AULA_27_MAT_DE_CONST_MEC

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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
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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
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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
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OCB
TITÂNIO E SUAS LIGAS
Chapas laminadas de titânio
Barras de titânio
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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)
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� 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
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� 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
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�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
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(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
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�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
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� 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
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�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
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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 )
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�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
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TITÂNIO E SUAS LIGAS
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TITÂNIO E SUAS LIGAS
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TITÂNIO E SUAS LIGAS
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TITÂNIO E SUAS LIGAS
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OCB
TITÂNIO E SUAS LIGAS
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TITÂNIO E SUAS LIGAS
TITÂNIO E LIGAS – TRATAMENTOS TÉRMICOS
• Recozimentos
• Algumas ligas permitem tratamento térmico de envelhecimento
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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)
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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
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TITÂNIO E SUAS LIGAS
TITÂNIO E LIGAS – APLICAÇÕES
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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
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31
� Carros de competição
� artigos desportivos em geral
• Devido à grande resistência à corrosão:
� Processamento químico
� Submersíveis
� Implantes biomédicos
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TITÂNIO E SUAS LIGAS
TITÂNIO E LIGAS – APLICAÇÕES (Aplic.)
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Equipamentos submarinos
OCB
TITÂNIO E SUAS LIGAS
TITÂNIO E LIGAS – APLICAÇÕES (Aplic.)
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TITÂNIO E SUAS LIGAS
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TITÂNIO E SUAS LIGAS
Aparelho dentário de Ti
BIOMATERIAIS METÁLICOS
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Implantes dentários de Ti
Espuma de Ti para 
Implante ósseo
Aparelho dentário de Ti
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TITÂNIO E SUAS LIGAS
BIOMATERIAIS METÁLICOS
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Prótese Fêmur de Ti
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TITÂNIO E SUAS LIGAS
TITÂNIO ANODIZADO
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TITÂNIO E SUAS LIGAS
TITÂNIO ANODIZADO
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TITÂNIO E SUAS LIGAS
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TITÂNIO E SUAS LIGAS
Componente Forjado Ti
Trocador de Calor Ti Hélice de Barco Ti
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Turbina Ti Anéis laminados de Ti
Tanques de Reações Ti
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TITÂNIO E SUAS LIGAS
PRODUTOS DA METALURGIA DO PÓ EM TITÂNIO
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Compactação
Sinterização
OCB
TITÂNIO E SUAS LIGAS
BIBLIOGRAFIAS:
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Edition.
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� Gil F.; Endurecimiento Superficial Mediante Tratamiento Térmicos y Anodizado de la Aleación Ti6Al4V para
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� Gil F.; Endurecimiento Superficial Mediante Tratamiento Térmicos y Anodizado de la Aleación Ti6Al4V para
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RESISTÊNCIA À CORROSÃO DE LIGAS Ti-Nb. H. S. de Oliveira1, M. Ballester2, C. M. A Freire1, G. T. Aleixo1,
R. Caram1 - 1 Departamento de Engenharia de Materiais, Faculdade de Engenharia Mecânica, UNICAMP - 2006
OCB
TITÂNIO E SUAS LIGAS
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2007, septiembre, vol. XIII, numero 036, pp. 85-89 .
�Ortega S. Johanna; Estupiñan A. Hugo; Peña B. Dario Y.; Vasquez Q. Custodio; Correlación Experimental
entre la Resistencia a la Corrosión de Ti6Al4V en Solución Ringer Anodizada en H2SO4 y los Parámetros de
Tiempo y Voltaje Electrolítico; Scientia Et Technica; 2007, septiembre, vol. XIII, numero 036, pp. 227-232 .
BIBLIOGRAFIAS:
43