mm2) 9 � Alta resistência à corrosão (o único imune à água do mar) � Boa ductilidade e tenacidade � Dureza do lingote fundido: 70-74 HB � Módulo de elasticidade = 107000 MPa DESVANTAGENS � Alto custo � Baixa resistência ao desgaste 0l l A F E ∆== ε σ OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS CARACTERÍSTICAS � Baixa densidade � Alto ponto de fusão Bom módulo de elasticidade 10 � Bom módulo de elasticidade � Boa resistência mecânica � Alta resistência à corrosão � Boa ductilidade OCB 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 TITÂNIO PURO - FASES 11 �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. �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. OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS TITÂNIO PURO - FASES (CCC) Cúbico de corpo centrado 12 (HCP) hexagonal compacta OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS PRINCIPAIS ELEMENTOS ESTABILIZADORES DAS FASES αααα E ββββ �Estabilizadores da fase α : O; N; Ga; Ge; B; Al �Elevam a temperatura de transformação α⇒ β �A transformação ocorre acima de 883ºC 13 �Estabilizadores da fase β V, Zr, Nb, Mo, Sn, Ta, Mn, Fe, Ni, Cu, Si, Ag, Pb �Diminuem a temperatura de transformação α⇒ β �A transformação ocorre abaixo de 883ºC OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS TITÂNIO PURO MICROESTRUTURA QUALITATIVA TITÂNIO PURO - CARACTERÍSTICAS � 99,5 a 99,0% Ti (0,08%C, 0,18 a 0,40% O, 0,20 a 0,50% Fe) � oxigênio considerado elemento de liga � impurezas - C, N, H 14 � impurezas - C, N, H � melhor resistência a corrosão que as ligas de Ti � excelente resistência a meios químicos (HCl, HNO3) � usado na indústria de processamento de petróleo OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS - CARACTERÍSTICAS DAS FASES αααα αααα+ββββ ββββ � resistência mecânica menor �boa tenacidade e ductilidade �aplicações criogênicas e � resistência mecânica de média a alta �endurecíveis por tratamento térmico � resistência mecânica alta �alta dureza �excelente forjabilidade 15 �aplicações criogênicas e altas temperaturas �maior resistência à fluência que as ligas alfa+beta e beta �boa soldabilidade �não são endurecidas por tratamento térmico �boa resistência à corrosão tratamento térmico (solubilização seguido de envelhecimento) �não são apropriadas para forjamento à quente �boa soldabilidade �endurecíveis por tratamento térmico (solubilização seguido de envelhecimento) �boa soldabilidade OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS TITÂNIO E LIGAS – LIGAS αααα Ti-5%Al-2,5%Sn �- importante liga comercial - estrutura HCP � Al e Sn estabilizam a fase α no Ti e aumentam a resistência � mecânica por solução sólida. (LRT-1050 MPa - liga não tratável termicamente) �- presença de pequena quantidade de fase β devido ao Fe (0,3%) � Al aumenta a resistência mecânica do Ti e diminui a densidade APLICAÇÕES – Ex.: Chapas para caixas de compressores de turbinas à gás; Caixas de palhetas de turbinas 16 16 Ti –5%Al-2,5%Sn Aquecido a 815 oC e resfriado ao ar Partículas β (presença do Fe) matriz α Ti –5%Al-2,5%Sn Recozido 30 min a 1117 oC e resfriado no forno durante 6 h até 788 oC e até Tamb em 2 h. matriz α grosseira Ti –5%Al-2,5%Sn Recozido 30 min a 1117 oC e resfriado ao ar fase α fase α acicular (AGULHA) 250x250x OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS �- contém certa quantidade de fase β na matriz α (predominante) � Mo e V (1 a 2%) estabilizam a fase β � Sn e Zr são adicionados para reduzir a quantidade de Al � mantendo a resistência mecânica �desenvolvido para aplicações em motores de aviões TITÂNIO E LIGAS – LIGAS QUASE αααα 1717 Ti –8%Al-1%Mo-1%V - forjado a 899 oC grãos β grãos α fase α fase α acicular 250x250x Ti –8%Al-1%Mo-1%V - forjado a 1004 oC e resfriado ao ar fase β OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS � contém um ou mais elementos estabilizadores da fase β � liga mais importante Ti-6%Al-4%V � são ligas endurecidas por tratamento térmico e envelhecidas �- boa soldabilidade e trabalhabilidade TITÂNIO E LIGAS – LIGAS αααα+ββββ 18 Ti –6%Al-4%V 1 h a 954 oC e resfriado no forno intergranular β grãos α fase α 250x250x Ti –6%Al-4%V 1 h a 1066 oC e resfriado no forno intergranular β Ti –6%Al-4%V 1 h a 1066 oC e resfriado em água martensita α OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS �Foi a primeira liga comercializada e é responsável por 45% da aplicação industrial. �LRT�1060 MPa; LRT depois do tratamento térmico de solubilização � 1225 MPa; �Esta liga é de boa trabalhabilidade e também apropriada para fundição APLICAÇÕES: Ex.: Chapas para fuselagem de avião; Discos e lâminas de TITÂNIO E LIGAS – LIGAS αααα+ββββ (Ti-6%Al-4%V ) 19 �APLICAÇÕES: Ex.: Chapas para fuselagem de avião; Discos e lâminas de compressor de turbinasa gás para aviões LIGAS αααα+ββββ(Ti-8Mn) � Apresenta boa conformabilidade � Utilizada em estruturas de aviões OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS TITÂNIO E LIGAS – LIGAS ββββ - elementos estabilizadores da fase β (CCC) - V, Mo, Cr e Fe - liga mais importante Ti-13%V-11%Cr-3%Al - maior densidade que as anteriores (em função da adição em % peso de V e Cr) 20 20 Ti –13V-11Cr-3Al grãos β equiaxiais 250x250x Ti –3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo envelhecido 6 h a 677 oC grãos β precipitados α OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS 21 OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS 22 OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS 23 OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS 24 OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS 25 OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS 26 OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS TITÂNIO E LIGAS – TRATAMENTOS TÉRMICOS • Recozimentos • Algumas ligas permitem tratamento térmico de envelhecimento 27 http://www.proterm.com.br/2006/html/ft01.php#02 OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS Composição Condição Ruptura (MPa) Escoam. (MPa) Alongam. (%) Aplicações/Características Comercial/ Puro (R50500) 99.1Ti Recozido 517 448 25 Blindagem de motores jato, Carcaça de aeronaves, equipamento resist à corrosão em navios e ind química a Ti-5Al- 2.5Sn (R54520) 5.0Al, 2.5Sn Recozido 862 807 16 Caixas de turbinas de gás, equipamento químico com resistência mecânica até 480ºC Quase a Ti-8Al- 8.0Al, 1.0Mo, Recozido 1000 951 15 Peças forjadas para motores a jacto Propriedades mecânicas Tipo de liga Comum (UNS) 28 Quase a Ti-8Al- 1Mo-1V (R54810) 8.0Al, 1.0Mo, 1.0V Recozido (duplex) 1000 951 15 Peças forjadas para motores a jacto (discos de compressor, cubos, etc) a-b Ti-6Al-4V (R56400) 6.0Al, 4.0V Recozido 993 924 14 Implantes de elevada resistência, processamento químico, componentes estruturais de aeronaves a-b Ti-6Al-6V- 2Sn (R56620) 6.0Al, 2.0Sn, 6.0V, 0.75Cu Recozido 1069 1000 14 Componentes estruturais de alta resistência em aeronaves b Ti-10V- 2Fe-3Al 10.0V, 2.0Fe, 3.0Al Dissolução e envelhec. 1276 1200 10 Melhor combinação de resistência e ductilidade, aplicações com uniformi. de propriedades em toda a peça, componentes estruturais de aeronaves OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS TITÂNIO E LIGAS – FORMAS DE FORNECIMENTO 29 OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS TITÂNIO E LIGAS – APLICAÇÕES 30 OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS TITÂNIO E LIGAS – APLICAÇÕES (Aplic.) • Devido à grande relação resistência/peso: � Aeronáutica e aeroespacial � Motores a jato (estruturas e componentes) � Pás e discos de turbinas � Carros de competição 31 31 � Carros de competição � artigos desportivos em geral • Devido à grande resistência à corrosão: � Processamento químico � Submersíveis � Implantes biomédicos OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS TITÂNIO E LIGAS – APLICAÇÕES (Aplic.) 32 Equipamentos submarinos OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS TITÂNIO E LIGAS – APLICAÇÕES (Aplic.) 33 OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS 34 OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS Aparelho dentário de Ti BIOMATERIAIS METÁLICOS 35 Implantes dentários de Ti Espuma de Ti para Implante ósseo Aparelho dentário de Ti OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS BIOMATERIAIS METÁLICOS 36 Prótese Fêmur de Ti OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS TITÂNIO ANODIZADO 37 OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS TITÂNIO ANODIZADO 38 OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS 39 OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS Componente Forjado Ti Trocador de Calor Ti Hélice de Barco Ti 40 Turbina Ti Anéis laminados de Ti Tanques de Reações Ti OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS PRODUTOS DA METALURGIA DO PÓ EM TITÂNIO 41 Compactação Sinterização OCB TITÂNIO E SUAS LIGAS BIBLIOGRAFIAS: �Princípio de Ciência e Engenharia dos Materias – William F. Smith (3ª edição) �Apostilas – Materiais de Construção Mecânica – Professor Dr. Carlos Alberto Soufen 2007. �Kalpakjian, Serope, and Schmid, Steven R. Manufacturing Engineering and Technology. Prentice-Hall, Fifth Edition. �Lindbeck, John R. Product Design and Manufacturing. Prentice-Hall, 1995 �http://geae.com �http://boeing.com � Gil F.; Endurecimiento Superficial Mediante Tratamiento Térmicos y Anodizado de la Aleación Ti6Al4V para 42 � Gil F.; Endurecimiento Superficial Mediante Tratamiento Térmicos y Anodizado de la Aleación Ti6Al4V para implantes quirúrgicos; Biomecánica ; 1994, vol. 2 (2), 51-53. � Leyens, Christoph; Peters, Manfred; Titanium and Titanium Alloys, Fundamental and applicationes; 2003, Wiley-VCH. � Liu, Xuanyong; Chu, Paul K.; Ding, Chuanxian; Surface Modification of Titanium, Titanium Alloys, and Related Materials for Biomedical Applications; Materials Science and Engineering; 2004, vol. 47, 49–121. � Zardiackas D., Kraay J., Matthew and Freese L. 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