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O titânio puro
apresenta, entre suas características físicas, temperatura de fusão de 1820
ºC, baixa densidade (4,5 g/cm3), boa resistência mecânica (que pode ser
ainda aumentada pela adição de elementos de liga e pela execução de
tratamentos térmicos ou termomecânicos) e excelente resistência à corrosão
(conferida pela formação de uma camada de óxido do tipo TiO2, aderente e
protetora). A principal desvantagem, que dificulta a utilização industrial
deste metal e de suas ligas, é o seu elevado custo de extração e preparação.
As principais aplicações do titânio e suas ligas na indústria atualmente
estão concentradas em componentes para a indústria aeronáutica, implantes
cirúrgicos dentais e ortopédicos e eventualmente em tubos do tipo catenárias
(“risers”) para extração de petróleo.
À temperatura ambiente
o titânio puro apresenta estrutura cristalina com reticulado do tipo
hexagonal compacto (HCP): é a chamada fase alfa, que permanece estável do
ponto de vista termodinâmico até a temperatura de 882 ºC, na qual se
transforma numa estrutura cúbica de corpo centrado (CCC), conhecida como
fase beta, que se mantém estável até ser atingida a temperatura de fusão
mencionada.
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.
No caso do titânio
comercialmente puro, a microestrutura, incluindo o tamanho de grão, e as
propriedades mecânicas só podem ser modificados 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.
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 eleada
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
dutilidade 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 dutilidade e a tenacidade.
A elevada dutilidade
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 ligas de titânio
podem ser classificadas basicamente em três grupos distintos, dependendo
das fases presentes à temperatura ambiente: a) Ligas alfa; b) Ligas
alfa + beta; c) Ligas beta.
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.
As ligas alfa + beta possuem teores bem mais elevados de elementos que
estabilizam a fase beta, como o nióbio e o vanádio, por exemplo. A presença
de fase beta coexistindo com a fase alfa favorece um aumento de resistência
mecânica. O resfriamento rápido, a partir de uma temperatura elevada na qual
exista somente a fase beta, produz martensita. Entretanto, se os teores de
elementos betágenos (que estabilizam a fase beta) forem muito elevados, pode
se formar uma certa fração de fase beta retida após o resfriamento rápido,
reduzindo a resistência mecânica de modo similar ao que ocorre nos aços
martensíticos nos quais se forma austenita retida.
Se os teores de elementos
betágenos forem mais elevados ainda, forma-se somente a fase beta, neste
caso a liga é considerada do tipo beta e possui resistência mecânica inferior
à das ligas bifásicas alfa + beta. Contudo, aumentando ainda mais os teores
de elementos betágenos ocorre um certo endurecimento por solução sólida.
Microestruturas com fase beta retida por resfriamento rápido são metaestáveis,
modificando-se com um aquecimento posterior. As ligas monofásicas do tipo
beta, embora apresentem resistência mecânica inferior às ligas alfa + beta,
têm mostrado melhor biocompatibilidade quando aplicadas em implantes cirúrgicos,
segundo pesquisas desenvolvidas nos últimos anos sobre este tema [1,2].
Estas ligas beta são
metaestáveis e se caracterizam por uma elevada endurecibilidade, sendo que
a fase beta é completamente retida durante e após o resfriamento ao ar de
produtos com seção fina ou resfriamento rápido em água no caso de peças
com seções mais espessas. As ligas beta são facilmente forjadas, e na forma
de chapas podem ser mais facilmente conformadas do que as ligas alfa e alfa+beta,
esta de maior resistência mecânica. Porém, a fase beta é metaestável e em
condições de equilíbrio tende a se transformar numa microestrutura bifásica
alfa+beta. Após solubilização, as ligas beta metaestáveis são envelhecidas
em temperaturas da ordem de 450 a 650 °C para que a fase beta seja, parcialmente,
transformada em fase alfa. Esta fase alfa se forma como partículas finamente
dispersas na fase beta retida, de modo que desta maneira é possível obter
resistência mecânica comparável, ou até mesmo superior, à obtida nas ligas
alfa+beta. As principais desvantagens das ligas beta, em comparação com
as ligas alfa+beta, são sua maior densidade, menor resistência à fluência,
e menor dutilidade em tração na condição envelhecida. Embora a dutilidade
em tração seja mais baixa, a tenacidade à fratura de uma liga beta envelhecida
é geralmente superior à de ligas alfa+beta com resistência ao escoamento
comparável. No caso da liga Ti-10V-2Fe-3Al já foi obtida resistência ao
escoamento elevada (da ordem de 1170 MPa) com excelente tenacidade (da ordem
de 138 MPa.m1/2).
Na condição
solubilizada (100 % de fase beta retida), as ligas beta apresentam boa
dutilidade e tenacidade, resistência mecânica relativamente baixa e
excelente conformabilidade. As ligas beta solubilizadas começam a apresentar
evidências de precipitação em temperaturas relativamente baixas, e,
portanto, são inadequadas para serviço em elevadas temperaturas sem um
tratamento prévio de estabilização ou de superenvelhecimento. Estas ligas
beta são metaestáveis porque o trabalho a frio à temperatura ambiente ou o
aquecimento em temperaturas ligeiramente altas pode causar transformação
parcial para a fase alfa. 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 [2].
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