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O titânio puro apresenta, entre suas características físicas, temperatura de fusão de 1820 ºC, baixa densidade (4,5 g/cm3), boa resistência mecânica (que pode ser ainda aumentada pela adição de elementos de liga e pela execução de tratamentos térmicos ou termomecânicos) e excelente resistência à corrosão (conferida pela formação de uma camada de óxido do tipo TiO2, aderente e protetora). A principal desvantagem, que dificulta a utilização industrial deste metal e de suas ligas, é o seu elevado custo de extração e preparação. As principais aplicações do titânio e suas ligas na indústria atualmente estão concentradas em componentes para a indústria aeronáutica, implantes cirúrgicos dentais e ortopédicos e eventualmente em tubos do tipo catenárias (“risers”) para extração de petróleo.
À temperatura ambiente o titânio puro apresenta estrutura cristalina com reticulado do tipo hexagonal compacto (HCP): é a chamada fase alfa, que permanece estável do ponto de vista termodinâmico até a temperatura de 882 ºC, na qual se transforma numa estrutura cúbica de corpo centrado (CCC), conhecida como fase beta, que se mantém estável até ser atingida a temperatura de fusão mencionada.
A cinética de transformação de fase beta para fase alfa durante o resfriamento influencia as propriedades do titânio e suas ligas. Dependendo dessas condições de transformação, podem surgir à temperatura ambiente fases metaestáveis. Do mesmo modo, a adição de determinados elementos de liga a partir de certos níveis de teores fazem com que a fase beta possa ser estável à temperatura ambiente, podendo coexistir com a fase alfa ou até mesmo predominar ou ser a única fase estável, dependendo dos teores de determinados elementos que favorecem a formação da fase beta, como será visto com mais detalhe mais adiante neste texto.
No caso do titânio comercialmente puro, a microestrutura, incluindo o tamanho de grão, e as propriedades mecânicas só podem ser modificados por seqüências de encruamento e recozimento. O resfriamento rápido a partir do campo beta (1000 ºC, por exemplo) não suprime a formação de fase alfa, mas forma contornos mais irregulares, resultando em maior resistência mecânica.
As propriedades do titânio e de suas ligas são bastante afetadas pela presença de elementos intersticiais (hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e carbono). Ao contrário do hidrogênio, do oxigênio e do nitrogênio, que apresentam solubilidade relativamente eleada no titânio, o carbono não é solúvel, tendendo a formar carbonetos.
O hidrogênio é um elemento que apresenta elevada difusividade, pois seu diâmetro atômico é muito pequeno. Por este motivo é um elemento facilmente absorvido em estruturas cristalinas, mesmo quando a temperatura é relativamente baixa, podendo ser removido por recozimento em alto vácuo. Em solução o hidrogênio não afeta as propriedades mecânicas, mas sim quando se precipita sob a forma de hidretos de titânio, reduzindo acentuadamente a dutilidade e a tenacidade. O resfriamento lento de 400 ºC até a temperatura ambiente favorece a precipitação de hidretos, assim como o envelhecimento natural, isto é, à temperatura ambiente, mesmo por apenas alguns dias.
O aumento dos teores de oxigênio e de nitrogênio também reduz a tenacidade do titânio (principalmente o nitrogênio), mesmo bem abaixo dos limites de solubilidade desses elementos, pois favorecem a formação de estruturas aciculares (as chamadas estruturas de Widmanstätten). O carbono, em teores de até 0,3 %, aumenta a resistência mecânica do titânio, podendo formar carbetos, porém reduz a dutilidade e a tenacidade.
A elevada dutilidade do titânio se deve á facilidade de formar maclas em vários planos cristalográficos, mas ao contrário de outros metais com estrutura cristalina tipo HCP, o titânio também apresenta deslizamento de discordâncias em outros planos diferentes do plano basal, devido á baixa razão c/a (parâmetros do reticulado HCP). O nitrogênio e o oxigênio restringem a formação de maclas e o deslizamento de discordâncias de modo ainda não esclarecido.
As ligas de titânio podem ser classificadas basicamente em três grupos distintos, dependendo das fases presentes à temperatura ambiente: a) Ligas alfa; b) Ligas alfa + beta; c) Ligas beta.
As ligas monofásicas alfa não podem ter suas propriedades alteradas por tratamentos térmicos, mas sim somente por encruamento e recozimento subseqüente. Outro mecanismo de endurecimento nestas ligas é o endurecimento por solução sólida. O alumínio, o estanho e o zircônio (este último segundo algumas fontes) estabilizam a fase alfa. Entretanto, o teor de alumínio não deve ser superior a 7 %, uma vez que acima desse nível torna-se difícil o trabalho a quente e ocorre fragilização em baixa temperatura, devido á formação da fase Ti3Al. Uma característica deste tipo de liga é a transformação martensítica que ocorre devido ao resfriamento rápido, e a martensita resultante é conhecida como fase alfa linha. Entretanto, o endurecimento e a formação de fase Ti3Al reduzem a resistência à corrosão sob tensão. O efeito do carbono, do oxigênio, do nitrogênio e do hidrogênio nas ligas monofásicas alfa é idêntico ao efeito destes mesmos elementos no titânio comercialmente puro.
As ligas alfa + beta possuem teores bem mais elevados de elementos que estabilizam a fase beta, como o nióbio e o vanádio, por exemplo. A presença de fase beta coexistindo com a fase alfa favorece um aumento de resistência mecânica. O resfriamento rápido, a partir de uma temperatura elevada na qual exista somente a fase beta, produz martensita. Entretanto, se os teores de elementos betágenos (que estabilizam a fase beta) forem muito elevados, pode se formar uma certa fração de fase beta retida após o resfriamento rápido, reduzindo a resistência mecânica de modo similar ao que ocorre nos aços martensíticos nos quais se forma austenita retida.
Se os teores de elementos betágenos forem mais elevados ainda, forma-se somente a fase beta, neste caso a liga é considerada do tipo beta e possui resistência mecânica inferior à das ligas bifásicas alfa + beta. Contudo, aumentando ainda mais os teores de elementos betágenos ocorre um certo endurecimento por solução sólida. Microestruturas com fase beta retida por resfriamento rápido são metaestáveis, modificando-se com um aquecimento posterior. As ligas monofásicas do tipo beta, embora apresentem resistência mecânica inferior às ligas alfa + beta, têm mostrado melhor biocompatibilidade quando aplicadas em implantes cirúrgicos, segundo pesquisas desenvolvidas nos últimos anos sobre este tema [1,2].
Estas ligas beta são metaestáveis e se caracterizam por uma elevada endurecibilidade, sendo que a fase beta é completamente retida durante e após o resfriamento ao ar de produtos com seção fina ou resfriamento rápido em água no caso de peças com seções mais espessas. As ligas beta são facilmente forjadas, e na forma de chapas podem ser mais facilmente conformadas do que as ligas alfa e alfa+beta, esta de maior resistência mecânica. Porém, a fase beta é metaestável e em condições de equilíbrio tende a se transformar numa microestrutura bifásica alfa+beta. Após solubilização, as ligas beta metaestáveis são envelhecidas em temperaturas da ordem de 450 a 650 °C para que a fase beta seja, parcialmente, transformada em fase alfa. Esta fase alfa se forma como partículas finamente dispersas na fase beta retida, de modo que desta maneira é possível obter resistência mecânica comparável, ou até mesmo superior, à obtida nas ligas alfa+beta. As principais desvantagens das ligas beta, em comparação com as ligas alfa+beta, são sua maior densidade, menor resistência à fluência, e menor dutilidade em tração na condição envelhecida. Embora a dutilidade em tração seja mais baixa, a tenacidade à fratura de uma liga beta envelhecida é geralmente superior à de ligas alfa+beta com resistência ao escoamento comparável. No caso da liga Ti-10V-2Fe-3Al já foi obtida resistência ao escoamento elevada (da ordem de 1170 MPa) com excelente tenacidade (da ordem de 138 MPa.m1/2).
Na condição solubilizada (100 % de fase beta retida), as ligas beta apresentam boa dutilidade e tenacidade, resistência mecânica relativamente baixa e excelente conformabilidade. As ligas beta solubilizadas começam a apresentar evidências de precipitação em temperaturas relativamente baixas, e, portanto, são inadequadas para serviço em elevadas temperaturas sem um tratamento prévio de estabilização ou de superenvelhecimento. Estas ligas beta são metaestáveis porque o trabalho a frio à temperatura ambiente ou o aquecimento em temperaturas ligeiramente altas pode causar transformação parcial para a fase alfa. As principais vantagens das ligas beta estão na elevada endurecibilidade, excelente forjabilidade, boa conformabilidade a frio na condição solubilizada e a possibilidade de serem endurecidas para atingir níveis de resistência mecânica relativamente altos [2].
