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Tipo do documento: Dissertação
Título: Avaliação da dureza e do módulo de elasticidade de ligas Ti-Si-B e Ti-Zr-Si-B pela técnica de nanoindentação
Título(s) alternativo(s): Evaluation of the hardness and the elastic modulus of Ti-Si-B and Ti-Zr-Si-B alloys by the nanoindentation tests
Autor: PALMIRO, Tainara Furlan 
Primeiro orientador: RAMOS, Alfeu Saraiva
Primeiro membro da banca: BAPTISTA, Carlos Antônio Reis Pereira
Segundo membro da banca: RAMOS, Ana Sofia
Resumo: Ligas Ti-Si-B baseadas em Ti6Si2B têm sido consideradas com potencial para aplicações estruturais nas áreas da saúde e automotiva/aeronáutica/aeroespacial, devido suas boas características de biocompatibilidade e resistência à corrosão. No entanto, informações sobre suas propriedades mecânicas são ainda limitadas na literatura. As ligas de Ti-Si-B ricas em titânio podem apresentar a formação eutética de Ti+TiB, Ti+Ti6Si2B e Ti+Ti6Si2B+Ti5Si3 durante a solidificação, dependendo da composição química adotada. Em ligas Ti-Zr-Si-B com 6 %-at. Zr, a fase Ti6Si2B não é formada durante a solidificação. Neste contexto, o presente trabalho visou a avaliação da dureza e do módulo de elasticidade das ligas 97Ti-2Si-1B, 91Ti-6Si-3B, 85Ti-10Si-5B, 95Ti-2Zr-2Si-1B, 89Ti-2Zr-6Si-3B e 83Ti-2Zr-10Si-5B (%-at.), no estado bruto de solidificação e tratadas termicamente, a partir da técnica de nanoindentação dinâmica. Tais informações sobre as fases presentes nas microestruturas destas ligas foram também obtidas. Para a obtenção de microestruturas de equilíbrio, as ligas produzidas por fusão a arco foram tratadas termicamente a 1200oC por 16 h, sob atmosfera de Ar. A caracterização microestrutural das ligas no estado bruto de fusão e tratado foi conduzida com o auxílio das técnicas de microscopia óptica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectrometria por dispersão de energia (EDS). Para a determinação dos valores de dureza e do módulo de elasticidade reduzido das ligas Ti-Si-B e Ti-Zr-Si-B, assim como das fases que as compõem, as amostras foram devidamente preparadas por técnicas convencionais de metalografia e submetidas a ensaios de nanoindentação. Os resultados indicaram que as microestruturas das ligas Ti-2Si-B e Ti-2Zr-2Si-B no estado de bruto fusão foram compostas por uma matriz Ti-α com precipitados de TiB e Ti3Si, enquanto as demais apresentaram regiões eutéticas. Após o tratamento térmico, foi constatado o coalescimento dos precipitados e desaparecimento das regiões eutéticas, enquanto houve a formação de uma microestrutura baseada em Ti+Ti6Si2B. Os valores de dureza das ligas ternárias variaram entre 5,6±0,3 – 11,6±0,5 GPa para o estado de bruto fusão e 5,5±0,3– 10,2±0,7 GPa após o tratamento térmico, enquanto as quaternárias no estado bruto de fusão variaram entre 6,3±0,3 – 10,5±0,7 GPa e 4,8±0,4 – 12,4±0,6,GPa após tratamento térmico. Quanto aos seus valores de módulo de elasticidade, as ligas ternárias nos estados de bruto fusão e tratado termicamente variaram entre 163±9 – 222±16 GPa e 149±5 – 199±19 GPa, enquanto as ligas quaternárias variaram entre 174±11 – 224±15 GPa e 153±13 – 204±14 GPa, respectivamente. Os resultados da dureza e do módulo de elasticidade reduzido indicam que a adição de Zr não acarretou em nenhuma variação significativa dessas propriedades mecânicas, independente da condição de processo. Já a adição de B e Si acarretaram em um aumento significativo da dureza e módulo de elasticidade do material, devida a maior quantidade de precipitados que são formados na microestrutura destas ligas durante a solidificação e subsequente tratamento térmico.
Abstract: Ti-Si-B alloys based on Ti6Si2B have been considered with potential for structural applications in the areas of health and automotive / aeronautics / aerospace, because of their good characteristics of biocompatibility and resistance to corrosion. However, information about its mechanical properties is still limited in the literature. The titanium-rich Ti-Si-B alloys may present the eutectic formation of Ti + TiB, Ti + Ti6Si2B and Ti + Ti6Si2B + Ti5Si3 during solidification, depending on the chemical composition adopted. In Ti-Zr-Si-B alloys with 6% -at. Zr, the Ti6Si2B phase is not formed during solidification. In this regard, the present work aimed to evaluate the hardness and the modulus of elasticity of the 97Ti-2Si-1B, 91Ti-6Si-3B, 85Ti-10Si-5B, 95Ti-2Zr-2Si-1B, 89Ti-2Zr-6Si- alloys 3B and 83Ti-2Zr-10Si-5B (% -at.), as-cast and heat-treated, using the dynamic nanoindentation technique. Such information about the phases present in the microstructures of these alloys was also obtained. To obtain equilibrium microstructures, the alloys produced by arc melting were heat treated at 1200ºC for 16 h, under argon atmosphere. The microstructural characterization of as-cast and heat-treated Ti-Si-B and Ti-Zr-Si-B alloys were conducted by means of optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectrometry and dynamic nanoindentation tests. For the hardness and elastic module of phases in Ti-Si-B and Ti-Zr-Si-B alloys, the samples were carefully prepared following the conventional metallographic techniques and were subjected to nanoindentation tests. The results showed the microstructures of the as-cast ternary alloys were formed by the primary Ti-α precipitation and different eutectic regions formed by the TiB and Ti6Si2B phases. In as-cast quaternary Ti-Zr-Si-B alloys, the Ti3Si was preferentially formed instead the Ti6Si2B. After heat treatment, it was noted that the phases were coalesced and had the the preferential formation of the Ti-α and Ti6Si2B phases. As-cast ternary alloys presented the hardness values varying from 5.6±0.3 to 11.6±0.5, which have varied between 5.5±0.3 to 10.2±0.7 GPa after heat treatment. The quaternary alloys exhibited the values of 6.3±0.3 – 10.5±0.7 GPa and 4.8±0.4 – 12.4±0.7,GPa, respectively. Elastic module of the as-cast and heat-treated ternary alloys were varied between 163±9 – 222±16 GPa and 149±5 – 199±19 GPa, respectively. The as-cast and heat-treated quaternary alloys present similar results; i.e., their elastic module values were 174±11 – 224±15 GPa and 153±13 – 204±14 GPa, respectively. The results of the hardness and the reduced modulus of elasticity indicate that the addition of Zr did not result in any variation of these mechanical properties, regardless of the process condition. The addition of B and Si resulted in a significant increase in the hardness and reduced module of elasticity of the material, because of the greater amount of precipitates that are formed in the microstructure of these alloys during solidification and subsequent heat treatment.
Palavras-chave: Ligas de titânio.
Biomateriais.
Diagramas de fase.
Área(s) do CNPq: METALURGIA FISICA::PROPRIEDADES MECANICAS 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: PALMIRO, Tainara Furlan. Avaliação da dureza e do módulo de elasticidade de ligas Ti-Si-B e Ti-Zr-Si-B pela técnica de nanoindentação. 2020. 89 f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais) - Universidade Federal de Alfenas, Poços de Caldas, 2020.
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/1751
Data de defesa: 22-Dez-2020
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