Orientadores: Sérgio Tonini Button, Alexandra de Oliveira França Hayama

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica

Resumo: Os implantes metálicos são importantes para restaurar estruturas ósseas danificadas. Para produzir tais implantes, diversos tipos de materiais podem ser empregados, sendo o aço inoxidável a primeira liga metálica utilizada, que mais tarde, perdeu espaço para a liga Co-Cr devido a sua...

Resumo: Os implantes metálicos são importantes para restaurar estruturas ósseas danificadas. Para produzir tais implantes, diversos tipos de materiais podem ser empregados, sendo o aço inoxidável a primeira liga metálica utilizada, que mais tarde, perdeu espaço para a liga Co-Cr devido a sua resistência à corrosão e propriedades mecânicas. As características das ligas de titânio do tipo ? fazem dessas ligas materiais promissores na confecção de implantes metálicos. Essas ligas são compostas por materiais biocompatíveis, como o nióbio, o tântalo e o zircônio, e apresentam módulo de elasticidade menor quando comparadas às ligas a+b. Neste trabalho foi estudada a liga b Ti-35Nb-7,5Ta (% em peso). Trabalhos prévios mostraram que esta liga apresenta propriedades compatíveis com as ligas desenvolvidas e utilizadas para implantes ortopédicos. Amostras dessa liga foram obtidas a partir de lingotes com 80g e 100g, fundidos em forno de fusão a arco voltaico, homogeneizados a 1000oC durante 8 horas e resfriados rapidamente em água, para obter-se uma microestrutura formada pelas fases b e martensita ortorrômbica (a"). As amostras foram então deformadas por laminação a frio em múltiplos passes até 84% de redução em espessura. Na sequência, as amostras com 84% de deformação foram recozidas em vácuo em diferentes temperaturas e tempos de recozimento. A caracterização microestrutural foi realizada por microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura e difração de raios-X. Também foram feitos ensaios de dureza Vickers, para a obtenção das curvas de encruamento e de amaciamento das amostras recozidas, e ultra-som para medidas do módulo de elasticidade. Os resultados mostram que na amostra solubilizada a microestrutura apresenta as fases a" e b, com grãos grosseiros, da ordem de 3 mm. As amostras com até 84% de deformação também apresentam somente as fases a" e b. Nas amostras com até 52% de redução da espessura foi verificada uma tendência da fase a" em se alinhar com a direção de laminação. A partir de 63% de redução em espessura há maior fragmentação dos grãos e a microestrutura torna-se majoritariamente lamelar. As amostras deformadas até 84% e recozidas a 600°C por 1, 5, 15, 30, 45 e 60 min e a 700°C por 1min encontram-se majoritariamente recuperadas. Já as amostras deformadas até 84% e em seguida recozidas a 700°C por 5, 15, 30, 45 e 60 min e a 800°C por 1, 5, 15, 30 e 45 min encontram-se parcialmente recristalizadas. Nas amostras recozidas a 800°C por 60 min também foi constatada a presença da fase a" no interior dos grãos totalmente recristalizados que apresentaram tamanho médio de 36 µm, com redução significativa se comparado com o do material solubilizado que era de 3mm

Abstract: Metallic implants are important to replace damaged bone structures. To manufacture such implants, many materials have been used, like stainless steels the first alloy ever applied and later substituted by Co-Cr alloys, which present better corrosion resistance and mechanical properties....

Abstract: Metallic implants are important to replace damaged bone structures. To manufacture such implants, many materials have been used, like stainless steels the first alloy ever applied and later substituted by Co-Cr alloys, which present better corrosion resistance and mechanical properties. Some characteristics of ? type titanium alloys make them a promising material in the manufacturing of metallic implants. These alloys present biocompatible elements such as niobium, tantalum and zirconium, and a lower Young's modulus when compared to a+b alloys. In this work it was studied the ? alloy Ti-35Nb-7.5Ta (%-weight). Previous studies have shown that this alloy presents properties which are compatible to other alloys commonly used in orthopedic implants. Samples of this alloy weighting 80 and 100 g were obtained by electric arc melting, heat treated at 1000oC for 8 hours and water quenched, to produce a microstructure with the phases b and orthorhombic martensite (a"). Then these samples were cold rolled in multiple passes up to a thickness reduction of 84%. Finally these samples were heat treated in vacuum at different temperatures and soaking times. Microstructural characterization was carried out by light optical microscopy, scanning electron microscopy and X-ray diffraction. Hardening and softening curves were obtained by Vickers hardness tests, and an ultrasonic method was used to evaluate the Young's modulus. The solubilized sample presents a a" and b microstructure with coarse grains, near to 3 mm. Cold rolled samples with 84% of thickness reduction also presented only the phases a" and b. In samples with up to 52% of the thickness reduction it was observed the tendency of phase a" to align with the rolling direction. Samples deformed above 63% of thickness reduction presented greater fragmentation of the grains and the microstructure became predominantly lamellar. Cold rolled samples with 84% thickness reduction and annealed at 600°C by 1, 5, 15, 30, 45 e 60 min and at 700°C by 1min are predominantly recovered, while samples annealed at 700°C by 5, 15, 30, 45 and 60 min and at 800°C by 1, 5, 15, 30 and 45 min are partially recrystallized. In samples annealed at 800°C by 60 min the a" phase was found inside fully recrystallized grains, which presented an average size of 36 µm, i.e., with a significant reduction if compared to the 3 mm solubilized mean grain size