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Tipo do documento: Dissertação
Título: Processamento, caracterização microestrutural e avaliação das propriedades mecânicas de compressão de ligas de Ti-6Zr-2Si-1B, Ti-6Zr-6Si-3B e Ti-6Zr-10Si-5B tratadas termicamente
Título(s) alternativo(s): Processing, characterization microstructural and evaluation of mechanical properties of compression alloys Ti-6Zr-2Si-1B, Ti-6Zr-6Si-3B and Ti-6Zr-10Si-5B heat treated.
Autor: MARCON, Hulisses Boneti 
Primeiro orientador: RAMOS, Alfeu Saraiva
Primeiro coorientador: RODRIGUES, Geovani
Primeiro membro da banca: MARIANO, Neide Aparecida
Segundo membro da banca: MALAFAIA, Artur Mariano de Souza
Resumo: Ligas de titânio são vastamente utilizadas para a fabricação de dispositivos médicos implantáveis e componentes estruturais para altas temperaturas devido às suas propriedades físicas, químicas, mecânicas e biológicas. No caso de componentes articulares ortopédicos sujeitos a carregamentos, as ligas de Co-Cr-Mo com matriz metálica e precipitados intermetálicos apresentam superiores resistência ao desgaste, enquanto que as ligas de Ti apresentam superior biocompatilidade. As ligas Ti-Si-B e Ti-Zr-Si-B com microestruturas similares podem ser produzidos por técnicas convencionais de fusão a arco e subsequente tratamento térmico, as quais apresentam superior biocompatibilidade e capacidade de integração óssea do que o Ti. Trabalhos anteriores têm indicado que a adição de Zr pode contribuir para aumentar a resistência à oxidação de ligas Ti-Si-B e, dependendo da sua quantidade adicionada, Ti6Si2B ou Ti3Si é preferencialmente formada nessas ligas tratadas termicamente. No entanto, informações sobre as propriedades mecânicas desses materiais são limitadas na literatura. Nesse sentido, o presente estudo objetivou a caracterização microestrutural e a avaliação das propriedades mecânicas de compressão das ligas Ti-6Zr-2Si-1B, Ti-6Zr-6Si-3B e Ti-6Zr-10Si-5B (%-at.) produzidas por fusão a arco e subsequente tratamento térmico. As seguintes matérias-primas foram usadas para produzir as ligas Ti-Zr-Si-B: Ti (mín. 99,7 %-massa), Zr (mín. 95%-massa, com até 4,5%-massa Hf), Si (99,999%-massa) e B (99,5%-massa). Lingotes de Ti-Zr-Si-B pesando cerca de 40 g foram produzidos por fusão a arco, em um forno sob atmosfera de Ar que utiliza um cadinho de cobre refrigerado à água, eletrodo de W não-consumível e um getter de titânio. Na sequência, os lingotes foram tratados termicamente sob atmosfera de Ar à 1100oC por 4h, e corpos de prova cilíndricos foram devidamente preparados por usinagem. A caracterização microestrutural das amostras de Ti-Zr-Si-B no estado bruto de fusão e após tratamento térmico foram realizadas com o auxílio de técnicas de difração de raios X, microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura e espectrometria por dispersão de energia. A avaliação das propriedades mecânicas de microdureza Vickers e de compressão foram conduzidas de acordo com a norma ASTM E384 e ASTM E9, respectivamente. Para identificar o tipo e o mecanismo de fratura, análises das superfícies de fraturas das ligas Ti-Zr-Si-B foram conduzidas por microscopia eletrônica de varredura. Os resultados indicaram que as ligas de Ti-6Zr-2Si-B e Ti-6Zr-6Si-3B tratadas termicamente foram formadas por matrizes de Ti-α contendo precipitados dispersos de TiB e Ti3Si, enquanto a liga Ti-6Zr-10Si-5B foi formada por uma matriz bifásica de Ti-α e Ti3Si, além de precipitados dispersos de TiB. Em detrimento à formação de Ti6Si2B, o Zr foi preferencialmente dissolvido na fase Ti3Si. Com o aumento da adição de Si e B na composição nominal das ligas ocorreu o aumento da microdureza Vickers, tensão de escoamento, módulo de elasticidade, limite de resistência a compressão e tensão de ruptura, com consequente redução da deformação total, devido a ocorrência de mecanismos de endurecimento por solução sólida substitucional (do Zr no Ti-α e no Ti3Si, e Si no Ti-α) e solução sólida intersticial (do B no Ti-α), além das parcelas de endurecimento por precipitação do TiB e de endurecimento por deformação. Nas superfícies de fraturas, foi notada a presença de regiões de dimples, que foram reduzidas com o aumento de Si e B na liga, e um comportamento de fratura de dúctil para quase-clivagem frágil foi identificada. Fraturas transgranulares e intergranulares foram encontradas próximas de Ti-e TiB (e Ti3Si), respectivamente. TiB e Ti3Si foram eficientes para dificultar e mudar a direção da trinca durante a deformação plástica.
Abstract: Titanium alloys are widely used for medical implant devices and high-temperature structural components due to their physical, chemical, mechanical and biological properties. For bearing articular orthopedic components, the Co-Cr-Mo alloys with metal matrix and intermetallic precipitates have presented superior wear resistance whereas the Ti alloys exhibit better biocompatibility. The Ti-Si-B and Ti-Zr-Si-B alloys with similar microstructures and superior bone integration than pure Ti can be produced by conventional arc melting and subsequent heat treatment. Previous works have indicated that the Zr addition can contribute to increase the oxidation resistance of Ti-Si-B alloys and, depending on its added amount the Ti6Si2B or Ti3Si is preferentially formed in these heat-treated alloys. However, limited information on mechanical properties of these materials are found in literature. In this sense, the aim of this work was the microstrutural characterization and evaluation on compression mechanical properties of the Ti-6Zr-2Si-1B, Ti-6Zr-6Si-3B and Ti-6Zr-10Si-5B (%-at.) alloys produced by arc melting and subsequent heat treatment. The following staring materials were used to produce the Ti-Zr-Si-B alloys: Ti (min. 99.7 wt-%), Zr (min. 95 wt.-%, with up to 4.5 wt.-% Hf), Si (99.999 wt.-%) and B (99.5 wt.-%). Ti-Zr-Si-B ingots weighting close to 40 g were produced in a furnace under Ar atmosphere using water-cooled copper crucible, non-consumable W electrode and Ti getter. In the sequence, the ingots were heat treated under Ar atmosphere at 1100oC for 4h, and cylinder bodies were successfully machined. The microstructural characterization of as-cast and heat-treated Ti-Zr-Si-B alloys were conducted by means of X-ray diffraction, optical microscopy, scanning eléctron microscopy and energy dispersive spectrometry techniques. The microhardness and compression mechanical properties were determined in accordance with ASTM E384 and ASTM E9 standards, respectively. To identify the fracture type and mechanism, the fracture surfaces of Ti-Zr-Si-B were investigated by SEM analysis. Results have indicated that the heat-treated Ti-6Zr-2Si-B and Ti-6Zr-6Si-3B alloys were formed by Ti-α as matrix and the disperses TiB and Ti3Si precipitates, whereas the Ti-6Zr-10Si-5B alloy with two-phase Ti-α and Ti3Si matrix besides the disperse TiB precipitates. In detrimental to the Ti6Si2B, the Zr was  prefferentially dissolved into the Ti3Si lattice. It was noted that the values of Vickers microhardness, yield stress, ultimate compression stress, and fracture stress of Ti-Zr-Si-B alloys have increased whereas their total deformation reduced for the Si- and B-richer alloys, due to occurrence of strengthening mechanisms by substitutional (Zr in α-Ti and Ti3Si, and Si in α-Ti) and interstitial (B in -Ti) solid solutions, precipitation (TiB) and deformation mechanisms during plastic deformation.  The fracture surfaces indicated the presence of dimples, which were reduced for the Si- and B-richer alloys, indicating that the fracture behavior from ductile to quasi-cleavage was achieved. Transgranular and intergranular fractures were identified close to the -Ti and TiB (and Ti3Si) regions. TiB and Ti3Si were efficient to difficult and change the crack path during plastic deformation.
Palavras-chave: Ligas de titânio.
Zircônio - Propriedades mecânicas.
Silício - Propriedades mecânicas.
Boro - Propriedades mecânicas.
Microscopia.
Microscopia eletrônica de varredura.
Área(s) do CNPq: METALURGIA FISICA::ESTRUTURA DOS METAIS E LIGAS
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Universidade Federal de Alfenas
Sigla da instituição: UNIFAL-MG
Departamento: Instituto de Ciência e Tecnologia
Programa: Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
Citação: MARCON, Hulisses Boneti. Processamento, caracterização microestrutural e avaliação das propriedades mecânicas de compressão de ligas de Ti-6Zr-2Si-1B, Ti-6Zr-6Si-3B e Ti-6Zr-10Si-5B tratadas termicamente. 2019. 58 f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais) - Universidade Federal de Alfenas, Poços de Caldas, 2019.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
Endereço da licença: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
URI: https://bdtd.unifal-mg.edu.br:8443/handle/tede/1523
Data de defesa: 11-Mar-2019
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