CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTRAL DA LIGA Ti-6Al-4V .recebida, observadas por (A) microscopia óptica

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CARACTERIZAO MICROESTRUTRAL DA LIGA Ti-6Al-4V COMERCIAL UTILIZADA COMO BIOMATERIAL

A. A. Couto1,2; S. B. Faldini2; G. F. C. Almeida2; T. S. Sekeres2; C. T. Kunioshi3; A. E. Morcelli4; N. B. Lima1.

Endereo: Av. Lineu Prestes, 2242, Cidade Universitria So Paulo SP CEP: 05508-090, e-mail: acouto@ipen.br

(1) Instituto de Pesquisas Energticas e Nucleares; (2) Universidade Presbiteriana Mackenzie; (3) Escola Politcnica da Universidade de So Paulo;

(4) Instituto de Criminalstica-SP

RESUMO

O objetivo deste trabalho a caracterizao microestrutural da liga Ti-6Al-4V,

visando um melhor entendimento sobre a formao das fases , hexagonal, e ,

cbica de corpo centrado. Neste trabalho so utilizadas tcnicas de microscopia

tica, eletrnica de varredura e de transmisso, difrao de raios-X e de eltrons

retroespalhados. A fase na liga recozida a 800 C/2h aparece distribuda

homogeneamente na matriz , geralmente nos contornos de gro . O tratamento

trmico a 1000 C/1 h e resfriamento em gua originou numa microestrutura quase

que totalmente martenstica acicular, orientada ortogonalmente, com crescimento

preferencialmente em cinco direes e com alguma reteno da fase entre as

plaquetas da martensita. O tratamento trmico a 1000 C/1 h e resfriamento no forno

(20 C/min) resultou na presena de uma estrutura lamelar primria no interior de

gros . Regies de fase so formadas nos contornos das lamelas da fase .

Palavras-chave: Ti-6Al-4V, biomaterial, titnio, microestrutura.

INTRODUO

Em aplicaes como biomaterial, o titnio e a liga Ti-6Al-4V tem sido usados

desde 1960, com Ti-6Al-4V gradualmente substituindo o titnio comercialmente puro

devido resistncia mecnica superior. A temperatura ambiente, o titnio tem

estrutura hexagonal representada como fase . Essa estrutura transforma-se em

cbica de corpo centrado, fase a aproximadamente 883C. Esta temperatura de

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transformao pode ser alterada atravs da adio de elementos de liga. Os

elementos estabilizadores da fase , dentre os quais se destacam Al, Sn, Ga, C, O e

o N, aumentam esta temperatura, ao passo que elementos estabilizadores da fase ,

como V, Mo, Ni, Cu, Fe, Cr e o Ta, diminuem esta temperatura. A manipulao das

fases presentes atravs de adies de elementos de liga e de tratamentos

termomecnicos constitui a base para o desenvolvimento de diversas ligas com

diferentes propriedades (1-5).

As propriedades mecnicas da liga Ti-6Al-4V dependem da sua microestrutura.

Como um exemplo deste fato a variao das propriedades mecnicas desta liga

em funo da direo que se est analisando, uma vez que tanto a fase como a

fase possui tendncia em recristalizar com microestrutura texturada. Um controle

microestrutural por meio de tratamentos trmicos, processamentos termomecnicos

ou termoqumicos tm sido realizados na tentativa de aumentar a resistncia e a

tenacidade de ligas de titnio (6,7).

Diante do exposto anteriormente, o objetivo deste trabalho investigar

caractersticas microestruturais da liga Ti-6Al-4V, um dos materiais que vm sendo

extensivamente investigado em aplicaes como biomaterial. A caracterizao

microestrutural da liga Ti-6Al-4V foi feita por meio de tcnicas de microscopias

ptica, eletrnica de varredura e de transmisso, difrao de raios-X e difrao de

eltrons retroespalhados. Com este estudo pretendeu-se contribuir com o

entendimento sobre a formao das fases , hexagonal compacta, e , cbica de

corpo centrado, na liga Ti-6Al-4V alm das suas caractersticas.

MATERIAIS E MTODOS

O material utilizado neste trabalho foi a liga de Ti-6Al-4V. O material foi

adquirido na forma de barras de 6 mm de dimetro. O estado do material na

condio como recebido encontra-se conformado mecanicamente e recozida a 800

C por 2 horas. A seguir, foram feitos tratamentos trmicos na liga Ti-6Al-4V como

recebida, na temperatura de 1000 C por 1 hora e resfriamento na gua e dentro do

forno (velocidade de resfriamento de 20 C/minuto), visando a obteno de diferentes

microestruturas. As amostras das ligas nas condies como recebida e tratadas

termicamente, com velocidade de resfriamento varivel, tiveram suas

microestruturas caracterizadas.

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Na preparao das amostras para observao por microscopia ptica foram

utilizadas tcnicas convencionais de embutimento, lixamento, polimento e ataque

qumico. Na observao das amostras foi utilizado um microscpio ptico Olympus

BX40 acoplado a um sistema de digitalizao e anlise de imagens. As amostras

foram tambm observadas num microscpio eletrnico de varredura Philips

acoplado com sistema de anlise qumica utilizando energia dispersiva de raios X.

As anlises por difratometria de raios-X foram feitas num difratmetro de

raios-X Rigaku, utilizando radiao K do cobre. Folhas finas da liga Ti-6Al-4V foram

preparadas por polimento eletroltico para observao num microscpio eletrnico

de transmisso JEOL 200C. A anlise por difrao de eltrons retroespalhados foi

feita num microscpio eletrnico de varredura, da marca Phillips, modelo XL30, no

qual est acoplado um dispositivo de difrao de eltrons retroespalhados (EBSD),

da marca TSL, instalado na Escola Politcnica da Universidade de So Paulo.

RESULTADOS E DISCUSSO

Na figura 1 apresentado o difratograma de raios-X da amostra da liga Ti-6Al-

4V na condio como recebida (recozida a 800 C/2 h). Nota-se nesta figura uma

dificuldade em identificar, por difratometria de raios-X, a presena da fase nas

ligas de titnio quando a fase tambm est presente. O plano de reflexo mais

intenso da fase da fase (110) tem posio coincidente a um plano de reflexo da

fase (002), mascarando o resultado. Como a quantidade de fase na liga

relativamente pequena e as outras reflexes no coincidentes so de baixa

intensidade, fica praticamente impossvel garantir a presena da fase somente

pela anlise por difrao de raios-X.

As micrografias tpicas, observadas por microscopia ptica e microscopia

eletrnica de varredura, da amostra de Ti-6Al-4V na condio como recebida, so

apresentadas na figura 2. Nota-se nestas micrografias a presena de duas fases:

(hexagonal compacta) e (cbica de corpo centrado). Portanto, a microestrutura

presente nesta liga uma mistura de +, com a fase distribuda

homogeneamente na matriz . Na figura 3 apresentada uma micrografia desta

mesma amostra, observada por microscopia eletrnica de transmisso, confirmando

a presena das duas fases +. O padro de difrao da regio da fase e sua

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indexao tambm esto includos na figura 3. Est evidente na figura 3 que a fase

localiza-se preferencialmente nos contornos de gro .

0 20 40 60 80 1000

200

400

600

800

1000

(201)-hcp(110)-hcp

(102)-hcp

(101)-hcp

(002)-hcp/(110)-ccc(100)-hcp

Inte

nsid

ade

(Con

tage

ns)

2 teta (graus) Figura 1: Difratograma de raios-X da amostra da liga Ti-6Al-4V nas condio como

recebida (recozida a 800 C por 2 horas).

(A) (B)

Figura 2: Micrografias tpicas das amostras da liga Ti-6Al-4V na condio como

recebida, observadas por (A) microscopia ptica e (B) eletrnica de varredura.

Na figura 4 so apresentadas as micrografias por imagem de orientao,

relativa s fases e , da amostra de Ti-6Al-4V na condio como recebida. Nota-se

pelo cdigo de cores dos gros da fase que, mesmo sem fazer uma anlise

quantitativa, no parece ter ocorrido uma orientao preferencial pronunciada dos

gros. As cores esto distribudas relativamente de acordo com as intensidades

encontradas nas fichas JCPDS para esta fase e com as intensidades observadas no

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difratograma de raios-X da figura 1. Com relao fase , figura 4(B), a anlise por

difrao de eltrons retroespalhados confirmou a localizao preferencial nos

contornos de gro da fase . Algumas das regies coloridas na figura 4(B) podem

no ser da fase , devido ao tamanho reduzido desta fase e anlise ter sido feito

por excluso, ou seja, o que no foi identificado como sendo a fase .

(A) (B)

Figura 3: (A) Micrografia observada por microscopia eletrnica de transmisso da

amostra de Ti-6Al-4V, na condio como recebida, evidenciando regies da fase .

(Aumento: 12.000X). (B) Padro de difrao eletrnica de uma regio da fase com

estrutura cristalina cbica de corpo centrado, conforme indexao.

Os difratogramas de raios-X das amostras da liga Ti-6Al-4V tratadas

termicament