Orientador: Rubens Caram Junior

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

Resumo: Em se tratando de biomateriais ortopédicos, as ligas de titânio tipo ß apresentam diversas vantagens em relação às ligas do tipo 'alfa' + ß. Ligas contendo elementos ß estabilizadores são mais interessantes em função da alta resistência mecânica específica, da elevada resistência à corrosão...

Resumo: Em se tratando de biomateriais ortopédicos, as ligas de titânio tipo ß apresentam diversas vantagens em relação às ligas do tipo 'alfa' + ß. Ligas contendo elementos ß estabilizadores são mais interessantes em função da alta resistência mecânica específica, da elevada resistência à corrosão e da excelente biocompatibilidade. Em adição, essas ligas exibem baixo módulo de elasticidade, característica fundamental na fabricação de implantes ortopédicos. O objetivo deste trabalho é a avaliação da estabilidade e metaestabilidade de ligas de Ti tipo ß do sistema Ti-Nb com adições de oxigênio. Amostras com composições Ti-30Nb-xO e Ti-35Nb-xO (x =0,1; 0,25; 0,5) (% em peso) foram preparadas por fusão a arco voltaico, homogeneizadas quimicamente em altas temperaturas, forjadas a quente e finalmente, submetidas a diferentes taxas de resfriamento. Tais amostras foram caracterizadas em relação à microestrutura por meio de microscopia óptica e eletrônica de varredura e de difração de raios-X, enquanto o comportamento mecânico foi avaliado por meio de ensaios de dureza Vickers, de medidas de módulo de elasticidade por meio de técnicas acústicas e de nano-dureza usando a técnica de nano-indentação. Os resultados obtidos indicam que baixas taxas de resfriamento conduzem à microestrutura formada pelas fases 'alfa' e ß e eventualmente, com a precipitação da fase 'omega'. Por outro lado, altas taxas de resfriamento conduziram à formação da estrutura metaestável martensítica 'alfa'. À medida que o teor de oxigênio foi incrementado e sob resfriamento lento, obteve-se a precipitação acentuada de fase 'alfa'. Sob elevadas taxas de resfriamento, o aumento dos teores de O e Nb resultaram na estabilização da fase ß e na redução da fração volumétrica da fase metaestável 'alfa'. As medidas de módulo de elasticidade mostram que em amostras submetidas a baixas taxas de resfriamento, a adição de oxigênio levou ao aumento do módulo de elasticidade. Para todas as taxas de resfriamento estudadas, observou-se que a dureza elevou-se com o aumento do teor de oxigênio, o que está associado à formação de solução sólida intersticial e à precipitação acentuada da fase 'alfa'.

Abstract: In the case of orthopedic biomaterials, ß-type titanium alloys have several advantages compared to the 'alfa'+ß titanium alloys. Alloys containing ß-stabilizing elements are often interesting due to high mechanical strength, high corrosion resistance and superior biocompatibility....

Abstract: In the case of orthopedic biomaterials, ß-type titanium alloys have several advantages compared to the 'alfa'+ß titanium alloys. Alloys containing ß-stabilizing elements are often interesting due to high mechanical strength, high corrosion resistance and superior biocompatibility. Furthermore, due to low elastic modulus, these alloys are promising candidate in the manufacturing of ortophedic implants. The main goal of this work is to study the phase stability and metastability in ß type Ti-Nb alloys with oxygen additions. Samples with concentrations Ti-30Nb-xO and Ti-35Nb-xO (x = 0,1; 0.25 and 0.5) (wt%) were prepared by using an arc melting furnace and homogenized chemically at high temperatures, hot forged and finally, submitted to different cooling rates. These samples were characterized in relation to their microstructure by applying optical microscopy and X-ray diffraction, while the mechanical behavior was evaluated by Vickers hardness tests and elastic modulus measurements using acoustic technique. These results indicate that low cooling rates lead to 'alfa' and ß phase formation and eventually, to 'omega' phase precipitation. On the other hand high cooling rates led to 'alfa' martensitic structure formation. For lower cooling rates, as the oxygen concentration increased, the volume fraction of 'alfa' precipitates increased. At higher cooling rates O and Nb additions had an effective role in enhancing the ß phase stability and in diminishing the volume fraction of 'alfa' martensite phase. It was found that samples submitted to lower cooling rates presented an increase in the elastic modulus values as the oxygen content was increased. It was possible to observe that, for all cooling rates applied, the hardness values increased as the oxygen content was increased. These results are associated with formation of interstitial solid solution and 'alfa' phase precipitation