Orientador: Anselmo Eduardo Diniz / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-12T21:04:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Antonialli_ArmandoItaloSette_M.pdf: 4713382 bytes, checksum: def6e55af0d1c4dc5c508bbe6440464c (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: As ligas de titânio apresentam baixa usinabilidade devido à reduzida condutividade térmica, à manutenção de suas propriedades mecânicas em altas temperaturas, à elevada afinidade química com os materiais de ferramentas e ao baixo módulo de elasticidade. Esta última característica promove instabilidade da espessura de corte, o que se traduz em altos níveis de vibração, especialmente em processos de usinagem caracterizados por corte interrompido. Este trabalho trata da otimização do fresamento frontal da liga de titânio Ti-6Al-4V a partir da minimização da vibração da ferramenta através de variações do ângulo de posição da ferramenta e do ângulo de contato entre o inserto e o corpo de prova. Os resultados mostram que a utilização de um ângulo de posição reduzido prolonga a vida da ferramenta por associar a maior parte do carregamento radial a freqüências muito baixas, nas quais a ferramenta se comporta como um corpo rígido. O emprego de um ângulo de contato reduzido, por outro lado, é extremamente danoso à vida da ferramenta, pois a entrada do inserto no corpo de prova se dá em condições adversas. Attrition seguido de microlascamentos da aresta, nas condições em que houve vibração excessiva ou intenso choque na entrada do inserto, e difusão, nas condições dinamicamente mais estáveis, foram os principais mecanismos de desgaste de ferramenta verificados neste trabalho / Abstract: Titanium alloys present poor machinability because of their low thermal conductivity, their ability to keep good mechanical properties at high temperatures, their high chemical affinity to tool materials and their low Young modulus. This last characteristic generates instabilities of cutting thickness, which means high vibration levels, especially in machining processes involving interrupted cutting. This work studies Ti-6Al-4V titanium alloy face milling optimization by tool vibration reduction using different tool entering angles and different radial immersion angles between tool and workpiece. Results show that using low entering angle do extends tool life due to associating most radial load with very low frequencies, in which tool behaves like a rigid body. On the other hand, using low radial immersion angle extremely impairs tool life, as tool insert enters the workpiece on adverse conditions. Attrition followed by cutting edge microchipping, on experiments in which high vibration levels or intense shock on tool insert enter where found, and diffusion, on experiments dynamically more stable, were the main tool wear mechanisms observed in this work / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Rubens Caram Junior / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-14T09:07:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lopes_EderSocratesNajar.pdf: 12663062 bytes, checksum: 7370e7f28842390cf5ef88bf41daa49e (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: As ligas de Ti tipo ß exibem versatilidade em relação a propriedades mecânicas, que podem ser controladas por tratamentos térmicos específicos. Neste trabalho foram produzidas, processadas e caracterizadas amostras de ligas Ti-Nb-Sn, objetivando a fabricação de hastes de próteses totais de quadril. O trabalho incluiu a avaliação de transformações de fase durante tratamentos térmicos, a avaliação dos efeitos de tais tratamentos na microestrutura e no comportamento mecânico e finalmente, a proposição de processo de fabricação de hastes de próteses de quadril por forjamento a frio e de tratamentos térmicos coerentes com a solicitação mecânica do componente. Os resultados obtidos permitem descrever a decomposição da martensita e a formação das fases ß, ? e a. Tais informações foram aplicadas na seleção de condições ideais de tratamentos térmicos que possibilitaram o forjamento a frio com sucesso, gerando peças isentas de trincas ou outros defeitos indesejáveis. A aplicação de condições específicas de tratamento térmico a haste permitiu otimizar o comportamento mecânico da mesma. A parte superior da haste, que é submetida a esforços mais intensos, foi tratada termicamente, exibindo ao final alta resistência mecânica. Por outro lado, a parte inferior, que deve exibir comportamento compatível com deformações elástica dos ossos, foi processada de forma distinta, exibindo ao final, baixo módulo de elasticidade. / Abstract: ß type Ti alloys exhibit versatility in terms of mechanical properties, which can be tailored by using specific heat treatment conditions. In this work, Ti-Nb-Sn alloy samples were prepared, processed and characterized, aiming to produce femoral stems of total hip prostheses. The research included evaluations of phase transformations during heat treatments as well as analyses of the effect of such heat treatments on the microstructure and mechanical behavior. It also included the proposition of a manufacturing process of such stem using cold forging process and application of specific heat treatment conditions according to the component mechanical requirements. The results obtained allowed one to describe martensite decomposition as well as ß, ? e a phases precipitation. Such information has been applied in the selection of optimized conditions that allow successful cold forging, providing undesirable defects-free parts. Also, application of specific heat treatment conditions led to the optimization of the stem mechanical behavior. The stem upper section, which is usually subjected to higher mechanical stress, was submitted to aging heat treatment, resulting in higher mechanical strength. On the other hand, the lower section, which must have compatible performance with bone elastic deformation, was processed in a different manner to result in low elastic modulus. / Universidade Estadual de Campi / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientadores: Rubens Caram Junior, Itamar Ferreira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-11T18:56:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cremasco_Alessandra_M.pdf: 37516014 bytes, checksum: edfb74db9675b3aa63db74dea7998021 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: As ligas de titânio correspondem à classe mais versátil de materiais metálicos empregados em implantes ortopédicos. Dentre tais ligas, encontram-se as do tipo ß, que devem se tornar em breve o padrão nesse tipo de aplicação.O presente trabalho tem como objetivo a preparação e a caracterização de amostras da liga de titânio tipo ß ?de composição Ti-35Nb (% em peso) processadas sob duas condições distintas de resfriamento, rápida e lentamente, a partir do campo de temperaturas ß. Foram realizados estudos ligados à estabilidade microestrutural, ao efeito de tratamentos térmicos na microestrutura, ao comportamento mecânico, à resistência à corrosão e finalmente, à resistência à fadiga, em meio neutro e em meio agressivo. Observou-se que sob resfriamento lento, a microestrutura da liga Ti-35Nb é formada pela fase ß ?com precipitados da ß e de martensita a". Tratamentos térmicos de envelhecimento resultaram na transformação da martensita a" em fase ß, seguida da nucleação das fases ? ?e a. Ensaios mecânicos mostraram que o módulo de elasticidade e a dureza de ligas resfriadas lentamente foram significativamente superiores aos valores obtidos com as amostras resfriadas rapidamente. Da mesma forma, observou-se que as amostras resfriadas lentamente apresentam maior limite de resistência à tração e inferior nível de ductilidade. Ensaios de resistência à corrosão mostraram comportamento semelhante para ambas as amostras resfriadas rápida e lentamente, o que mostra que a taxa de resfriamento e conseqüentemente, as fases formadas não alteram significativamente a resistência à corrosão. Os ensaios de fadiga mostraram que as amostras processadas sob as duas condições de resfriamento apresentaram limite de resistência à fadiga inferior ao da liga Ti-6Al-4V. A liga resfriada rapidamente apresentou valor maior que a mesma liga resfriada em forno. Os valores de resistência à fadiga em solução de 0,9% NaCl de amostras resfriadas rápida e lentamente exibiram leve tendência de redução em relação ao meio neutro. / Abstract: Titanium alloys form the most versatile class of metallic materials used as biomaterials. Among them, one finds the ß ?type alloy, which must soon become the standard metallic materials for orthopedic applications. The aim of this work is to prepare and characterize a type ß ?titanium alloy containing 35 wt.% Nb. Samples of such alloy were rapidly and slowly cooled from the ß ?field temperatures. This work includes studies of microstructure stability, effects of heat treatment on the microstructure, evaluation of corrosion resistance and finally, analysis of fatigue resistance in non-aggressive and aggressive media. The results obtained allowed one to observe that microstructure of slowly cooled samples is formed by precipitates of ß ?and a phases in a ? ?matrix. Under rapid cooling, the microstructure consists of ß ?phase and a" martensite. Aging heat treatments resulted in the transformation of a" martensite into ß ?phase, followed by ? ?phase precipitation and hence, a ?phase nucleation. Mechanical testing showed that the elastic modulus and Vickers hardness of slowly cooled samples were significantly higher than that obtained in the case of the rapidly cooled samples. On the other hand, it was observed that slowly cooled samples showed higher tensile strength and lower ductility. Corrosion resistance testing led to the conclusion that both rapidly and slowly cooled samples have similar corrosion behavior, which allows one to conclude that cooling rate and consequently, the phases in the microstructure do not have a relevant influence on the corrosion resistance. Fatigue testing showed that both types of sample (rapidly and slowly cooled samples) have fatigue resistance lower than that of the Ti-6Al- 4V alloy. The rapidly cooled sample showed fatigue resistance higher than that of slowly cooled samples. The fatigue resistance measured in a NaCl (0,9% vol.) solution of both types of samples showed a slight tendency of reduction when compared to the same samples tested in nonaggressive medium. / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

Biomateriais para uso em implantes devem exibir propriedades como biocompatibilidade, biofuncionalidade e resistência à corrosão. O uso do titânio e suas ligas em aplicações biomédicas vem continuamente aumentando devido à sua maior taxa resistência-peso, superior biocompatibilidade e resistência à corrosão, boas propriedades mecânicas e baixo módulo de elasticidade quando comparado a outros materiais biomateriais metálicos como aço inox e ligas Co-Cr. Um importante aspecto para o sucesso de um implante é a utilização de materiais com módulo de elasticidade baixo, próximo ao do osso, pois estudos indicam que a transferência insuficiente de carga entre implante e osso pode resultar em reabsorção óssea e afrouxamento do implante, que é chamado efeito de blindagem de tensão (stress shielding effect). A liga ternária Ti13Nb13Zr apresenta em sua composição somente elementos considerados biocompatíveis, possui menor módulo de elasticidade que ligas Co-Cr, aço inox e Ti6Al4V, e superior resistência à corrosão. Neste trabalho foi estudado o efeito do teor de nióbio e zircônio nas propriedades mecânicas da liga ternária TiNbZr numa faixa de composições com quantidade de titânio constante em 74 %peso e teor de Nb e Zr variando entre 6 e 20 %peso, produzida por metalurgia do pó a partir de pós hidrogenados e método de mistura elementar, após diferentes condições de processamento e tratamentos térmicos. Os resultados de caracterização microestrutural obtidos por MEV e difração de raios X mostraram que o aumento do teor de Nb não produziu alterações significativas na fração volumétrica das fases e e, o aumento do teor de Zr proporcionou o aumento da fração de fase , favorecendo a formação da estrutura de Widmanstätten. O aumento dos teores de Nb e Zr produziram alterações nas microestruturas dos materiais que levaram ao aumento dos valores de módulo de elasticidade e dureza, e com aumento do teor de Zr houve aumento da susceptibilidade à corrosão. Nas condições de processamento utilizadas, a liga Ti13Nb13Zr apresentou as propriedades mecânicas e microestruturais mais indicadas para utilização como biomateriais. / Biomaterials for use in implants must be biocompatible, biofunctional and resistant to corrosion. Utilization of titanium and its alloys is continuously increasing due to their larger strength-weight ratio, superior biocompatibility e corrosion resistance, good mechanical properties and low elastic modulus when compared to other metallic biomaterials such as stainless steel and Co-Cr alloys. Using materials with low elastic modulus, close to bone values, is important to reduce stress shielding effect, which can cause implant loosening. Ti13Nb13Zr ternary alloy shows only elements considered biocompatible and has a lower elastic modulus than Co-Cr alloy, stainless steel and Ti6Al4V, and superior corrosion resistance. In this work TiNbZr alloy was prepared in different compositions, maintaining Ti content at 74%wt with Nb and Zr contents ranging amongst 6 and 20%wt, produced by powder metallurgy using different processing conditions and heat treatments. Characterization via SEM and X-Ray diffraction showed that the Nb increase didnt produce significant alterations on volume fraction of and phases in the material, and the increase in Zr content led to an increase in phase amounts and formation of Widmanstätten patterns. Nb and Zr content increasing produced microstructural modifications, leading to an increase in elastic modulus and hardness values, as well as corrosion susceptibility variations, where higher Zr contents leaded to a surface with less corrosion resistance. Amongst compositions and for the designed processing method, Ti13Nb13Zr presented the most indicated mechanical and microstructural properties for utilization as biomaterials.

Orientador: Rubens Caram Junior / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-12T05:26:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Souza_SandraAndreiaStwartdeAraujo_D.pdf: 29406912 bytes, checksum: 599ca950936f4d1a34c07ae03af24fb6 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Freqüentemente, os implantes femorais falham devido à transferência insuficiente de carregamento a partir da haste metálica para o osso adjacente. Este problema está relacionado à diferença de rigidez entre osso e prótese, que depende em parte de seus módulos de elasticidade. Dessa forma, ligas com módulos de elasticidade menores são desejáveis, a fim de melhorar a distribuição de tensões nos tecidos ósseos adjacentes. Adições de Nb e Ta ao titânio propiciam a redução do módulo de elasticidade, além de não provocarem reação alérgica nos tecidos ao redor do implante. Como as propriedades das ligas de titânio são fortemente dependentes de suas fases constituintes, este estudo teve como objetivo avaliar o efeito da taxa de resfriamento sobre as transformações de fases das ligas Ti-(25; 30; 35)%Nb-(0; 2,5; 5; 7,5)%Ta (% em peso), com ênfase na identificação das relações entre propriedades e microestrutura. Assim, foi verificado que as adições desses elementos promoveram a formação das fases a", ß-metaestável e ? em uma ampla faixa de taxas de resfriamento e que a dureza e o módulo de elasticidade das ligas foram fortemente influenciados pela precipitação da fase ?. Em geral, as ligas submetidas a altas taxas de resfriamento apresentaram limite de escoamento variando de 303 a 457 MPa e alongamento variando de 6 a 38%. As ligas Ti-35Nb e Ti-35Nb-7,5Ta foram também envelhecidas e os resultados obtidos mostraram que a liga Ti-35Nb-7,5Ta apresenta a melhor combinação entre alta resistência mecânica e baixo módulo de elasticidade. / Abstract: Life time of femoral implants is usually shortened by insufficient transfer of load from implant to adjacent bone; this problem is attributed to the different stiffness of bone and implant that partially depends on their elastic moduli. Therefore, alloys exhibiting lower values of elastic modulus are desirable in order to improve the distribution of stress in the adjacent bone tissue. On this purpose, additions of Nb and Ta to titanium permit to reduce the elastic modulus, not provoking allergic reactions. Since properties of titanium alloys are strongly dependent on their constituent phases, this study aims to evaluate the effect of cooling rates on the phase transformations of the Ti-(25; 30; 35)%Nb-(0; 2.5; 5; 7.5)%Ta (wt. %) alloys; the work is focused on identifying the microstructure-property relationship. Thus, it was observed that additions of the alloying elements led to the formation of a", ß-metastable and ? phases in a wide range of cooling rates. Moreover, ? phase precipitation strongly influences hardness and elastic modulus. When cooled at high cooling rates the alloys presented yield strength ranging from 303 to 457 MPa and elongation ranging from 6 to 38%. Aging treatments were also applied to the Ti- 35Nb and Ti-35Nb-7.5Ta alloys and the results show that the Ti-35Nb-7.5Ta alloy presents the best combination between high strength and low modulus. / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: João Batista Fogagnolo / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-24T20:13:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Carvalho_LisianeRochaAzevedode_M.pdf: 2047962 bytes, checksum: 5f5e3ae6c55b6c8a79673f40d2fc559a (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Titânio e suas ligas são amplamente utilizados como biomateriais devido a propriedades como alta resistência específica, alta resistência à corrosão e baixo módulo de elasticidade. As ligas de titânio apresentam diferentes estruturas cristalinas, as quais possuem diferentes módulos de elasticidade. Esta característica permite que o módulo de elasticidade seja manipulado através do controle da composição química da peça, o que por sua vez possibilita a fabricação de peças com gradientes de rigidez, abrindo-se um amplo campo de pesquisa e novas aplicações. Este trabalho utiliza a técnica de modificação superficial por laser e adição de nióbio com o objetivo de obter peças de titânio com revestimentos constituídos por fases com menores módulos de elasticidade, ou seja, peças com revestimentos menos rígidos que o substrato. Inicialmente foram caracterizados cordões isolados obtidos com diferentes densidades de energia do feixe de laser, através da variação da potência, do diâmetro e da velocidade de varredura do feixe de laser. Nos cordões isolados, observou-se que a potência do feixe de laser é o parâmetro de maior influência e que densidades de energia intermediárias possibilitaram obter cordões com zonas fundidas com dimensões e formato adequados para a posterior etapa de obtenção de recobrimento contínuo por sobreposição de cordões. As composições dos cordões isolados, apesar de apresentar heterogeneidade, permitiram a estabilização da fase ?. No entanto, uma fração significativa dos cordões apresentou também a fase ? com microestrutura dendrítica, indicando que essa fase foi resultado da solidificação, o que pode ter ocorrido pela contaminação por oxigênio, que é um forte estabilizador dessa fase. Dessa forma, mesmo com a formação da fase ?, não se observou uma redução do módulo de elasticidade. Em todos os casos, a dureza apresentou um significativo aumento, também devido a forte contaminação por oxigênio. A formação de revestimentos contínuos foi obtida através da sobreposição de 50% da largura dos cordões. Os revestimentos contínuos assim obtidos apresentaram segregação de soluto, com fase ? estabilizada nas regiões com maiores teores de nióbio e agulhas de martensita nas regiões com menores teores de nióbio. A contaminação por oxigênio foi reduzida em comparação com os cordões isolados. Os revestimentos contínuos apresentaram aumento de dureza e diminuição do módulo de elasticidade, conforme o objetivo proposto / Abstract: Titanium and its alloys are commonly used as biomaterials due to their properties as high specific strength, high corrosion resistance and low elastic modulus. Titanium alloys show differents crystalline structures, which have different elastic modulus. This characteristic allows the manipulation of the elastic modulus through chemical composition control, which allows the manufacture of pieces with stiffness gradients, spreading a large research field and new applications. This work use the laser surface alloying technique with addition of niobium powder to obtain titanium pieces with coatings composed by phases with lower elastic modulus, in other words, pieces with coatings less stiff than the substrate. Firstly, isolated tracks obtained by different beam laser energy densities, by varying laser beam power, diameter and scan speed were characterized. In this case, the laser beam power was the most important parameter and the intermediaries energy densities allowed to obtain tracks with melted zones with dimensions and shape suitable to obtain a continuous coating by overlapping tracks. The isolated tracks compositions, despite their chemical heterogeneities, showed the stabilization of the ? phase. However, a significant fraction of tracks showed also ? phase with dendritic microstructure, indicating that this phase was the result of solidification, which may have occurred due oxygen contamination, which is a strong ? stabilizer element. Thus, despite the stabilization of the ? phase, a reduction in elastic modulus was not observed. In all the cases the hardness showed a significant increase, also because of the high contamination by oxygen. The continuous coating formation was obtained by overlapping 50% of the tracks width. The continuous coatings obtained showed solution segregation, with ? phase stabilized in the regions with higher niobium content and needle like traces of martensite in the regions with less niobium content. The oxygen contamination was reduced in comparison with isolated tracks. The continuous coatings showed high hardness with a decrease of the elastic modulus, in accordance with the proposed objective / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestra em Engenharia Mecânica

Orientador: Rubens Caram Junior / Tese de Doutorado - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-22T19:13:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Contieri_RodrigoJose_D.pdf: 5581364 bytes, checksum: b95f94b00d984d338e4134cd12621962 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Ligas do sistema Ti-Cu com composições próximas à eutetóide exibem potencial para aplicações estruturais, pois apresentam interessantes propriedades mecânicas, baixa densidade e alta resistência à corrosão. O comportamento mecânico dessas ligas depende diretamente das condições de processamento e tratamentos térmicos aplicados. Em condições de equilíbrio, a microestrutura dessas ligas é formada pela fase ? e pelo composto intermetálico Ti2Cu. Dependendo das condições de processamento, estruturas metaestáveis podem ser formadas. O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito de diferentes tratamentos térmicos na microestrutura e nas propriedades mecânicas de ligas Ti-Cu. Inicialmente, amostras com composições hipoeutetóide, eutetóide e hipereutetóide foram resfriadas a partir de altas temperaturas em um dispositivo de ensaio Jominy modificado e por ensaios de "splat colling". Na sequência, ensaios de envelhecimento aplicados a amostras com microestruturas metaestáveis também foram realizados. A caracterização das amostras envolveu microscopia óptica, eletrônica de varredura e de transmissão, difração de raios-X, tomografia atômica tridimensional e ensaios mecânicos. Os resultados obtidos indicam que altas taxas de resfriamento resultam na formação de microestruturas formadas por martensita ? ' e pelo composto Ti2Cu com composições diferentes das de equilíbrio. O módulo de elasticidade não apresentou variação com a taxa de resfriamento. Resultados de envelhecimento sugerem que o máximo valor de dureza Vickers e de resistência mecânica correspondem à perda de coerência entre os precipitados do composto intermetálico Ti2Cu e a matriz de fase ? / Abstract: Alloys in the Ti-Cu system with compositions close to the eutectoid exhibit potential for structural applications because they present interesting mechanical properties, low density and high corrosion resistance. The mechanical behavior of these alloys depends directly on the processing conditions and heat treatments applied. Under equilibrium conditions, the microstructure of these alloys is formed by the ? phase and the Ti2Cu intermetallic compound. Depending on the processing conditions imposed, metastable structures may be formed. The aim of this study was to evaluate the effect of different heat treatments on the microstructure and mechanical properties of Ti-Cu alloys. Initially, sample of hypoeutectoid, eutectoid and hypereutetoid compositions were cooled from high temperatures by in a modified Jominy test setup and by the "splat cooling technique". Following, aging heat treatments were applied to the samples with metastable microstructures. The sample's characterization included optical microscopy, scanning and transmission electron microscopy, X-ray diffraction, 3-dimensional atomic tomography and mechanical testing. The results suggests that high cooling rates result in the formation of microstructures formed by martensite ? ' and the Ti2Cu compound with compositions different from the equilibrium composition. The elastic modulus does not vary with the cooling rate. Aging results suggest that the maximum values of Vickers hardness and mechanical strength correspond to the loss of coherence between the Ti2Cu intermetallic compound precipitates and the ? phase matrix / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Rubens Caram Júnior / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-23T11:47:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Opini_VictorCarvalho_M.pdf: 4901209 bytes, checksum: 0a9d16713cdd0fd8ab69b7f9768812bc (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Em segmentos industriais bastante distintos como o aeroespacial e o médico, o uso de titânio e suas ligas na fabricação de dispositivos tem aumentado de forma consistente nos últimos anos. O emprego desse metal de forma tão diversificada, seja em motores a jatos ou em implantes ortopédicos, se deve a suas características únicas, ou seja, elevada resistência mecânica, baixa densidade, alta resistência à corrosão e ótima biocompatibilidade. Estudos realizados nos últimos anos e associados ao uso estrutural do titânio nos setores aeroespacial e médico/odontológico têm focado o desenvolvimento de ligas de titânio tipo ? metaestáveis. O presente estudo tem como objetivo discutir a preparação, processamento e caracterização da liga metaestável Ti-5553 (Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-0,5Fe) e de outras duas ligas com composições modificadas pela adição de nióbio em substituição ao vanádio. Tais ligas foram preparadas por meio de fusão em forno a arco, deformadas plasticamente a quente por forjamento a quente e submetidas a dois diferentes tratamentos térmicos de envelhecimento: BASCA (Beta-annealed Slow Cooled and Age) e STA (Solution Treatment and Age). Na etapa de caracterização foram utilizadas as técnicas de microscopia óptica e eletrônica de varredura, medidas de módulo de elasticidade, medidas de dureza Vickers e ensaios de tração. Os resultados indicam que a substituição do vanádio pelo nióbio não modificou as principais características da liga Ti-5553, particularmente, sua elevada resistência mecânica e baixa cinética de transformações de fases. O tratamento térmico BASCA resultou em maior ductilidade, enquanto que o tratamento STA resultou em maior limite de resistência. À medida que o V foi substituído pelo Nb, amostras submetidas ao tratamento térmico BASCA tiveram suas respectivas resistências mecânicas aumentadas, passando de 1.147 MPa para 1.227 MPa. À medida que o teor de Nb aumentou, a ductilidade reduziu-se de 10,3 % para 6,8 %. Por outro lado, amostras submetidas ao tratamento STA apresentaram redução de resistência mecânica com o aumento do teor de Nb, enquanto que a ductilidade foi levemente reduzida. Em geral, a substituição do V pelo Nb não resultou em alterações significativas no comportamento mecânico da liga Ti-5553 / Abstract: In well different industrial segments such as aerospace and medical, the use of titanium and its alloys in the manufacturing of devices has increased consistently in recent years. The use of such metal in so diverse manner, either in jet engines or orthopedic implants, is due to its unique characteristics, specifically high mechanical strength, low density, high corrosion resistance and good biocompatibility. Recent studies associated with the structural use of titanium in the aerospace and medical/dental sectors have focused on the development of ? metastable titanium alloys. This study aims to discuss the preparation, processing and characterization of the ? metastable Ti-5553 alloy (Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-0.5Fe) and two alloys with compositions modified by the addition of niobium to replace vanadium. Such alloys were prepared by arc melting, deformed plastically by hot forging and submitted to two different aging heat treatments: BASCA (Beta-annealed Slow Cooled and Age) and STA (Solution Treatment and Age). Characterization was carried out by applying optical microscopy and scanning electron microscopy, measurements of elastic modulus, Vickers hardness and tensile tests. The results suggest that the replacement of vanadium by niobium does not modify the main characteristics of the Ti-5553, particularly, its high mechanical strength and the low kinetic of phase transformations. Application of the BASCA heat treatment resulted in higher ductility, while the STA treatment resulted in higher tensile strength. As V was replaced by Nb, samples subjected to BASCA heat treatment had their mechanical strengths increased, from 1147 MPa to 1227 MPa. As the Nb content increased, ductility dropped from 10.3% to 6.8%. On the other hand, samples subjected to STA presented a decrease in mechanical strength with increasing Nb content, while ductility was slightly reduced. In general, the replacement of V by Nb has not resulted in significant changes in the Ti-5553 alloy mechanical behavior / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Cecília Amélia de Carvalho Zavaglia, Maria Aparecida Larosa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-23T16:17:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Su_WiliamTean_M.pdf: 6069585 bytes, checksum: 37502918a2190ac353153a8e20d78e0c (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Atualmente, o mercado automotivo tem buscado cada vez mais a redução de peso e aumento de resistência mecânica de seus componentes. Dentro deste contexto, este trabalho tem como objetivo verificar se uma biela automotiva feita da liga de titânio Ti-6Al-4V obtida pelo processo de manufatura aditiva chamado Sinterização Direta de Metais por Laser (DMLS) apresenta os mesmos resultados estruturais que uma biela de Ti-6Al-4V laminada e recozida (comercial) ou que uma biela feita de aço C70, bastante utilizada no mercado. A liga Ti-6Al-4V é utilizada principalmente nas áreas aeronáutica e biomédica, mas também possui aplicações na indústria automotiva, principalmente no segmento de alta performance, graças a fatores como boa resistência mecânica, excelente resistência à corrosão e baixa densidade. As características mecânicas e microestruturais de amostras da liga Ti-6Al-4V prototipada por DMLS e de amostras da liga Ti-6Al-4V laminada e recozida foram avaliadas e comparadas através de ensaios de tração e microdureza, de análises em microscópio óptico e eletrônico de varredura (para a verificação da microestrutura e da porosidade), de ensaios de difração de raios-X (DRX) (para a análise das fases presentes no material), da análise da composição química por espectroscopia de energia dispersiva (EDS) e da análise de densidade pelo princípio de Arquimedes. Bielas de Ti-6Al-4V também foram produzidas por DMLS e ensaios de tração experimentais foram realizados, simulando uma condição de contorno típica utilizada em desenvolvimentos de bielas pela indústria automotiva. Com base nos resultados experimentais, foram realizadas análises de elementos finitos utilizando a mesma condição de contorno dos ensaios, com o intuito de se obter uma correlação entre os resultados experimentais e os virtuais. De uma maneira geral, todos os resultados indicam que a biela de Ti-6Al-4V produzida pelo processo DMLS possui um comportamento estrutural similar à biela de Ti-6Al-4V laminada e recozida / Abstract: Nowadays, the automotive market has been looking for more and more lightweight and better strength components. In this context, the objective of this work is to verify if a connecting rod made of the titanium alloy Ti-6Al-4V produced by an additive manufacturing process named Direct Metal Laser Sintering (DMLS) would have equivalent structural results of a connecting rod made of rolled annealed Ti-6AL-4V or even the C70 steel (widely used on the market for this application). This Titanium alloy is primary used in aerospace and biomedical areas, but is also used in the automotive industry, especially on the high performance segment, due to factors like good mechanical strength, excellent corrosion resistance and low density. The mechanical and microstrutural properties of Ti-6Al-4V samples obtained by DMLS and rolling and annealing processes were compared through the realization of tensile and micro hardness tests and through the microstructural characterization, composed of scanning electron microscopy (microstructure verification), optical microscopy (porosity verification), X-ray diffraction analysis for phases quantification, energy dispersive spectroscopy (chemical composition verification) and density analysis using the Arquimedes principle. Ti-6Al-4V connecting rods were also produced by the DMLS process and tensile experimental tests were performed using the same boundary condition as commonly seen on connecting rod development at automotive industry. Based on the experimental results, finite element analyses were performed in order to correlate the experimental and the virtual results. Generally, all the results indicate that the Ti-6Al-4V connecting rod produced by DMLS process has a structural behavior similar to the Ti-6Al-4V connecting rod produced by rolling and annealing process / Mestrado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientadores: Cecília Amélia de Carvalho Zavaglia, Carmo Roberto Pelliciari de Lima / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-20T04:15:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Goncalves_FernandodeAlmeida_D.pdf: 4153645 bytes, checksum: fe7e541e43fe3f147ac65eff5bc547f0 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: A necessidade de melhorar as características superficiais da liga Ti-4Al-6V usada em implantes ortopédicos, levou à pesquisas no sentido de estudar a modificação da superfície dos implantes através da deposição de revestimentos cerâmicos resistentes à corrosão, ao desgaste e biocompatíveis, por vários métodos: eletroquímica, física a vapor, eletroforética, por sol-gel, biomimética e por aspersão térmica a plasma, entre outras. A aspersão térmica a plasma é o processo mais utilizado comercialmente, pois é rápido e reprodutível. As biocerâmicas mais utilizadas para revestimento, com sucesso, são as de fosfato de cálcio (hidroxiapatita-HA, betafosfato tricálcico [o -TCP] e uma mistura dessas duas fases). A adesão dessas biocerâmicas ao tecido ósseo possuí bom desempenho é bastante discutida na literatura. A comunidade médica tem algumas restrições ao uso desses implantes metálicos revestidos por cerâmicas, com relação à interface metal-cerâmica, cuja adesão é considerada baixa. Neste trabalho foi estudado a adesão metal/cerâmica em implantes revestidos por aspersão térmica à plasma (ATP) com cerâmica, mais especificamente liga de titânio (Ti-6Al-4V) revestida com titânia (TiO2) sem e com tratamento térmico a vácuo, com o intuito de verificar uma possível melhoria nessa adesão. A cerâmica utilizada neste trabalho foi a titânia, uma vez que é uma cerâmica biocompatível e osseointegrável, que é bastante utilizada para revestir implantes. Para a execução do trabalho foram confeccionados diversos corpos de prova, os quais foram revestidos por titânia por aspersão térmica à plasma, tratados termicamente e caracterizados segundo procedimentos contidos em normas e trabalhos científicos correlacionados que norteiam o assunto proposto. Foram utilizadas as seguintes técnicas de caracterização: análise granulométrica dos pós cerâmicos, difração de raios X, verificação da porosidade, microscopia óptica e eletrônica de varredura, verificação da rugosidade das amostras. Especial ênfase foi dada aos ensaios de adesão metal-cerâmica: ensaios de adesão por tração, flexão e riscamento. Tentou-se utilizar, sem sucesso, os ensaios de microdureza para avaliar a adesão. Como resultados, verificou-se uma boa qualidade nas amostras da liga Ti-4Al-6V revestidas por titânia por aspersão térmica a plasma. Através das três técnicas de avaliação da adesão, verificou-se uma ligeira melhoria dessas características pelo tratamento térmico a vácuo, no ensaio de riscamento a carga crítica aumentou de 53N para 62N, no ensaio de tração a tensão de fratura aumentou de 10,5MPa para 17,4MPa e no ensaio de flexão a tensão de fratura aumentou de 153,3MPa para 193,1MPa. Comparando com valores encontrados na literatura, a adesão Ti-4Al-6V/TiO2 ficou superior a Ti-4Al-6V/HA nas mesmas condições de deposição / Abstract: The need to improve the surface characteristics of the alloy Ti-4Al-6V used in orthopedic implants, increase researches with the focus into the surface modification, using deposition of ceramic coatings resistant to corrosion, wear and more biocompatible by various methods: electrochemistry, physical vapor, electrophoretic, by sol-gel, biomimetics and by thermal plasma, among others. The plasma spray technique is the process more used commercially because it is fast and reproducible. The bioceramics most used for coating, are calcium phosphate (hydroxyapatite-HA, beta-tricalcium phosphate, o -TCP and a mixture of these two phases). The adhesion of these bioceramics to the bone tissue is quite discussed in literature, presenting a good performance. However, the medical community has some restrictions on the use of metal implants with ceramic coating, since the metal-ceramic interface is considered low. In this work the aim is to study the adhesion metal/ceramic-coated implants in the thermal spray plasma (ATP), using titanium alloy (Ti-6Al-4V) coated with titania (TiO2) with and without vacuum heat treatment in order to check a possible improvement this adherence. The ceramic used in this work was the titania, since it is biocompatible and bioactive, and it is quite used to coat dental implants. For the execution of the work were made several specimens, which were coated with titania by plasma thermal spray, heat treated and characterized according to procedures and standards contained in scientific papers related to guide the proposed subject. The following characterization techniques it were used: particle size analysis of ceramic powders, X-ray diffraction, analysis of the porosity, optical microscopy and scanning electron microscopy, scanning the roughness of the samples. Special emphasis was given to tests of metal-ceramic adhesion: adhesion assays for tensile, bending and scratching. Micro hardness tests carried out, however the results were not significant. The summary of this project were that this alloy present a good quality coated by titania. The methods of increase the adhesion, showed a slight improvement of these characteristics by vacuum heat treatment, the result of the scratching test showed that the critical load increase to 62N instead 53N, when analyzed the results of tensile test it also had an increase 17,4MPa instead 10,5 MPa, the bending test presented higher results 193,1MPa in contrast to 153,3MPa for the samples without treatment. Compared with values found in the literature, the adherence of Ti-4Al-6V/TiO2 was greater than Ti-4Al-6V/HA / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica