Made available in DSpace on 2015-03-03T11:52:31Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2014-07-11Bitstream added on 2015-03-03T12:06:34Z : No. of bitstreams: 1 000806454.pdf: 3577122 bytes, checksum: a8bc681f54e72c78d6b843602e38e315 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Com o envelhecimentoda população, os problemas de saúde relacionados à idade aumentam, como osteoartrite e a osteoporose, doenças que afetam articulações e ossos, e muitas vezes exigem cirurgia para aliviar a dor e aumentar a mobilidade, requerendo o uso de biomateriais. Além disso, há também uma busca por próteses ortopédicas devido a acidentes no trânsito e una prática de esportes. O titânio e suas ligas têm se destacado entre os biomateriais metálicos por possuir propriedades adequadas para tal fim. Para este trabalho, foram preparadas ligas de titânio com 19 e 23% em peso de tântalo, utilizando um forno a arco voltaico, e posteriormente as amostras passaram por tratamento térmico de homogeneização, laminação, tratamento térmico de alívio de tensões e tratamentos térmicos em atmosfera de oxigênio com o objetivo de que as amostras fossem dopadas, uma vez que a introdução deste elemento pode melhorar diversas propriedades do titânio. Para caracterizar as amostras, foram efetuadas análises da composição química e de gases, medidas de densidade, difração de raios X (DRX), com análise pelo método de Rietveld, microscopias óptica (MO) e eletrônica de varredura (MEV), com microanálises via Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS). Também foram efetuadas medidas de microdureza e módulo de elasticidade, com a finalidade de estudar o efeito de oxigênio em algumas propriedades mecânicas das ligas. Os resultados de composição química e EDS mostram que as ligas possuem boa qualidade. Os difratogramas de Raios X apresentaram estrutura hexagonal compacta para todas as amostras estudadas, corroborando com as micrografias, onde foi possível observar a formação de agulhas, características da fase ?' (matensítica). A liga com 23% em peso de Tântalo apresenta uma dureza maior do que a liga com 19% em peso de tântalo. As variações nos valores da dureza das ligas foram atribuídas ao processamento... / With the population aging, health related to increasing age, such as osteoarthritis and osteoporosis, diseases that affect the joints and bones, and often require surgery to relieve pain and increase mobility, requiring the use of biomaterials. In addition, there is also a search for orthopedic prostheses due to traffic accidents and sports. Titanium and its alloys have been highlighted among metallic biomaterials because have suitable properties for the purpose. For this study, were prepared titanium alloys with 19 and 23% in weight of tantalum, using an arc-furnace, and after the samples have undergone by homogenization heat treatment, cold rolling, solubilization heat treatment, and heat in oxygen atmosphere in order to doping the samples, since the introduction of this element can improve various properties of titanium. To chacarcterize the samples, were performed analysis of chemical and gas composition, density, X-ray diffraction (XRD) with Rietveld analysis, optical microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM), with microanalysis by Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) measurements. Microhardness and elastic modulus measurements were also made, in order to study the effect of oxygem on some mechanical properties of the alloys. The results of the chemical composition and EDS showed that the alloys have good quality. The X-ray diffraction showed hexagonal compact structure for all samples, where could be observed the formation of needles, characteristics of phase ?' (martensite). The alloy with 23 wt% of tantalum has higher hardness than the alloy with 19 wt% of tantalum. The variations in hardness values of the alloys were atributed to processing; it is not possible to observe variations in the values due to the addition of oxygen. The values of elastic modulus did not change due to the increase in the concentration of tantalum, oxygen addition and processing, remaining constant

Made available in DSpace on 2018-07-27T18:26:05Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2015-10-28. Added 1 bitstream(s) on 2018-07-27T18:30:13Z : No. of bitstreams: 1 000864474.pdf: 6181502 bytes, checksum: a47a7796371c23fe294986aadb78f454 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Titânio e suas ligas, atualmente, são utilizados como implantes por possuir excelente resistência à corrosão e propriedades mecânicas mais adequadas que os implantes de aço inoxidável e de Co-Cr. A liga de titânio mais utilizada para aplicações biomédicas é a liga Ti-6Al-4V, porem estudos mostraram que o vanádio causa reações alérgicas nos tecidos humanos e o alumínio tem sido associado com desordens neurológicas. Assim, para contornar este problema, novas ligas de titânio sem a presença desses elementos estão sendo estudada. O objetivo desse trabalho é analisar a influência do soluto substitucional molibdênio na estrutura cristalina, microestrutura, microdureza e módulo de elasticidade de ligas ternárias do sistema Ti-20Zr-Mo, onde o teor de molibdênio foi variado de 0,2,5,5,7,5 e 10% em peso. A caracterização química dos materiais foi realizada pela técnica de espectroscopia por EDS, FRX, mapeamento químico e medidas de densidade. A análise estrutural foi efetuada por difração de raios X, com posterior refinamento do difratograma com o método de Rietveld, analisando a variação dos parâmetros de rede e quantidade de fases. A análise microestrutural foi realizada pela da técnica de microscopia ótica e eletrônica de varredura. Uma análise das propriedades mecânicas da liga é obtida por intermédio de medidas de microdureza Vickers e módulo de elasticidade dinâmico. Os resultados de composição química mostraram que as amostras produzidas são de ótima qualidade. Os resultados estruturais e microestruturais indicam que a liga Ti-20Zr possui apenas a fase... / Titanium and alloys currently are used as implants possessing excellent corrosion resistance and mechanical properties more suited to stainless steel implants and Co-Cr. The titanium alloy used for most biomedical applications is Ti-6Al-4V, however studies showed that vanadium cause allergic reactions in human tissues and alluminum has been associated with neurological disorders. So to overcome this problem, new titanium alloys without the presence of these elements are being studied. The objective of this study is to anlyze the influence of molybdenum substitutional solute in the structure, microstructure, hardness and elastic modulus of ternary alloy Ti-20Zr-Mo system, where the molybdenum content was varied from 0,2,5,5,7,5 to 10% by weight. The chemical characterization of materials was performed by spectroscopy EDS, XRF, chemical mapping and density measurements...

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:28:02Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2008-03-26Bitstream added on 2014-06-13T20:57:37Z : No. of bitstreams: 1 ribeiro_alr_me_arafo.pdf: 2685274 bytes, checksum: 7158ff7a1872b087e78a242454cb7926 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Nas áreas médica e odontológica, a utilização do titânio para a substituição de estruturas biológicas se confirmou a partir do reconhecimento de suas excelentes propriedades. Com o objetivo de atingir melhores propriedades mecânicas, não alterando, porém, sua biocompatibilidade, foi proposto adicionar nióbio e zircônio ao titânio, formulando-se duas ligas metálicas Ti-35%Nb-5%Zr (liga 1) e Ti-35%Nb- 10%Zr (liga 2) (%m/m). As ligas foram caracterizadas por propriedades mecânicas, físicas e químicas. Para a obtenção das ligas foi utilizado um forno de fusão a arco-voltáico com atmosfera inerte, controlada por bomba de vácuo e fluxo de argônio. A análise química das amostras foi realizada por fluorescência de raios X, e a avaliação microestrutural, por microscopia eletrônica de varredura e difratometria de raios X. Os testes mecânicos realizados foram: dureza Vickers, resistência à tração, ciclagem mecânica por tração e análise de fratura. Os resultados permitiram caracterizar a liga 1 como do tipo α+β e a liga 2 como do tipo β. Conclui-se que a liga 1 apresentou maior dureza e menor resistência à tração do que a liga 2. As fraturas, após o teste de tração, foram do tipo dúctil e, após a ciclagem mecânica, foram do tipo mista para ambas as ligas. As características estudadas mostram que as ligas 1 e 2 são promissoras para a fabricação de implantes dentários. / In medical and dentistry areas, the use of titanium for the substitution of biological structures has been confirmed since recognition of its excellent properties. With the objective of exploiting better mechanical properties, not altering, however, its biocompatibility, it was intended to add niobium and zirconium to the titanium, being formulated two metallic alloys Ti- 35%Nb-5%Zr (alloy 1) and Ti-35%Nb-10%Zr (alloy 2) (%m/m). The alloys were characterized through mechanical, physics and chemistries properties. For obtaining the alloys an arc-melting furnace was used under inert atmosphere, controlled by vacuum bomb and argon flow. The chemical analysis of the samples was accomplished by X –ray fluorescence, and the microestrutural evaluation by scanning electron microscopy and X-ray diffraction. The performed skilled mechanical tests were: Vickers hardness, tensile strength, mechanical cycling, and fracture analysis. The results allowed characterizing the alloy 1 as α+β type and the alloy 2 as β type. It is found that the alloy 1 presented larger hardness and smaller tensile strength than the alloy 2. The fractures, after the tensile test, were of the ductile type and, after the mechanical cycling, they were of the mixed type for both alloys. The studied characteristics have shown that the alloys 1 and 2 may be promises compounds for manufacture of dental implant.

Orientador: Carlos Roberto Grandini / Banca: Antonio Carlos Gustaldi / Banca: Pedro Augusto de Paula Nascente / Banca: Antonio Carlos Dias Ângelo / Banca: Glória Dulce de Almeida Soares / O Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais, PosMat, tem caráter institucional e integra as atividades de pesquisa em materiais de diversos campi da Unesp / Resumo: As propriedades mecânicas da liga 'TI'-13'NB'-13'ZR' (TNZ) são modificadas de maneira significativa com a presença de elementos intersticiais tais como oxigênio, carbono, nitrogênio e hidrogênio, principalmente suas propriedades elásticas, causando endurecimento ou fragilização da liga. Este trabalho mostra o estudo da influência do oxigênio nas propriedades da liga TNZ através de medidas de espectroscopia mecânica, usando um pêndulo de torção operando em frequências que variam de 4 a 21 'HZ' e temperatura entre 90 a 700 K. Pode-se observar uma estrutura de relaxação composta por um pico em torno de 150 K que foi associado à reorientação induzida por tensão de átomos de hidrogênio ao redor de átomos oxigênio aprisionados nas vizinhanças de átomos da matriz metálica (par O-H). Foi identificado também um aumento na capacidade de amortecimento na região de alta temperatura, típico de amostras que foram submetidas a tratamentos termomecânicos. Também foi observado que as dopagens causam uma mudança na capacidade de amortecimento, pois a introdução de oxigênio distorce o reticulado cristalino. Uma vez que a liga TNZ é utlizada em implantes ortopédicos, foram realizados ensaios de biocampatibilidade in vitro. No teste de citotoxicidade indireta, nehuma das amostras estudadas apresentou efeito tóxico para as células, mesmo após as dopagens. Foram realizados ensaios de corrosão onde foi observado que, com a dopagem de oxigênio, houve um pequeno deslocamento do potencial de corrosão para valores menos positivos. Porém, foi verificada uma redução significativa da corrente anódica, mostrando que a velocidade de corrosão diminui quando a dopagem é realizada. A introdução de oxigênio diminu o módulo de elasticidade, o que é interessante para ligas utilizadas em implantes ortopédicos. / Abstract: The mechanical properties of the 'TI'-13'NB'-13'ZR' (TNZ) alloy are modified in significant way with the presence of interstitial elemensts such as oxygen, caborn, nitrogen and hidrogen, mainly its elastic properties, causing the hardening or softening of the alloy. This work shows the study of the oxygen influence on the properties of TNZ alloy by mechanical spectroscopy measurements, using a torsion pendulum operating at frequencies ranging from 4 to 21 'HZ' and temperature between 90 and 700 K. It can be observed a relaxation structure composed by a peak around 150 K that had been associated to the stress induced ordering of hydrogen atoms around oxygen atoms trapped in the neighborhood of atoms of the metllic matrix (O-H pair). It was identified an increase in the damping capacity in the high temperature region, typical of samples that was submitted to thermomechanical treatments. It was also observed that the oxygen charges caused a change in the damping capacity, because oxygen introducing distorts crystalline lattice. Once the TNZ alloy is used in orthopedic implants, it had benn made in vitro biocompatibility measurements. In the cytotoxicity indirect test, none of the samples presented toxic effect for cells, even after oxygen charges. It had been made corrosin assays wehe was observed that, with the oxygen charge, had a small displacement of the corrosin potential for less positives values. However, it was verified a sgnificant reduction in the anodic current, showing that the corrosin velocity decrease when dopping is made. The oxygen introduction decreases the elasticity modulus, what is interesting for orthopedic implants alloys. / Doutor

Orientadora: Ana Paula Rosifini Alves Claro / Coorientador: Ângelo Caporalli Filho / Banca: Marcos Valério Ribeiro / Banca: Maria Ismênia Sodero Toledo Faria / Resumo: Titânio e suas ligas são utilizados em implantes biomédicos devido a suas excelentes propriedades de volume, como resistência mecânica. Porém, tais propriedades estão diretamente ligadas à microestrutura, que por sua vez depende do processamento. O objetivo deste trabalho foi avaliar a microestrutura e a evolução da recristalização da liga Ti30Ta deformada a frio, após tratamento térmico. Os lingotes da liga Ti30Ta foram obtidos em um forno de fusão a arco voltaico. A liga foi tratada em um forno tubular sob vácuo a 950ºC por 24 horas para garantir a homogeneidade química e então foi forjada a frio em barras de 10 mm de diâmetro. As amostras foram solubilizadas a 900ºC por 2 horas e temperadas em água. Discos de 3 mm de espessura foram usados para análise. Para a avaliação da recristalização, foi realizado um tratamento térmico a 750ºC, 800ºC e 850ºC por 12 horas seguido de têmpera em água. A morfologia, composição e estrutura foram investigadas usando microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura, microscopia eletrônica de transmissão e difração de raios X. As análises de microscopia e difração de raios X indicaram a presença apenas da fase martensítica α' na amostra solubilizada e a presença das fases α' e α' nas amostras recristalizadas. Os ensaios mecânicos mostraram que houve uma melhoria nas propriedades mecânicas após a recristalização, sendo a temperatura de 750° que teve maior influência, porém houve também um incremento no módulo de elasticidade, o que é indesejado / Abstract: Titanium and its alloys have been used in biomedical devices due their excellent bulk properties, such as mechanical strength. However, these properties are very sensitive of microstructures which depend of the processing. The purpose of this study was to evaluate the microstructure and evolution of recrystallization of the could-swaged Ti30Ta alloy after heat treatment. Ingots of Ti30Ta alloy were obtained in arc melting furnace. Alloys were treated at 950° C for 24 hours for chemical homogenization in vacuum tubular furnace and cold worked by swaging into rods with 10 mm in diameter. Samples where then solution treated at 900° C for 2 hours and water quenched. Discs with 10 mm in diameter and 3 mm in thickness were used for analysis. For recrystallization evaluation, heat treatment was carried out at 750º C, 800º C and 850º C for 12 hours followed by water quenching. The morphology, composition and structure were investigated using optical microscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and XRD (X-rays Diffraction Analysis). The microscopy and XRD analysis indicate the presence of the martensitic phase α' for the solution treated sample and the presence of both α' and α' phases for the recrystallized samples. Mechanical tests shows an increase in the mechanical strength to all the samples after recrystallization, with the temperature of 750° being the most impacting, however, it led an unwanted increase to the elastic modulus / Mestre

Orientadores: Sérgio Tonini Button, Alexandra de Oliveira França Hayama / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-17T14:48:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Giudice_MariaLeticiaCalil_M.pdf: 38633793 bytes, checksum: 30bf8d7106dd74ad1d146acc8fec1028 (MD5) Previous issue date: 2011 / 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. 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 / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientadores: Rubens Caram Junior, Peterson Luis Ferrandini / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-11T09:53:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cardoso_FlaviaFarias_M.pdf: 5351739 bytes, checksum: a5e09817ce0f3948835333eeef72cc9d (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: O presente trabalho analisa parâmetros de influência na microestrutura e propriedades de ligas de titânio tipo ß contendo Mo e Zr aplicadas na confecção de próteses ortopédicas. As ligas de titânio tipo ß apresentam baixo módulo de elasticidade, o que é benéfico para os tecidos ósseos próximos ao implante e também, podem ser concebidas a partir de metais biocompatíveis. O presente trabalho envolveu a avaliação de ligas do sistema Ti-Mo-Zr em relação à estabilidade de fases visando a fabricação de implantes ortopédicos. Dentro desse contexto, em uma etapa inicial, avaliou-se o efeito da composição e da taxa de resfriamento a partir do campo ß na estabilidade de fases e formação da microestrutura, na dureza Vickers e no módulo de elasticidade de ligas Ti-Mo. Em seguida, avaliou-se o efeito de tratamentos térmicos de envelhecimento na microestrutura das ligas Ti-Mo e finalmente, o efeito da adição de Zr na supressão da precipitação da fase ? em ligas Ti-Mo. O trabalho foi implementado a partir da preparação de ligas em forno a arco sob atmosfera controlada, deformação plástica das amostras através de forjamento rotativo e laminação, tratamentos térmicos sob diferentes condições e caracterização utilizando-se microscopia óptica e eletrônica de varredura, difração de raios- X, ensaios de dureza Vickers e análise térmica diferencial. Os resultados obtidos permitiram identificar condições de formação de fases estáveis e metaestáveis, incluindo as fases martensíticas e fase ?. Observou-se que a liga Ti-15Mo resfriada em água apresentou o menor valor de módulo de elasticidade dentre as composições analisadas, 77 GPa, que a fase ? pode ser eliminada após tratamentos térmicos de envelhecimento e que a adição de 8% de Zr a liga Ti-10Mo inibiu a formação da fase ? atérmica sob resfriamento em água, sem que isso modificasse de maneira significativa seu comportamento elástico / Abstract: This work presents an analysis of microstructure and mechanical properties of ß titanium alloys with additions of Mo and Zr, aiming the fabrication of orthopedic implants. The ß titanium alloys can be composed only by biocompatible elements and also present low Young's modulus, which is interesting for the health of the bone surrounding the implant. On the purpose of studying phase stability of Ti-Mo-Zr alloys, the effect of cooling rate when cooling from the ß field and the effect of composition on the microstructure, Vickers hardness and Young¿s modulus of Ti-Mo alloys were initially studied. Afterwards the effect of aging on the microstructure and the effect of Zr additions on the precipitation of ? phase in Ti-Mo alloys were also evaluated. The alloys were arc melted under an argon atmosphere, the ingots were hot swaged and hot rolled and the samples were conveniently heat treated. Characterization involved optical microscopy, scanning electron microscopy, X-ray diffraction, Vickers hardness and differential thermal analysis. The results allow one to identify the conditions of formation of stable and metastable phases, these latter ? and martensites. It was observed that the alloy Ti-15Mo, when water cooled presents 77 GPa, the lowest value of Young¿s modulus, the ? phase may be eliminated by means of aging and that the addition of 8% Zr to the alloy Ti-10Mo completely suppresses formation of the athermal ? phase without affecting significantly its elastic behaviour / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

M.Ing. (Mechanical Engineering) / Titanium and its alloys have the potential to serve as a strategic economic driver of the South African economy. The manufacture and use of high strength, lightweight materials such as titanium alloys have become of great importance in the aerospace and biomedical industries over the past few decades. The manufacturing costs of titanium alloy components however, are considered high due to the poor machinability of the material. Furthermore, as with all metals during machining, surface residual stresses are induced into the material. These are of particular interest in the aerospace industry as they can be either detrimental or beneficial to the performance and fatigue life of materials. The aim of this investigation is therefore to examine the effect that machining parameters have on the magnitude, sign and distribution of residual stresses induced in Grade 4 and 5 titanium alloys during high performance machining (turning). The effect of these machining parameters is investigated by residual stress measurements conducted with X-ray diffraction and grain structure analysis of the machined surfaces by optical microscopy. Results show that cutting speed and depth of cut have a significant effect on the residual stresses. At low cutting speeds, the surface residual stresses are largely compressive, becoming more tensile with an increase in cutting speed. An increase in depth of cut also introduces more compressive residual stresses into the material. The microstructural analysis of the alloys shows that grain deformation decreases with an increase in cutting speed and cutting depth.

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This dissertation involves the experimental investigation of commercially pure titanium (CP Ti) which was subjected to laser forming and mechanical forming processes. Commercially pure titanium grade 2 was formed to a radius of curvature of approximately 120 mm using three forming procedures, i.e. i) laser forming; ii) mechanical forming (stretched forming) and iii) a combined forming process (laser-mechanical forming). Fatigue testing revealed, for all the forming processes, that samples produced by laser forming performed the best at high load settings. However, mechanically formed specimens performed the best at low load settings, whereas the laser-mechanical process resulted in midway performance between laser and mechanical processing. Considering microstructure vs fatigue; impact vs fatigue; and residual stress vs fatigue; at high load settings it is evident that the microstructure is the dominant contributor to crack initiation and growth. Crack morphology of fatigue samples revealed that secondary cracks (parallel to main crack front) followed the grain boundaries of the Widmanstätten microstructure, whereas irregular secondary cracks grew parallel and through the twinning planes and along the grain boundaries of the equiaxed microstructure. Laser forming resulted in microstructural changes from equiaxed grains to a Widmanstätten structure due to fast cooling rates. Excessive twinning is developed within the equiaxed microstructure after the mechanical forming procedure. This is due to cold working / strain hardening. The combined process shows a combination of equiaxed grains and Widmanstätten microstructure. Residual stress relieved for all forming processes revealed an increase in the magnitude of the residual stress compared to the parent plate and that the maximum values were obtained at the inner radius of curvature (i.e. 118.4 mm). Laser forming revealed the highest values in residual stress whereas the other two processes i.e. mechanical and laser-mechanical forming exhibited an increase midway between the parent plate and laser forming. The second most influential factor with regards to fatigue was the magnitude of the residual stress, especially at medium to low load settings. When considering theoretical models to predict fatigue life it was found that the Goodman model showed the closest relation to the actual fatigue data when considering the entire theoretical curve. Vickers microhardness profiling was applied to the thickness of the samples for the parent plate and all forming processes. No significant hardening occurred due to the forming processes and differences in hardness were considered negligible. Charpy impact testing revealed that the laser formed specimens exhibited the most brittle behaviour when compared to the parent plate results. Mechanical formed specimens showed a slight increase in brittleness compared to parent plate whereas the combined process yielded results midway between the laser and mechanically formed specimens. Mathematical equations are formulated and presented for predicting the fatigue life of CP Ti grade 2 for the parent plate and the three forming processes. This study proved that the laser forming process can be successfully used as a production stage in the forming of CP Ti grade 2.