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  • MICROMECANISMOS DA FRATURA DECORRENTES DA RUPTURA POR IMPACTO DE UM AO INOXIDVEL ISO 5832-9.

    Celso Riyoitsi Sokei1*, Ruis Camargo Tokimatsu1*, Itamar Ferreira2, Vicente Afonso Ventrella1*, Daniel Ivan Martin Delforge1*, Rodolfo Scanavacca Zanelatti1*

    1* UNESP Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, celso@dem.feis.unesp.br 2 UNICAMP Faculdade de Engenharia Mecnica

    Resumo O ao inoxidvel ASTM F 138, uma classe especial do ao AISI 316 L, o

    material mais utilizado na fabricao de implantes ortopdicos atualmente, mas um

    outro ao inoxidvel o ISO 5832-9, tambm vem sendo utilizado nesta aplicao,

    substituindo o ao ASTM F 138. Algumas prteses, como as extremidades inferiores

    do corpo humano, como a prtese total de quadril, podem experimentar impactos

    mecnicos da ordem de duas, trs ou at mais vezes o peso do indivduo. Deste

    modo, importante que material utilizado na fabricao da prtese tenha uma

    adequada resistncia ao impacto.

    Mesmo apresentando um bom desempenho, o ao inoxidvel ISO 5832-9 no

    possui uma slida base cientfica que possa justificar a sua utilizao, sendo

    portanto necessrio caracterizar-lo microestruturalmente. Este ao aps

    solubilizado a 1303 K, foi estirado em 20% e envelhecido nas temperaturas de 873,

    973, 1073 e 1173 K, por 1, 4 e 24 horas, simulando condies do forjamento das

    prteses. A caracterizao microestrutural deste ao, associados tempos e

    temperaturas distintas de tratamento trmico, foi realizada por anlise de

    microscopia eletrnica de varredura (MEV) para quantificar as microcavidades da

    superfcie de fratura de corpos de prova do ensaio de Impacto Charpy.

    Palavras-chave Ao Inoxidvel, Microestrutura, Envelhecimento, ISO 5832-9, Tenacidade Fratura

    20 CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Cincia dos Materiais04 a 08 de Novembro de 2012, Joinville, SC, Brasil

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  • Introduo A definio de biomateriais aquele material que substitui ou auxilia certas

    partes do corpo humano, para que esta possa desempenhar as suas funes

    adequadamente, ou seja, materiais que so utilizados em implantes, prteses ou

    dispositivos mdicos. Porm, estes materiais devem ter uma adequada composio

    de forma que no apresentem nenhum tipo de toxidade ao corpo durante todo

    perodo que estiver implantado. Vrios materiais so atualmente utilizados em

    implantes ortopdicos, entre os quais esto os cermicos, metlicos, polimricos e

    os conjugados. Entre estes, os metais apresentam a melhor relao entre

    propriedades mecnicas de trao e de fadiga, alm da biocompatibilidade, sendo

    por isso os materiais preferidos nas aplicaes de implantes ortopdicos, sujeitos a

    carregamentos mecnicos(1). Os desenvolvimentos de novas ligas so

    impulsionados pela necessidade de materiais de elevada resistncia mecnica, alta

    tenacidade e elevada resistncia corroso. Diante deste fato a determinao do

    processo de fratura um fator chave para o entendimento dos motivos que levaram

    falha. Isso freqentemente conseguido atravs da caracterizao da topografia

    da superfcie de fratura.

    Do ponto de vista microscpico, a fratura pode acontecer basicamente por

    cinco micromecanismos: alveolar (dimples), clivagem, quase-clivagem,

    intergranular e fadiga(2). O micromecanismo de fratura alveolar bastante

    importante e ocorre em muitos materiais, independentemente da estrutura cristalina

    e composio qumica. Este micromecanismo associado deformao plstica do

    ponto de vista microscpico e se caracteriza por possuir trs estgios distintos, ou

    seja, nucleao, crescimento e coalescimento de vazios formando as

    microcavidades que so os alvolos ou dimples sobre a superfcie de fratura(3,4).

    Os materiais geralmente usados em engenharia so ligas contendo grande

    quantidade de partculas tais como carbonetos, nitretos, carbonitretos e incluses

    no metlicas. A ruptura por dimples envolve nucleao, crescimento e

    coalescncia de microvazios por quebra ou decoeso das partculas de segunda

    fase com a matriz, dependendo da natureza da partcula e da matriz. Interferem no

    processo fatores metalrgicos tais como: distribuio das partculas, resistncia das

    partculas, concentrao da deformao e tamanho das partculas (3,4).

    Grandes deformaes por cisalhamento podem acontecer no material em

    geral, mas uma pequena quantidade de material ao redor da partcula no tomar

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  • parte na deformao. Isto vai causar um srio defeito entre a partcula e o seu redor

    imediato. Como conseqncia, grandes tenses vo ser exercidas na interface.

    Quando estas tenses atingem valores suficientemente grandes, na frente da trinca,

    vo aparecer microvazios como resultado da quebra de partculas ou da decoeso

    da interface. Os microvazios passam a atuar como concentradores de tenses.

    Estes microvazios crescem com a deformao do material e coalescem por um

    mecanismo interno de estrico formando os alvolos (4,5). O processo de

    nucleao, crescimento e coalescimento de microvazios, do ponto de vista

    microscpico, envolve deformao plstica intensa. No entanto, diversos materiais

    que apresentam modo de fratura frgil do ponto de vista macroscpico, como

    algumas ligas de alumnio e a maioria dos materiais de alta resistncia, apresentam

    micromecanismo de fratura alveolar (3,4).

    A fratura alveolar na condio subenvelhecida os alvolos so predominante

    transgranulares e na condio superenvelhecida os alvolos so intergranulares.

    Isso porque, com o aumento do tempo de envelhecimento ocorre precipitao de

    partculas predominantemente na regio dos contornos dos gros (3,6). Atravs da

    anlise das superfcies de fratura de diversos materiais, bastante comum

    verificarmos a presena de dimples (microcavidades) de diversos tamanhos que

    so formados de acordo com os espaos entre os microvazios adjacentes e de

    acordo com os tipos e dimenses das incluses. Para um determinado material, que

    apresenta mais de um tipo de incluso distribudas de forma aleatria, normalmente

    sero encontrados alvolos com tamanhos diferentes na superfcie de fratura (4).

    Material e Mtodo

    O material utilizado como fonte de estudo o ao inoxidvel austentico ISO

    5832-9 (ASTM F 1586-95), produzido experimentalmente pela Indstria Villares

    Metals S/A e fornecido pela Baumer Ortopedia S/A de Mogi Mirim SP, em forma

    de barras, laminadas quente, de seo circular de 15,87 +/- 0,2mm de dimetro,

    no estado solubilizado.

    No presente trabalho estudamos os micromecanismos de fratura do material

    atravs da anlise da superfcie de fratura de corpos de prova do ensaio de Impacto

    Charpy V, estirados em 20% e envelhecidos nas temperaturas de 873, 973, 1073 e

    1173 K, em 1, 4 e 24 horas de aquecimento. O ensaio de impacto foi realizado

    numa mquina de ensaio de Impacto Charpy Heckert. O martelo pendular foi

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  • transformado numa clula de carga ou transdutor de fora, porque transforma a

    natureza do sinal de entrada, isto , de fora para voltagem. Extensmetros eltricos

    de resistncia, colados no martelo, so responsveis por essa transformao do

    sinal, que transmitido ao prximo elemento do sistema de medida, o condicionador

    e amplificador de sinais.

    A caracterizao microestrutural realizada no microscpio eletrnico de

    varredura (MEV - JEOL JXA 840A).

    Resultados

    O ao inoxidvel com matriz predominantemente austentica, composto pelo

    Fe-Cr-Ni, outras fases como carbonetos, fases intermetlicas, nitretos e sulfetos,

    podem estar presentes na microestrutura dos aos inoxidveis austenticos.

    Figura 1. Tenacidade Fratura em funo da temperatura e do tempo de envelhecimento.

    Na Figura 1 so apresentados os resultados dos ensaios de tenacidade

    fratura em funo da temperatura e tempo de envelhecimento.

    Na Tabela 1 so apresentados os tamanhos mdios das microcavidades da

    superfcie de fratura.

    Tabela 1. Tamanho mdio [m] das microcavidades da superfcie de fratura dos

    corpos de prova.

    Temperatura Tamanho mdio das microcavidades (m)

    Tempo 1hora

    Desvio padro

    Tempo 4horas

    Desvio padro

    Tempo 24horas

    Desvio padro

    873 K 5,40 3,0 5,30 3,0 5,17 3,0

    973 K 5,35 2,3 4,50 2,8 3,45 2,3

    1073 K 3,70 2,5 3,61 2,5 2,38 1,6

    1173 K 5,50 3,2 5,80 3,3 4,07 2,5

    0 5 10 15 20 250 20 40 60 80

    100 120 140 160

    envelhecido a 873 K envelhecido a 973 K envelhecido a 1073 K envelhecido a 1173 K

    Tena

    cida

    de -

    [Jou

    les]

    Tempo de envelhecimento [h]

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  • A quantidade, tamanho, distribuio e forma destas fases, depende da

    composio qumica e do histrico trmico a qual o material foi submetido, e tem

    influncia marcante nas propriedades mecnicas e de corroso do material. Desta

    forma, foi avaliado qual microestrutura mais adequada, do ponto de vista de

    tenacidade resultante do tratamento de solubilizao, deformao a frio e

    envelhecimento, que simula o processo de fabricao dos implantes, na tenacidade,

    medida na presena d