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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE PRÓ-REITORIA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS (P 2 CEM) COMPORTAMENTO EM FADIGA E CORROSÃO FADIGA DA LIGA Ti6Al4V OXIDADA TERMICAMENTE SILVANDO VIEIRA DOS SANTOS São Cristóvão SE Janeiro de 2014

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE

PRÓ-REITORIA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE

MATERIAIS (P2CEM)

COMPORTAMENTO EM FADIGA E CORROSÃO FADIGA DA LIGA Ti6Al4V

OXIDADA TERMICAMENTE

SILVANDO VIEIRA DOS SANTOS

São Cristóvão – SE

Janeiro de 2014

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SILVANDO VIEIRA DOS SANTOS

COMPORTAMENTO EM FADIGA E CORROSÃO FADIGA DA LIGA Ti6Al4V

OXIDADA TERMICAMENTE

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-

graduação em Ciência e Engenharia de

Materiais da Universidade Federal de Sergipe,

como parte dos requisitos para obtenção do

título de Mestre em Ciência e Engenharia de

Materiais.

São Cristóvão – SE

Janeiro de 2014

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FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA CENTRAL

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE

Santos, Silvando Vieira dos S237c Comportamento em fadiga e corrosão fadiga da liga Ti6A14V

oxidada termicamente / Silvando Vieira dos Santos ; orientador Sandro Griza. – São Cristóvão, 2014.

75 f. : il.

Dissertação (mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de Sergipe, 2014.

O 1. Engenharia de materiais. 2. Ligas de titânio. 3. Fadiga

(Engenharia). 4. Corrosão-fadiga. 5. Oxidação térmica. 6.

Ti6A14V. I. Griza, Sandro, orient. II. Título CDU: 620.194.23:546.82

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“Mais vale um grama de exemplo do

que uma tonelada de palavras.”

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DEDICATÓRIA

À todos que torceram por mim

durante estes quase dois anos. Em especial,

ao meu Senhor, à minha família e aos

amigos aos quais aluguei os ouvidos

algumas vezes.

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AGRADECIMENTOS

Somos a junção de “pedaços” de personalidade de cada pessoa com quem

convivemos e compartilhamos momentos em nossas vidas. Durante o desenvolvimento

desse trabalho, além de adquirir conhecimento científico, tive a oportunidade de

conviver e aprender muitas coisas com gente que levarei para toda a vida. Por isso,

deixo aqui registrado meus agradecimentos.

Quero agradecer ao meu orientador, Sandro Griza, por confiar em mim e sempre

acreditar que podemos ir além, pois sempre existe mais um degrau, à frente, que

devemos subir. Além disso, obrigado por sempre estar a postos e nos recristalizar após

sermos encruados pelos processos de deformação severa impostos pela vida.

Aos membros da banca examinadora, Prof. Dr. Severino Jackson e Prof. Dr.

Eduardo Tentardini, obrigado pelas considerações e sugestões feitas para melhoria deste

trabalho.

Aos professores e a equipe técnica/administrativa do P2CEM.

A Amanda Gardênia pelo auxílio com a técnica de DRX.

Agradeço também ao grande amigo Eduardo Celestino. Parceiro de batalha de

grande importância, pois sempre me ajudou a traçar estratégias para conquistar a vitória.

Valeu Celeste!

Ao amigo Thiago Figueiredo, fonte de motivação, e pela parceria na reta final.

Aos amigos Amós, Emerson, Fefas (Fellipe), Denison, Eduardo Feistauer, Leila,

Cristiane, Marthiale, Geocelly, Marcelo, Davi, Danilo e o grande Willem, pela troca de

informações, conversas, conselhos, brincadeiras, pelo apoio, torcida e pelos momentos

de descontração (na arena Fefas, na ferinha, no “pastel” ou outros lugares).

Ao amigo Ademir e ao casal Patrícia Borges e Diego. Vocês me estenderam a

mão em um momento que nunca vou esquecer. Obrigado pela disposição em ajudar o

próximo e que Deus abençoe vocês sempre.

Aos amigos do P2CEM, Liliane, o casal Dárcio e Andrea, Michella Graziela,

Viviana e Helton.

Ao amigo João Carlos, obrigado pela força, atenção e apoio. Costumei dizer à

minha Mãe que havia ganhado mais um irmão, pois é assim que te considero cara.

Aos amigos da república M5, Jackson, Rosivaldo, Edson e Felipy e aos meus

afilhados de casamento Suely e Ronald. Parcerias formadas de outra época, ainda na

graduação. Obrigado por sempre estarem dispostos a me acolher na casa de vocês.

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Jackson e Rosivaldo, não esqueçam de “Os Caretas”. Suely, conselheira de grande

sabedoria, muito obrigado.

Às amigas Genelane, pela alegria e felicidade contagiante, e Karine, pelo

companheirismo. Lane, por mais triste que eu esteja, você sempre consegue colocar um

sorriso em meu rosto. Já Karine, dessa vez não tenho palavras para expressar minha

gratidão. Mesmo a distância se manteve presente e me ajudou bastante. Resumindo,

Obrigado por TUDO.

Ao pessoal do laboratório, Ikaro, Renan, Abraão, Antônio (Tony), Oswanderson,

Raphael Cardozo, Thiago Emanuel, (galera da velha guarda) e aos mais recentes e não

menos importante André Filipe, Arthur, Igor Macedo, Igor Cunha, Cleydson (nosso

produtor de eventos), Vanda, Monica, Deivid, Rebeca, Bruno, Ammy, Daniel e o

grande Gustavo. Esse agradecimento vai em especial a todos os que me ajudaram na

execução do trabalho. Peço perdão se esqueci o nome de alguém e agradeço também a

todos os que contribuíram indiretamente para o desenvolvimento desse trabalho.

Aos meus irmãos Silvanildo e Silvanilto, e as minhas irmãs Silvanilda, Silvanda

e Silvaneide. Vivemos juntos e aprendemos coisas novas a cada dia/mês/ano de

convivência. Aprendemos com acertos e erros uns dos outros, desde criança, e sempre

houve momentos que vibrávamos de alegria e momentos que ficávamos tristes pelo

sofrimento do outro. Obrigado pelo apoio de todos vocês e por compreenderem minha

ausência. Amo todos vocês. Aos meus sobrinhos Samire, João Matias e Gabi, galerinha

da pesada.

Ao meu pai, Silvio por me apoiar sempre em todas as minhas decisões. E por

fim, quero agradecer ao meu porto seguro, minha Mãe e amiga Silvia. Exemplo de força

e determinação. Obrigado pelo amor, carinho e confiança depositados em mim.

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Resumo da Dissertação apresentada ao P²CEM/UFS como parte dos requisitos

necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais.

COMPORTAMENTO EM FADIGA E CORROSÃO FADIGA DA LIGA Ti6Al4V

OXIDADA TERMICAMENTE

Silvando Vieira dos Santos

Janeiro / 2014

Orientador: Sandro Griza

Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais

Os processos de fadiga e fraturas assistidas pelo ambiente são responsáveis pela

maioria das falhas em implantes. Devido às baixas propriedades tribológicas do titânio e

suas ligas, a técnica de oxidação térmica tem ganhado destaque por conferir um

aumento da dureza superficial e consequentemente melhorar as propriedades

tribológicas da liga Ti6Al4V. Entretanto apesar da melhoria das propriedades

tribológicas existe uma tendência na redução do limite de fadiga quando há presença de

uma camada de óxido na superfície da liga Ti6Al4V. Ainda a ação combinada de

fluidos corpóreos e de carregamento precisa ser investigada. Neste estudo foi avaliado o

efeito da oxidação térmica combinado a aplicação de carregamento cíclico ao ar e em

meio contendo 0,9 % NaCl. Foi observada uma redução no limite de resistência à fadiga

para a liga Ti6Al4V oxidada termicamente. O meio contendo 0,9 % de NaCl não

influenciou significativamente a resistência em fadiga de corpos de prova oxidados

termicamente e sugere-se que a redução nas propriedades de fadiga da liga está

associada à fragilidade da camada de óxido.

Palavras chave: Ti6Al4V; corrosão fadiga; oxidação térmica; fratura por

fadiga.

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Abstract of Thesis presented to P²CEM/UFS as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of master's in Materials Science and Engineering

FATIGUE AND CORROSION FATIGUE BEHAVIOUR IN Ti6Al4V ALLOY

THERMALLY OXIDIZED

Silvando Vieira dos Santos

Janeiro / 2014

Advisoris: Sandro Griza

Department: Materials Science and Engineering

Fatigue and fracture assisted by the environment are responsible for the majority

of failures in implants. Due to low tribological properties of titanium alloys, the thermal

oxidation technique has been evaluated to improve the surface hardness and

consequently, to improves the tribological properties of Ti6Al4V alloy. However,

despite improved tribological properties of the Ti6Al4V alloy, there is a tendency to

reduction of the fatigue limit of the oxide layer. The combined action of body fluid and

cyclic loads also need to be investigated. This study evaluated the effect of thermal

oxidation in the fatigue limit of the Ti6Al4V in environment containing 0.9% NaCl. It

was observed a reduction in the fatigue limit for thermally oxidized Ti6Al4V alloy and

it is suggested that the reduction in fatigue properties of alloy is associated with the

brittleness of oxide layer.

Key-words: Ti-6Al-4V; corrosion-fatigue; thermal oxidation; fatigue fracture.

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SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS ......................................................................................... x

LISTA DE TABELAS ..................................................................................... xiii

1 INTRODUÇÃO ............................................................................................. 1

2 REVISÃO DA LITERATURA ...................................................................... 4

2.1. Biomateriais ........................................................................................ 4

2.2. Requisitos dos biomateriais ................................................................. 5

2.3. Considerações sobre falhas no tecido ósseo ........................................ 6

2.4. Materiais metálicos usados na substituição de tecidos ósseos ............ 7

2.5. Titânio e suas ligas .............................................................................. 9

2.6. A liga Ti6Al4V.................................................................................. 11

2.7. Tratamentos superficiais em titânio e ligas de titânio ....................... 13

2.8. Fadiga e falhas em implantes metálicos ............................................ 17

2.9. Ensaio de fadiga ................................................................................ 19

3 OBJETIVOS................................................................................................. 23

3.1. Geral .................................................................................................. 23

3.2. Específicos ........................................................................................ 23

4 MATERIAIS E MÉTODOS ........................................................................ 24

4.1. Definição e aplicação da rota de oxidação térmica 24

4.2. Difração de Raios-X 26

4.3. Usinagem e preparação de corpos de prova 26

4.4. Medidas de rugosidade superficial 27

4.5. Ensaio de fadiga 28

4.6. Análise das fraturas por microscopia eletrônica de varredura 29

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ............................................................... 30

5.1. Metalografia do material como recebido 30

5.2. MEV da camada de óxido (medição) 31

5.3. Difração de Raios-X 34

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5.4. Ensaio de rugosidade 35

5.5. Ensaio de fadiga 36

5.6. MEV após ensaio de fadiga 42

6 CONCLUSÕES ............................................................................................ 53

7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ....................................... 54

8 REFERÊNCIAS ........................................................................................... 55

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1. (a) Célula Unitária da Estrutura Hexagonal Compacta - fase α. (b) Célula

Unitária da Estrutura Cúbica de Corpo Centrado – fase β. Fonte: LÜTJERING e

WILLIAMS, 2007 [56]. 10

Figura 2. Efeito dos elementos de liga no equilíbrio dos diagramas de fases das ligas de

titânio. Fonte: LÜTJERING e WILLIAMS, 2007 [56]. 10

Figura 3. Diagrama de fase do sistema Titânio-Oxigênio para temperaturas acima de

400 °C. Fonte: (Massalki, 1992; Alencar, 2002) apud Zimmer, 2011 [26]. 15

Figura 4. Comparativo entre a curva de fadiga ao ar e em meio corrosivo. Fonte: Gentil,

1996 [84]. 20

Figura 5. Resistência à fadiga até 107 ciclos para os biometais aço inoxidável, ligas de

cobalto, titânio, ligas de titânio e osso. Dados sem a indicação (flexão rotativa) são

obtidos de ensaios de fadiga uniaxial. FONTE: Niinomi, [2] adaptado. 21

Figura 6. Esquema representativo de preparação das amostras após o processo de

oxidação térmica a fim de visualizar a camada de TiO2 formada. 25

Figura 7. Representação dos corpos de prova para o ensaio de fadiga: (a) modelo

baseado na norma ASTM E466-07. (b) corpo de prova usinado para a liga Ti6Al4V

como recebida. (c) corpo de prova após oxidação térmica para o ensaio de fadiga. 27

Figura 8. Máquina para realização dos ensaios de fadiga e câmara de corrosão para

realização dos ensaios de corrosão-fadiga. 28

Figura 9. Microestrutura da liga Ti6Al4V composta por grãos refinados das fases α e β.

30

Figura 10. Camada de óxido obtida à temperatura de 600 °C por 20 h resfriada ao

forno. 31

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Figura 11. Camada de óxido obtida à temperatura de 600 °C por 10 h resfriada ao

forno. 32

Figura 12. Camada de óxido obtida à temperatura de 600 °C por 5 h resfriada ao forno.

32

Figura 13. Camada de óxido obtida à temperatura de 600 °C por 5 h e resfriada ao ar.

33

Figura 14. Difração de raios-x da liga Ti6Al4V, antes e após aplicação do processo de

oxidação térmica à 600 ºC durante 5 h. (α = fase alfa; β = fase beta; A = TiO2, anatásio;

R = TiO2, rutilo; TixOy = fase óxido de titânio). 35

Figura 15. Curva S-N para a liga Ti6Al4V ensaiada ao ar, apresentando o limite de

fadiga em 750 MPa para 3 amostras ensaiadas em cada nível de tensão. 37

Figura 16. Curva S-N para a liga Ti6Al4V oxidado termicamente ensaiada ao ar,

apresentando o limite de fadiga em 500 MPa. 39

Figura 17. Curva S-N para a liga Ti6Al4V oxidado termicamente ensaiada em

ambiente contendo 0,9 % de NaCl. 40

Figura 18. Curvas de probabilidade de ocorrência de falha por fadiga do Ti-6Al-4V

oxidada a 600 °C por 5 h e ensaiada para duas diferentes condições analisadas, ao ar e

em meio contendo 0,9% de NaCl. 42

Figura 19. Fractografia de um corpo de prova ensaiado na condição FR-Ar. 43

Figura 20. Fractografia de corpo de prova ensaiado na condição FOT-Ar. 43

Figura 21. Fractografia do corpo de prova ensaiado na condição FOT-NaCl. 44

Figura 22. Camada de óxido após ensaio de fadiga na condição FOT-Ar. 45

Figura 23. Camada de óxido após ensaio de fadiga na condição FOT-NaCl. 46

Figura 24. Trincas secundárias de fadiga a partir da superfície em amostras cujos

ensaios foram realizados em corpos de prova oxidados termicamente. 46

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Figura 25. Trincas secundárias de fadiga em amostras oxidadas termicamente. Imagem

obtida na direção perpendicular à direção de carregamento. 47

Figura 26. Trinca secundária. Imagem obtida na direção perpendicular à direção de

carregamento. 47

Figura 27. Região de início da trinca de fadiga a partir da camada de óxido FOT-NaCl.

48

Figura 28. Região de início da trinca de fadiga a partir da camada de óxido FOT-Ar.

48

Figura 29. Região de início da trinca de fadiga a partir da camada de óxido FOT-Ar.

49

Figura 30. Estrias de fadiga para a condição FR-Ar. 50

Figura 31. Estrias de fadiga para a condição FOT-Ar. 50

Figura 32. Estrias de fadiga para a condição FOT-NaCl. 51

Figura 33. Estrias de fadiga em maior aumento. 51

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Variação das propriedades de tração da liga Ti6Al4V em função da

temperatura de solubilização. Fonte: Web site Infomet, 2013 [65]. 12

Tabela 2. Propriedades mecânicas da liga Ti6Al4V e da liga Ti6Al4V ELI forjadas.

Fonte: Web site Infomet. 2013 [65]. 13

Tabela 3. Medidas de espessura das camadas de TiO2 após aplicação do processo de

oxidação térmica. 33

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1 INTRODUÇÃO

Ao longo das últimas décadas a busca por melhoria da qualidade de vida de pessoas

que tenham sofrido perda do tecido ósseo, ocasionada por acidentes ou doenças crônico-

degenerativas, tem sido fator importante e decisivo para a realização de pesquisa e

desenvolvimento de materiais capazes de substituir e desempenhar adequadamente a função

estrutural desse tecido no organismo.

Em pessoas com idade avançada, é frequente a ocorrência de doenças crônico-

degenerativas, tais como a osteoporose e a artrite reumática, o que fragiliza os tecidos ósseos,

tornando-os mais propícios à ocorrência de fraturas, pois o organismo perde a capacidade de

regeneração e remodelação óssea. Além disso, o aumento do número de fraturas em vítimas

de acidentes de trânsito, em que não é possível reconstituir o tecido ósseo e recuperar suas

funções, possui contribuição significativa no número de cirurgias realizadas para a colocação

de implantes cuja principal finalidade é substituir o tecido ósseo e desempenhar suas

principais funções.

Existem diferentes tipos de materiais (compósitos, cerâmicas, polímeros e metais) que

podem ser utilizados para implantes. Em alguns casos é necessária uma combinação dessas

classes de materiais para suprir de maneira eficiente as propriedades necessárias ao

desempenho em serviço de determinado componente. Como exemplo disso, pode-se

considerar uma artroplastia total de quadril composta pelo conjunto acetábulo, cabeça femoral

e haste. A haste geralmente é fabricada a partir de um biomaterial metálico. Já na fabricação

do conjunto acetábulo/cabeça femoral pode ser empregado o uso de diferentes pares de

classes de materiais com a finalidade de aprimorar o desempenho em serviço. São exemplos

de tais pares: cabeça metálica e acetábulo polimérico, cabeça cerâmica e acetábulo

polimérico, cabeça metálica e acetábulo cerâmico.

Para que um material seja utilizado como dispositivo ortopédico, uma análise

criteriosa de suas propriedades deve ser realizada. Tratando-se de um material metálico, a

resistência à fadiga é uma das mais importantes características a ser considerada [1]. Vários

estudos indicam que a fadiga e seus mecanismos são responsáveis pela maior parte das falhas

mecânicas de componentes metálicos implantados [2-5]. Falhas podem ser desencadeadas por

vários fatores, entre eles a má seleção do material, erros de projeto, na produção e na

colocação do implante, falhas de reparação do tecido ósseo, ou até mesmo uma combinação

desses fatores [6]. Também devem ser consideradas as reações biológicas que podem

favorecer a falha do implante. Exemplos comuns desses fatores são a formação de tecidos

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finos nas interfaces e a reabsorção óssea. Ambas as reações prejudicam a estabilidade e

podem provocar o aumento de tensões do implante. Em artigo publicado por Chao e López

[7], observou-se que uma prótese de quadril cimentada rompeu pelo mecanismo de fadiga.

Outros artigos têm apontado o processo de fadiga e fraturas assistidas pelo ambiente como

sendo responsáveis pela falha de implantes fabricados em aço inoxidável, ligas de Cr-Co e

também o Ti6Al4V [8-12]. Para uso como biomaterial, a composição química, microestrutura

e propriedades da liga Ti6Al4V é descrita pelas normas NBR ISO 5832 – 3 e ASTM F 136.

Além de uma excelente resistência à fadiga, para o bom desempenho de um implante

ortopédico, é exigida a utilização de materiais capazes de se adequarem as severas condições

impostas pelos fluídos corpóreos. Devido a sua melhor resistência à corrosão,

biocompatibilidade, maior resistência específica e menor módulo de elasticidade que os

outros biomateriais metálicos, o titânio e suas ligas são amplamente usados como implantes

ortopédicos [13-15]. As propriedades mecânicas e físicas das ligas de titânio combinam-se

para prover implantes que são altamente tolerantes a fratura [16, 17]. Contudo, a baixa

resistência ao cisalhamento e ao desgaste são problemas, quando o titânio e suas ligas são

usados em cirurgias ortopédicas [17]. Por isso, o uso tem sido limitado, na maioria das vezes,

à liga Ti6Al4V, pois esta apresenta maior resistência mecânica [18]. Portanto, a liga de titânio

Ti6Al4V é muito usada como biometal graças as suas propriedades químicas, físicas e

mecânicas, onde se destacam a excelente resistência mecânica específica, o baixo módulo de

elasticidade e a boa aceitação pelo organismo. No entanto, alguns inconvenientes do uso

dessa liga têm sido citados. A liga é constituída por elementos tóxicos como o alumínio e o

vanádio. Além disso, a baixa resistência ao desgaste favorece a formação de partículas

“debris” que, por sua vez, acionam processos de reação a elas, promovendo a fagocitose e a

formação de tecidos finos interfaciais.

Para atenuar o efeito nocivo relacionado aos mecanismos do desgaste, a técnica de

oxidação térmica tem ganhado destaque devido à simplicidade de aplicação e obtenção de

bons resultados, devido ao aumento da dureza superficial [18-22]. Além disso, a formação de

uma camada de óxido estável ajuda a reter os elementos tóxicos e pode ser benéfica em

relação à biocompatibilidade. O processo de aplicação dessa técnica consiste em aquecer o

titânio ou liga de titânio a uma temperatura elevada em atmosfera oxidante e como resultado

ocorre o crescimento de uma camada de óxido cujas características dependem da temperatura

e tempo de exposição [20].

O filme de óxido passivo, formado naturalmente, é muito fino (na ordem de 2 nm a 5

nm) e pode ser rompido facilmente devido a sua alta dureza e baixa tenacidade [19]. O

processo de oxidação térmica do titânio e de suas ligas é usado para aumentar a espessura da

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camada de óxido que se forma naturalmente [21], conferir um aumento da dureza superficial e

consequente aumento de resistência ao desgaste. Esta técnica tem sido usada nas últimas duas

décadas por vários grupos de pesquisa que investigam os mecanismos de formação e

crescimento da camada de óxido, bem como a interação entre o filme de óxido e o meio

fisiológico [21-25]. Estas pesquisas indicam que o óxido de titânio confere boa resistência à

corrosão e biocompatibilidade, impede a ocorrência de dissolução iônica e promove a

osseointegração entre o óxido e o tecido ósseo.

No entanto, apesar da comprovada eficiência da camada de óxido no aumento da

resistência ao desgaste e corrosão-desgaste [19], estudos tem mostrado uma redução no limite

de resistência à fadiga da liga Ti6Al4V oxidada termicamente [26, 27]. Além disso, danos na

camada de óxido associados à ação combinada dos fluídos corpóreos e condições de

carregamento poderão desencadear o processo conhecido por corrosão fadiga e estes

fenômenos precisam ser investigados.

Para tanto, neste estudo realizou-se ensaios de fadiga em corpos de prova fabricados a

partir da liga Ti6Al4V, ao ar e em meio contendo 0,9 % de NaCl, antes e após a aplicação do

processo de oxidação térmica, com a intenção de avaliar o efeito da formação de uma camada

de óxido de titânio nas propriedades de fadiga e corrosão fadiga da liga Ti6Al4V.

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2 REVISÃO DA LITERATURA

Com o advento de novas tecnologias sociais e aplicadas ao setor da saúde, condições

favoráveis a uma melhor qualidade de vida têm sido disponibilizadas à sociedade. Existem

diversos exemplos dessas novas tecnologias, sendo que um deles, que merece destaque, é o

desenvolvimento dos biomateriais.

2.1. Biomateriais

Ao longo dos anos, o desenvolvimento tecnológico tem contribuído de forma

significativa para a evolução da qualidade de vida da humanidade e muitas são as áreas nas

quais podemos encontrar evidências dessa evolução. Uma das áreas de grande importância

está relacionada ao desenvolvimento de materiais e dispositivos aplicados à área da saúde.

A utilização de materiais com a finalidade de substituir partes do corpo humano é

realizada desde a antiguidade. Niemeyer [28] mencionou em sua tese alguns trabalhos nos

quais é citada a existência de registros sugerindo que a civilização egípcia utilizara placas

metálicas e até pedaços de madeira para reparos em lesões no corpo. Adamian [29] cita em

seu livro comentários sobre a existência de texto, figuras e crânios egípcios da época dos

faraós que atestam o uso de materiais como marfim, tecido ósseo seco, ouro, chumbo, ligas de

prata, entre outros, com a finalidade de substituir tecidos do corpo. Alguns trabalhos citados

por Niemeyer [28] relatam ainda que essas práticas foram também empregadas desde a época

do império romano até a idade média. Entretanto, a falta de conhecimento sobre conceitos

importantes relativos à infecção, materiais e reações biológicas conduziam muitas vezes essas

práticas ao fracasso.

Anos se passaram e a partir da evolução das ciências foi possível consolidar

conhecimentos básicos e avançados sobre o desenvolvimento, fabricação e a utilização de

materiais para substituição de partes do corpo humano. Este conjunto de materiais é

denominado de biomateriais e pode ser definido como “qualquer substância ou combinação

de substâncias, naturais ou sintéticas, que não sejam drogas ou fármacos, a serem usadas

como parte ou o todo de um sistema, que trata, aumenta e eventualmente substitui qualquer

tecido, órgão ou função do corpo, durante qualquer período de tempo [29, 30].” Esta definição

tem sido adaptada, ao longo dos anos, devido à necessidade de acompanhar a evolução de

propriedades e funcionalidade dos biomateriais.

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2.2. Requisitos dos biomateriais

São vários os critérios que precisam ser atendidos para que um material seja usado

com a finalidade de substituir parte de um tecido corpóreo. Basicamente, considera-se como

de maior importância o fato de que o material não deve desencadear resposta inflamatória

sustentada ou resposta tóxica na sua implantação in vivo [30]. Além disso, dependendo de

qual tecido está sendo substituído – a exemplo do tecido ósseo – é de grande importância que

o biomaterial apresente excelentes propriedades mecânicas para completa adequação e

funcionalidade a esta aplicação. Ou seja, ao ser implantado com a finalidade de substituir o

tecido ósseo, um biomaterial deve reproduzir o máximo possível as propriedades mecânicas

da região óssea que está sendo substituída.

Entre as principais propriedades mecânicas necessárias a um implante destacam-se o

limite de escoamento, limite de resistência à tração, tenacidade, resistência ao desgaste,

resistência à fadiga e suas propriedades constitutivas, como o módulo de elasticidade.

Além de boas propriedades mecânicas, outro requisito fundamental para o bom

desempenho de um implante é a resistência à corrosão, pois os fluidos corpóreos podem

interagir com o biomaterial causando reações de oxidação/redução que poderão acarretar em

liberação de íons tóxicos ou alérgicos ao organismo. Além disso, sabe-se que processos

corrosivos podem levar à degradação da superfície e à falha mecânica do componente.

Em relação a interações biológicas, o material deve apresentar biocompatibilidade e

também ótima capacidade de osseointegração. A biocompatibilidade é uma propriedade

relacionada à aceitação do biomaterial por parte do tecido vivo [29]. Branemark, apud

Adamian [29], definiu o processo de osseointegração como sendo “uma conexão estrutural e

funcional direta entre o tecido ósseo vivo e ordenado e a superfície de um implante submetido

à carga funcional”.

Um biomaterial utilizado na fabricação de um implante tem a obrigação de apresentar

condições mínimas para atender esse conjunto de propriedades. Do contrário, poderá

desencadear uma série de problemas que irão causar dor ao paciente e a consecutiva falha do

implante. Ainda, uma falha do implante irá resultar em uma inconveniente cirurgia de revisão

que provocará riscos e grande transtorno à vida do paciente.

Atualmente existem diversos materiais disponíveis para a utilização como substitutos

do tecido ósseo. Esses materiais possuem diferentes propriedades que variam não somente em

relação à sua origem e composição química, mas também quanto à sua microestrutura e

configuração espacial – blocos sólidos, esponjas porosas, lâminas, etc. [31, 32]. De maneira

geral, os materiais substitutos podem ser divididos em três grandes grupos de materiais –

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cerâmicas, polímeros e metais. Além desses, podem ser citados subgrupos constituídos dos

materiais compósitos, materiais estruturados e materiais biofuncionais.

Os materiais cerâmicos possuem diversas vantagens como biomateriais dentre as quais

pode-se destacar: eles são estruturalmente semelhantes ao componente inorgânico do tecido

ósseo; são biocompatíveis, osteocondutivos e, principalmente, não possuem proteínas em sua

composição. Essas características proporcionam ao implante ausência de reações

imunológicas [30, 32], diminui o risco de rejeição pelo organismo [33] conferindo um alto

tempo de degradação in vivo [32] e permite a remodelação óssea no sítio do implante [30].

Porém, sua baixa resistência à deflexão limita o uso dessa classe de materiais em regiões onde

é exigido grande esforço mecânico. Outra desvantagem é que sua natureza porosa aumenta o

risco de ocorrência de fraturas devido ao aumento de tensões localizadas à frente de um

defeito – poro, e a sua baixa tenacidade [34].

O grupo dos materiais poliméricos apresenta como principal característica a

biodegradabilidade. Os polímeros sintéticos são geralmente degradados por hidrólise simples,

enquanto os polímeros naturais são degradados enzimaticamente [30, 35]. Polímeros naturais

e sintéticos têm sido muito utilizados para o desenvolvimento e fabricação de moldes

tridimensionais para confecção de cartilagens, ligamentos, meniscos e discos intervertebrais

[36]. Como vantagens dessa classe de materiais destacam-se o fácil controle de síntese,

origem ilimitada, não sofrem degradação mediada por células, são biodegradáveis e

biocompatíveis. Entretanto, possuem baixa resistência mecânica, sofrem redução de tamanho

ao longo do tempo, a interação célula-polímero é questionável, possuem superfície

hidrofóbica e existe ainda a possibilidade de que ocorra reação tóxica local pela liberação de

produtos ácidos de degradação [30, 32, 37, 38].

A principal característica dos biomateriais metálicos é seu potencial de grande

resistência à corrosão no ambiente in vivo, boa resistência mecânica, adequada

conformabilidade, alta resistência à fadiga, à tração e à fratura [39]. Entretanto, alguns

elementos metálicos tem demonstrado uma ação tóxica no ambiente in vivo, que podem

desencadear reações do organismo e consequente perda do implante [40 - 42]. Poderíamos

dizer que a principal vantagem dos metais para uso na fabricação de implantes é a sua

resistência mecânica combinada com tenacidade.

2.3. Considerações sobre falhas no tecido ósseo

O tecido ósseo vivo está em constante remodelação e sua massa total depende da

relação de equilíbrio existente entre a formação e a reabsorção óssea [43]. Quando há

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ocorrência de fraturas provocadas por acidentes, tratamentos ortopédicos associados à elevada

capacidade de regeneração óssea do organismo recuperam a estrutura óssea e suas funções.

Entretanto, existem casos em que não é possível realizar a recuperação completa da estrutura

óssea e consequentemente de todas as suas funções devido à gravidade da fratura ou mesmo à

incapacidade do organismo provocada por doenças crônico-degenerativas tais como artrites

reumáticas e osteoporose. Nestes casos, uma das alternativas disponíveis para recuperar a

função estrutural do tecido ósseo é a utilização de implantes ortopédicos que devem

reproduzir as propriedades específicas indispensáveis para atender a necessidade da região na

qual é implantado. Como exemplo, são citados os implantes de quadril, implantes dentários,

implantes de joelho, de ombro, pinos para a coluna vertebral, parafusos pediculares, entre

outros.

A função de um implante ortopédico é basicamente realizar a fixação ou substituição

de tecidos ósseos, sendo que o desempenho em serviço irá depender do projeto da prótese, da

técnica cirúrgica e da escolha do material. Atualmente a escolha do material é realizada

visando atender características/propriedades específicas cujas mais destacadas são a elevada

resistência mecânica e à fadiga, para garantir uma operação segura do implante durante um

período de tempo estimado, baixo módulo de elasticidade, baixa densidade, excelente

resistência à corrosão em meio corpóreo, resistência ao desgaste e biocompatibilidade.

2.4. Materiais metálicos usados na substituição de tecidos ósseos

Nas áreas de ortopedia e odontologia, os biomateriais metálicos são os materiais mais

importantes e mais estudados até os dias atuais. Na ortopedia durante muitos anos foi comum

o uso de materiais como ouro, prata e chumbo na forma de fios e placas para o tratamento de

fraturas ósseas [29]. Em cirurgias de artroplastia total de quadril, diversos materiais foram

empregados com esse propósito, mas a primeira liga de aço inoxidável foi introduzida apenas

em 1926 [39]. Na década de 1930, uma liga contendo 85% de cobalto, 10% de cromo e 5% de

molibdênio, denominada Vitallium®, começou a ser utilizada em cirurgias ósseas tanto na

área ortopédica quanto na área odontológica [29]. Ambos os materiais foram selecionados

devido as suas propriedades mecânicas e resistência à corrosão. Especialmente a liga Cr-Co-

Mo oriunda de setores da indústria que a empregavam como liga resistente a elevadas

temperaturas.

Estudos apontam que os primeiros biomateriais metálicos utilizados com sucesso para

reparo ósseo foram o aço inoxidável e as ligas de cobalto e cromo. Entretanto, essas ligas

apresentam módulo de elasticidade elevado, 206 GPa e 240 GPa, respectivamente, que inibe

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parcialmente a transferência de esforços mecânicos submetidos ao tecido ósseo e pode

provocar o fenômeno de reabsorção óssea, ou seja, perda do tecido ósseo e eventual falha do

implante [14, 44 – 46]. Além disso, ocorrência de toxicidade e problemas alérgicos, causados

pelos elementos de liga, têm sido mostrados na literatura [47].

O módulo de elasticidade é uma característica importante para um biomaterial

aplicado como substituto ósseo em articulações que operam sob carga. O crescimento ósseo é

estimulado pela tensão aplicada sobre ele. Considere o caso de uma haste para artroplastia

total do quadril. Nas condições de uso in vivo, a cabeça da haste sofrerá uma carga que

tenderá a flexionar e torcer a haste. Ora, se a haste tiver um módulo de elasticidade elevado, a

carga aplicada produzirá uma pequena deformação elástica da haste, que será transmitida para

o tecido ósseo adjacente. Uma pequena deformação elástica do tecido ósseo adjacente

corresponde a uma pequena tensão aplicada, menor talvez do que aquela que o tecido sofre

habitualmente em condições normais. Então ele tende a atrofiar após a artroplastia, ou seja,

ele tende a perder massa por remodelamento ósseo. O fenômeno associado à redução de

tensão transmitida ao tecido ósseo após a introdução de um material de maior módulo de

elasticidade denomina-se de blindagem de tensões “stress shielding” na literatura inglesa.

Vários materiais metálicos são usados com a finalidade de reparar tecidos ósseos

dentre os quais possui maior destaque o titânio e as ligas de titânio, pois são os materiais que

apresentam menor módulo de elasticidade, sendo este um fator chave para estes materiais

serem usados como substituto ósseo [48], pois possibilita uma melhor distribuição de tensão

entre o implante e o osso [17, 49, 50]. O titânio e suas ligas são utilizados em aplicações

ortopédicas como hastes, parafusos pediculares, placas, pinos, parafusos ósseos e

endopróteses sendo o titânio comercialmente puro substituído gradualmente por ligas, por

estas apresentarem maior resistência mecânica [18]. Dentre todas as ligas de titânio, a mais

frequentemente utilizada é a Ti6Al4V. A liga Ti6Al4V surgiu como um material inovador

para uso biomédico tanto pela combinação de elevada resistência específica e resistência à

corrosão, mas também por possuir módulo de elasticidade da ordem de 110 GPa. Para a

fabricação de implantes, ela segue o prescrito nas normas NBR ISO-5832 – 3 e ASTM F136.

Embora a liga Ti6Al4V apresente um menor módulo de elasticidade (110 - 120) GPa,

quando comparada com o aço inoxidável e as ligas a base de cobalto e cromo, esse valor

ainda é relativamente alto comparado ao do tecido ósseo (10 - 40) GPa [13, 45, 48].

Apesar do elevado módulo de elasticidade, as ligas de aço inoxidável e as ligas à base

de cobalto e cromo ainda são muito utilizadas para fabricação de implantes no Brasil, devido

ao baixo custo de fabricação. Embora possuam diversas vantagens técnicas, as ligas de titânio

têm custo muito elevado comparado ao custo de outros materiais [51]. Infelizmente, para

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muitos casos, este fator tem sido decisivo na escolha e determinação de qual material será

utilizado para fabricação do implante em comparação a outros. Assim, quando o paciente não

possui condições financeiras para subsidiar custos da cirurgia de implante, acaba recebendo

uma prótese fabricada a partir de aço inoxidável ou de uma liga à base de cobalto e cromo,

que não possuem o conjunto de propriedades mais adequadas para esta aplicação.

Mas não é só isso. Há razões técnicas para a seleção do melhor biomaterial. A seleção

da liga será feita mais em função da aplicação do que do custo da matéria prima. Hoje em dia,

com o aumento do poder aquisitivo da população e com a redução da diferença de custo das

matérias primas, a diferença de preço dos produtos fabricados em aço inoxidável e em titânio

é menor. Até porque o valor agregado do produto é muito maior que o valor da matéria prima.

Implantes, próteses e órteses são produtos de elevados valores finais, ou valor agregado. A

seleção se faz mais pelo uso. Uma haste para artroplastia total de quadril cimentada, por

exemplo, ainda hoje é feita de aço inoxidável (ASTM F 138). Porém, uma haste não

cimentada é feita de liga de titânio. Isso se deve à mecânica da artroplastia. Uma haste de

titânio cimentada sofre muito por desgaste ou fadiga-fretagem. A haste de aço inoxidável é

mais resistente a esses mecanismos. Parafusos pediculares que outrora eram feitos de aço

inoxidável passaram sistematicamente a ser fabricados em Ti6Al4V, pois são elementos

críticos quanto à resistência mecânica e limitação de seção resistente.

2.5. Titânio e suas ligas

O titânio é o nono elemento mais abundante da Terra [13, 26, 51]. Em sua forma pura

esse metal possui características bastante interessantes, tais como alta resistência à corrosão,

semelhante à platina, e resistência mecânica semelhante ao aço [52]. Entre as propriedades

físicas se destacam o elevado ponto de fusão (1678°C) e a baixa massa específica (4,54

g/cm3). Em relação às propriedades químicas destaca-se a alta reatividade deste metal que

possui uma forte afinidade por oxigênio principalmente em temperatura elevada, o que

constitui uma desvantagem para o seu processamento [53].

Uma característica muito importante do titânio é o fenômeno de alotropia. À

temperatura ambiente o titânio puro possui estrutura hexagonal compacta, Figura 1 (a),

representada como fase α. Essa estrutura transforma-se em cúbica de corpo centrado, Figura 1

(b), fase β a aproximadamente 882°C (transformação alotrópica) [53 – 55]. Este fenômeno

ocorre porque a variação de temperatura provoca alteração no parâmetro de rede na base da

célula unitária hexagonal compacta aumentando a distância interatômica e,

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consequentemente, modificando a configuração da estrutura básica para cúbica de corpo

centrado [56].

(a) (b)

Figura 1. (a) Célula Unitária da Estrutura Hexagonal Compacta - fase α. (b) Célula Unitária da Estrutura Cúbica

de Corpo Centrado – fase β. Fonte: LÜTJERING e WILLIAMS, 2007 [56].

A temperatura de transformação alotrópica pode ser alterada e a manipulação das fases

α e β pode ocorrer através da adição de elementos de liga, sendo esses fatores a base para o

controle da estrutura e das propriedades das ligas de titânio [21, 26, 56]. A modificação das

fases é possível acontecer, pois os elementos de liga agem como α ou β estabilizadores. Na

Figura 2, é possível visualizar a influência da adição de elementos de liga no diagrama de

fases do titânio.

Figura 2. Efeito dos elementos de liga no equilíbrio dos diagramas de fases das ligas de titânio. Fonte:

LÜTJERING e WILLIAMS, 2007 [56].

Os elementos estabilizadores da fase α (alfagênicos), dentre os quais se destacam Al,

C, O e o N, aumentam a temperatura de transformação alotrópica, ao passo que elementos

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estabilizadores da fase β (betagênicos), como V, Mo, Nb, Ta, Fe, Mn, Cr, Co Cu, Si e o H,

diminuem esta temperatura [55]. A adição de elementos de liga ao titânio visa basicamente à

manutenção da fase α, da fase β ou mesmo uma combinação dessas fases.

A partir da Figura 2 observa-se ainda que os elementos betagênicos são divididos em

dois grupos chamados de β isomorfo – diminuem a temperatura de transformação alotrópica

em função do aumento no teor do elemento β estabilizador, e o β eutetóide. Neste grupo os

elementos de liga diminuem a temperatura de transformação alotrópica para teores até a

composição eutetóide. Após esta composição e mantendo-se a mesma temperatura, a fase β

ainda é estável e adicionalmente ocorre o aparecimento de novas fases e/ou compostos

intermetálicos (TixAy). Para teores de elementos de liga maiores que a composição eutetóide,

o campo referente apenas a fase β só é atingido em temperaturas mais elevadas. Este fato

sugere que o efeito dos elementos de liga para composições acima da composição eutetóide é

mais favorável à formação e ocorrência de novas fases/compostos quando comparado ao

efeito de estabilização da fase β.

Existem ainda elementos de liga que possuem características tanto α quanto β

estabilizador e por isso são considerados neutro. Os elementos Sn e Zr, quando presentes em

concentrações mais elevadas, promovem a estabilização da fase α. Ao passo que, para

pequenas concentrações é observado estabilização da fase β [56]. A literatura relata que a

adição de pequenas quantidades de Sn [57] e Zr [58, 59], em ligas de titânio metaestáveis,

contribuiu para a consolidação da fase β, atuando na supressão de fases metaestáveis.

Notadamente, a existência de ampla variedade e disponibilidade de elementos de liga

que podem ser adicionados ao titânio possibilitou o desenvolvimento de diversas ligas. Até os

dias de hoje, estima-se a existência de 38 diferentes tipos de ligas de titânio [60]. Entretanto, a

liga de composição Ti6Al4V é considerada a mais importante de todas e, consequentemente,

é a mais utilizada [18, 29, 30, 39, 60].

2.6. A liga Ti6Al4V

A liga Ti6Al4V apresenta alto desempenho em tração, obtendo assim o título de

material metálico com maior relação resistência/densidade. Sua densidade é 42% menor que a

do aço e sua resistência pode ser 100% maior [26, 61].

A caracterização microestrutural da liga Ti6Al4V evidencia a presença de duas fases,

α e β, sendo que é possível obter diferentes arranjos microestruturais através do histórico de

processamento e também por meio da aplicação de tratamento térmico à liga. A fase β pode

ficar dispersa na matriz α, como também pode ocorrer o oposto, sendo as microestruturas

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classificadas como globular, acicular ou equiaxial, dependendo da sua morfologia. A

microestrutura acicular é encontrada disposta em lamelas, apresentando-se na forma

martensítica ou em colônias denominadas basketweave / Widmanstätten [62 – 64].

As propriedades mecânicas da liga Ti6Al4V são completamente dependentes da

relação entre as fases α e β presentes e da morfologia na qual são encontradas, ou seja, da

microestrutura. Esta por sua vez, depende diretamente do histórico de processamento térmico,

mecânico ou termomecânico da liga.

Como exemplo da variação de propriedades, Callister [61] relata que o limite de

escoamento para a liga de Ti6Al4V pode variar entre os valores de 830 MPa (liga recozida) e

1103 MPa (liga tratada termicamente por solução sólida e envelhecida). Para exemplificar o

efeito do tratamento de solubilização é possível visualizar na Tabela 1 a variação das

propriedades em tração da liga Ti6Al4V em função da temperatura de solubilização.

Tabela 1. Variação das propriedades de tração da liga Ti6Al4V em função da temperatura de solubilização.

Fonte: Web site Infomet, 2013 [65].

Temperatura de

Solubilização (°C)

Resistência à Tração

(MPa)

Resistência ao

Escoamento (MPa)

Alongamento

(%)

845 1025 980 18

870 1060 985 17

900 1095 995 16

925 1110 1000 16

940 1140 1055 16

A explicação dada a essa variação de propriedades é que uma alteração na temperatura

de solubilização da liga Ti6Al4V modifica a quantidade da fase β presente e,

consequentemente, a resposta mecânica em função da temperatura de solubilização/

envelhecimento (ver Tabela 1) [65]. Assim, é possível manipular e adequar as propriedades

para atender necessidades específicas.

Em relação aos tratamentos termomecânicos da liga Ti6Al4V, este tipo de

processamento aumenta a resistência mecânica da liga, principalmente em peças com grandes

dimensões, atingindo facilmente os requisitos de propriedades mecânicas no produto final. Na

Tabela 2, observa-se valores de propriedades mecânicas em produtos forjados a partir das

ligas Ti6Al4V e Ti6Al4V ELI (Extra-Low Interstitial). A denominação ELI indica que os

elementos intersticiais, oxigênio e carbono, são controlados cuidadosamente a fim de se obter

uma material mais dúctil e tenaz [26].

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Inicialmente a aplicação da liga Ti6Al4V limitava-se a indústria aeronáutica.

Entretanto, a ampla variedade de propriedades que essa liga possui permite o uso em diversos

setores da indústria. Próteses ortopédicas fabricadas a partir da liga Ti6Al4V por forjamento a

quente têm grande aceitação na atualidade, devido a excelente combinação de propriedades.

Porém, existe ainda uma preocupação com o desgaste e consequente liberação de íons de Al e

V no organismo que são potencialmente perigosos [29].

Tabela 2. Propriedades mecânicas da liga Ti6Al4V e da liga Ti6Al4V ELI forjadas. Fonte: Web site Infomet.

2013 [65].

Liga Seção (mm) Resistência à

tração (MPa)

Resistência ao

Escoamento

(MPa)

Alongamento

(%)

Redução

em Área

(%)

Ti6Al4V

25 – 50 1015 965 14 36

102 1000 930 12 25

205 965 895 11 23

330 930 860 10 20

Ti6Al4V

ELI

25 – 50 950 885 14 36

102 885 827 12 28

205 885 820 10 27

330 870 795 10 22

2.7. Tratamentos superficiais em titânio e ligas de titânio

Devido ao excelente conjunto de propriedades, o titânio e suas ligas são amplamente

usados como implantes ortopédicos [13 – 15] principalmente por prover implantes que são

altamente tolerantes à fratura [16]. Contudo, já foi citado que a baixa resistência ao

cisalhamento e ao desgaste são problemas quando o titânio e suas ligas são usados em cirurgia

ortopédica [17]. Por isso, seu uso tem sido principalmente limitado a liga Ti6Al4V, pois esta

apresenta maior resistência mecânica [18]. Entretanto, apesar de possuir um bom conjunto de

propriedades mecânicas, a liga Ti6Al4V, quando implantada, pode sofrer desgaste o que,

consequentemente, pode favorecer o surgimento de trincas de fadiga, ao longo do tempo de

utilização, provocados pelo contínuo carregamento cíclico ao qual uma prótese é imposta.

O movimento contínuo de membros do corpo humano faz com que as articulações

deslizem e friccionem nas superfícies de contato. Estas situações levam a um aumento

significativo de tensões localizadas nas regiões de contato, que podem progredir rapidamente

a partir da superfície do implante, devido ao efeito combinado de carregamento cíclico,

desgaste e corrosão – imposta pelos fluidos corpóreos, que resulta em dano severo da

superfície do implante [22]. Assim, partículas de desgaste [66] juntamente com íons de

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alumínio e vanádio, que são tóxicos ao organismo, poderão ser liberadas provocando,

consequentemente, problemas neurológicos e reações de citotoxidade [39]. Essas partículas de

desgaste podem ainda causar a metalose, que é uma inflamação localizada, gerando sérios

problemas ao indivíduo portador do implante.

Para minimizar os efeitos nocivos resultantes das baixas propriedades tribológicas,

tratamentos superficiais são empregados ao titânio e suas ligas a fim de aumentar a dureza

superficial e consequentemente melhorar a resistência ao desgaste. Entre as principais

técnicas de modificação superficial, para essa finalidade, é destacado como método físico o

jateamento ou shot peening e como método termoquímico a nitretação [26]. A aspersão

térmica também é muito utilizada para aderir camadas cerâmicas ao titânio. A deposição de

hidroxiapatita é um exemplo de aplicação muito empregada. Como técnica alternativa existe

ainda o tratamento superficial de oxidação térmica que foi desenvolvido mais recentemente e

despertou interesse por ser um método simples, de baixo custo, ambientalmente correto em

relação a ouros métodos e que apresenta um bom resultado quando é necessário aumento de

dureza superficial, por conferir a formação de uma camada de óxido densa e altamente

cristalina [20, 26]. Essa camada de óxido confere ainda excelente resposta à ação do meio

corrosivo ao titânio e suas ligas [22] e, além disso, atua como barreira protetora ao processo

de dissolução iônica, inibindo a liberação desses íons [19], que poderiam vir a causar reações

ao organismo.

A literatura aponta que a oxidação térmica foi inicialmente desenvolvida por grupos

de pesquisa europeus [20] a fim de produzir uma camada com atributos tribológicos mais

atraentes à aplicação em componentes automotivos, como superfícies de contato de dentes de

engrenagem. Há estudos dirigidos ao desenvolvimento da técnica contratados por equipes de

Fórmula 1, por exemplo. Além disso, observa-se o potencial da técnica para melhorar as

propriedades tribológicas do material para uso em implantes.

O processo de aplicação da técnica de oxidação térmica consiste em aquecer o titânio

ou as ligas de titânio a uma temperatura elevada em atmosfera ambiente dando tempo

suficiente para que ocorra difusão de oxigênio a partir da superfície da liga [18 – 20] e como

resultado ocorre o crescimento de uma camada de óxido, cujas características dependem da

temperatura e do tempo de exposição [19, 20].

Na Figura 3 pode ser visualizado o diagrama de fase titânio-oxigênio para

temperaturas a partir de 400 °C. É possível notar que, com o aumento da temperatura, o

titânio é capaz de absorver oxigênio até 40 % em massa atômica, a elevada temperatura, e

quando o teor de oxigênio ultrapassa 40 %, ocorre a conversão da estrutura de hexagonal

compacta, fase α, para cúbica de corpo centrado pertencente à fase TiO. Neste ponto, as

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características metálicas são perdidas, ou seja, a fase metálica transforma-se completamente

em cerâmica. A conversão em cerâmica da superfície metálica ocorre pela difusão de

oxigênio, por meio de solução sólida, e visa obter um revestimento cerâmico baseado

principalmente em TiO2, cuja estrutura pode se apresentar na forma de anatásio ou rutilo [26,

67].

Figura 3. Diagrama de fase do sistema Titânio-Oxigênio para temperaturas acima de 400 °C. Fonte:

(Massalki, 1992; Alencar, 2002) apud Zimmer, 2011 [26].

Inicialmente, para algumas aplicações, a formação de uma camada de TiO2 pelo

processo de oxidação térmica em titânio e suas ligas era indesejada. No entanto, a literatura

tem relatado que a ocorrência desse fenômeno pode ser benéfica em alguns casos. Estudos

mostram que o crescimento e formação de uma camada de TiO2 na superfície de implantes

melhora a interação implante/tecido ósseo [67 – 69], pois o titânio oxidado termicamente

propicia condições adequadas para uma maior atividade das células [70] e ainda conduz a um

aumento na dureza da superfície, com a consequente melhoria das propriedades tribológicas

[27, 67, 71].

A seguir são citados alguns estudos que comprovam as vantagens dessa técnica de

modificação superficial para melhoria de propriedades.

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Feng et al. [70] relataram em seu trabalho que a oxidação térmica do titânio

comercialmente puro à temperatura de 600 °C, durante 30 minutos e em atmosfera de ar

ambiente, resultou na formação de uma camada de TiO2 composta pela fase rutilo. Para o

titânio comercialmente puro, este tempo e temperatura foi suficiente para gerar um aumento

de rugosidade superficial, que resultou em um número maior de osteoblastos aderidos e uma

maior atividade celular.

Ensaios realizados por Güleryuz e Cimenoglu [72], com amostras de Ti6Al4V

oxidadas a 600 °C durante 60 horas, evidenciou um aumento de rugosidade e da dureza

superficial. Observou-se ainda, que amostras da liga Ti6Al4V oxidadas termicamente,

exibiram excelente resistência ao desgaste ao ar, quando comparada a amostras não tratadas.

Em outro estudo, amostras foram oxidadas termicamente em atmosfera de ar ambiente às

temperaturas de 600 °C e 650 °C, por 12, 24, 36, 48 e 60 horas. Foi utilizado um soro

isotônico contendo 0,9 % de cloreto de sódio (NaCl), para simular os efeitos corrosivos, e

observou-se a partir dos experimentos que as superfícies oxidadas termicamente apresentaram

resistência à corrosão-desgaste em torno de 25 vezes superior, quando comparado às

superfícies não tratadas [22].

Estudos apontam que a redução da taxa de desgaste está diretamente relacionada à alta

dureza do filme de óxido TiO2, que por sua vez, aumenta a dureza com o aumento do teor de

oxigênio dissolvido no substrato.

When et al, [66], publicaram um estudo no qual é possível verificar um aumento na

dureza superficial e consequente melhoria das propriedades tribológicas após aplicação do

tratamento de oxidação térmica. Verificou-se também uma melhoria no processo de

espalhamento e crescimento celular, que resultou em excelente biocompatibilidade para todas

as amostras de titânio oxidadas termicamente. Por fim, concluiu-se que, em função das

excelentes propriedades biológicas e tribológicas resultantes, o processo de oxidação térmica

é um eficiente método de modificação superficial para titânio em aplicações biomédicas onde

são importantes resistência ao desgaste, resistência à corrosão e elevada biocompatibilidade.

A literatura tem mostrado que ocorre uma maior atividade celular porque o TiO2

formado sobre titânio e suas ligas é bioinerte e funciona como uma barreira eletroquímica

contra a dissolução iônica [73], permitindo a aderência mecânica direta das células ósseas

sobre a superfície do óxido, sem a formação de uma membrana ósseo-fibrosa entre o implante

e as células ósseas [74, 75].

Em relação à resistência a corrosão, o óxido de titânio revela-se como o único óxido

estável às variações do pH nos tecidos vivos. A camada de óxido que se forma na superfície

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dos implantes de titânio reduz efetivamente o risco de corrosão e isto é demonstrado pela

ausência de reações tóxicas nas células em contato com os implantes [29].

Park J, Park K e Suh, [76], citam estudos nos quais avaliou-se o aumento da

resistência à corrosão e biocompatibilidade do titânio comercialmente puro e da liga Ti6Al4V

por meio de métodos que controlassem a cristalinidade e densidade do filme de óxido de

titânio. Observou-se a partir destes estudos que um filme espesso de óxido de titânio, obtido

através de oxidação térmica, reduziu a dissolução iônica, melhorando assim a

biocompatibilidade in vitro e a regeneração do tecido ósseo sobre o implante.

Além do fato de melhoria das propriedades apresentadas até o momento, um fator

importante a ser considerado é a resistência à fadiga que é significativamente influenciada por

fatores de superfície [1]. O efeito do tratamento ou modificação superficial é um caso

específico para cada tipo de tratamento, ou seja, depende de fatores tais como a mudança de

composição ou se são introduzidas tensões residuais de tração/compressão que poderão ser

benéficas ou não [26].

Estudos confirmam o aumento de dureza superficial e consequente melhoria das

propriedades tribológicas para o titânio comercialmente puro e para a liga Ti6Al4V oxidados

termicamente [19, 22, 67, 72]. No entanto, apesar da comprovada eficiência da camada de

óxido no aumento da resistência ao desgaste e corrosão-desgaste, também foi mostrado uma

redução no limite de resistência à fadiga da liga Ti6Al4V quando comparado ao material sem

presença de oxidação térmica [21, 26].

2.8. Fadiga e falhas em implantes metálicos

Fadiga, por definição, pode ser entendida como a fratura progressiva e total que ocorre

em um componente devido à imposição de solicitações cíclicas. Estas solicitações cíclicas

podem ser definidas como a variação de um carregamento aplicado sobre um determinado

componente ao longo do tempo. Em geral, a aplicação de tensões variáveis faz com que

ocorram deformações plásticas localizadas. Estas deformações levam o material a iniciar um

processo de deterioração progressiva, dando origem a uma trinca, a qual cresce na direção

perpendicular à direção do carregamento aplicado e provoca aumento contínuo das tensões

locais até atingir um tamanho crítico e, consequentemente, um valor crítico de intensidade de

tensão na ponta da trinca, suficiente para que ocorra a ruptura final de maneira catastrófica

[1].

Em uma revisão da literatura feita por Antunes e Oliveira [1], alguns estudos apontam

que a iniciação de trincas de fadiga ocorre em regiões de concentração de tensão e a partir de

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defeitos de fabricação do componente metálico tais como, marcas de usinagem, defeitos de

soldagem, entalhes, etc., encontrados na superfície. Caso haja ausência desses fatores, trincas

de fadiga na subsuperfície podem ser iniciadas a partir de defeitos microestruturais –

contornos de grão e inclusões não-metálicas [1], ou ainda por pites de corrosão e/ou pelo

fenômeno de corrosão sob tensão [77].

Implantes que possuem a função de substituir o tecido ósseo estão sujeitos a condições

de carregamento cíclico e, portanto, além de resistência mecânica, tenacidade,

biocompatibilidade, resistência à corrosão e ao desgaste devem possuir excelentes

propriedades de fadiga, pois quando em uso estão suscetíveis a falhar por mecanismos

induzidos pela ação de tensões cíclicas, conduzindo à falha prematura de forma inesperada e

catastrófica.

É fácil encontrar relatos de falhas em componentes metálicos que acontecem devido

ao fenômeno de fadiga. As falhas por fadiga em materiais metálicos representam cerca de 90

% das falhas em serviço, acontecem abaixo da tensão de escoamento e geralmente ocorrem de

forma inesperada e catastrófica [61, 78].

Em implantes ortopédicos os fatores responsáveis por desencadear processos de falhas

por fadiga são variados. Entre os principais destacam-se a má seleção do material, erros de

projeto, na produção e na colocação do implante, falhas de reparação do osso, ou até mesmo

uma combinação desses fatores [6].

Infelizmente, não é difícil encontrar na literatura trabalhos evidenciando falhas de

implantes provocadas por estes fatores [8, 9, 11, 79 – 82]. Em apenas um desses artigos são

exemplificados quatro casos de falhas em implantes, provenientes do sistema de prótese de

quadril, envolvendo os seguintes componentes: parafuso fraturado devido a um erro de

projeto; componente acetabular metálico não fraturado, porém que causou processo

inflamatório no paciente devido a um erro na seleção do material e processo de fabricação

inadequado; e duas hastes de quadril fraturadas por fadiga nas quais, para ambas, foi

constatado erro no processo de fabricação [82]. Em todos os casos foi necessário realizar

cirurgias de revisão, o que gerou grandes transtornos aos pacientes.

Griza et al [81] citam a falha por fadiga de uma prótese de quadril, fabricada em aço

inoxidável austenítico ASTM F 746, provocada pela combinação de fatores como processo de

fabricação inadequado, perda óssea e presença de heterogeneidades na microestrutura – poros

e partículas de segunda fase na matriz austenítica, que foram fatores decisivos para o

surgimento de trincas de fadiga e consequente falha do implante.

Paliwal, Allan e Filip [77] demonstraram dois casos de falhas por fadiga em

implantes, também do sistema de quadril, fabricados a partir de ligas de titânio que estiveram

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mantidos no organismo por um período entre dezoito e trinta e seis meses, apenas. Em ambos

os casos foi possível verificar a ocorrência do processo de fadiga acompanhado por corrosão

(corrosão fadiga) no qual foi possível evidenciar a presença de um grande número de

microtrincas geradas pelo processo de fragilização da prótese assistida pelo ambiente

(hidrogênio). Foi confirmado por microscopia ótica e microscopia eletrônica de varredura a

presença de desgaste, pites de corrosão, deformação plástica e trincas induzidas por corrosão

sob tensão. Em outro caso apresentado no mesmo artigo, não houve a ocorrência de fratura da

prótese de quadril, entretanto foi verificada uma significante liberação de Al que provocou

reação inflamatória, dores ao paciente e necessidade de realizar uma cirurgia de revisão.

Com o intuito de evitar a ocorrência de falhas por fadiga, testes preliminares devem

ser realizados no material de partida utilizado na fabricação de componentes que serão usados

como implantes. Estes ensaios devem ser capazes de avaliar a resistência à iniciação e

propagação de trincas de fadiga e ainda determinar o nível de tensão abaixo do qual é possível

usar o componente com segurança. É importante lembrar que além de resistência à fadiga,

outros requisitos possuem grande importância. Assim, além de resistência à fadiga, outros

testes devem ser realizados na tentativa de reduzir a incidência de falhas e cirurgias de

revisão.

2.9. Ensaio de fadiga

Para fins de avaliação da resistência à fadiga de materiais metálicos o fenômeno de

fadiga pode ser reproduzido por meio de um ensaio baseando-se na norma ASTM 466-07

[83], em que é aplicado carregamento axial no componente testado. Neste ensaio o método

básico de apresentação dos resultados é através da curva S-N. É lançado num gráfico o valor

da tensão nominal S contra o número de ciclos N necessários para a fratura. N normalmente é

apresentado em escala logarítmica.

Os ensaios de fadiga a baixas tensões são geralmente levados até 107 ciclos. Para

alguns poucos materiais, como o aço e o titânio, a curva S-N se torna horizontal em uma

determinada tensão limite. Abaixo desta tensão chamada de limite de resistência à fadiga, o

material pode presumivelmente suportar um número infinito de ciclos sem que ocorra ruptura

[78].

Caso um componente esteja sujeito a esforços cíclicos em um meio capaz de atacar

química ou eletroquimicamente o material exposto, verificam-se condições para a

implantação da corrosão sob fadiga. Os metais que estão sujeitos a esse tipo de ataque são

aqueles que têm uma camada protetora, por exemplo, um óxido que produza resistência a um

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meio que tenderia a atacar o metal. As fraturas mecânicas sucessivas, durante a propagação da

trinca de fadiga, rompem continuamente as camadas protetoras, expondo o material ativo à

ação do ambiente corrosivo. O processo se caracteriza em maior extensão pelo

desaparecimento do limite de fadiga, havendo mesmo para baixas tensões um número de

ciclos que conduz à fratura [84]. Neste caso, o limite de fadiga é definido arbitrariamente para

um número de ciclos específico [1]. Ligas de titânio podem estar sujeitas a esse tipo de

ataque. A Figura 4, apresenta um esquema representativo da ocorrência de ambos os

fenômenos, fadiga e corrosão-fadiga.

Figura 4. Comparativo entre a curva de fadiga ao ar e em meio corrosivo. FONTE: Gentil, [84].

Como citado anteriormente, para escolher um biomaterial metálico a ser utilizado

como um dispositivo ortopédico é necessário uma análise criteriosa das propriedades desse

material. Além de possuir baixo módulo de elasticidade e biocompatibilidade, resistência à

fadiga é uma das mais importantes características a ser considerada [1].

Na Figura 5 são apresentados exemplos de limites de fadiga dos principais

biomateriais metálicos – aço inoxidável, ligas de cobalto, titânio e ligas de titânio, ensaiados

ao ar [2]. É possível notar que o limite de fadiga desses materiais é completamente

dependente do processo de fabricação, condições de superfície, microestrutura e condições de

carregamento devido a grande variação dos valores para um mesmo material. O limite de

fadiga para osso bovino também é apresentado na Figura 5. Observa-se também uma queda

no limite de fadiga na seguinte ordem: ligas de cobalto ≥ Ti6Al4V ≥ aço inoxidável 316 L.

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Porém é importante lembrar que o limite de fadiga é fortemente influenciado pelos fatores já

mencionados e, assim, esta ordem pode ser alterada [2]. É possível observar ainda que o

limite de fadiga do osso bovino é o menor quando este é comparado a todos os biomateriais

metálicos.

Figura 5. Resistência à fadiga até 107 ciclos para os biometais aço inoxidável, ligas de cobalto, titânio, ligas de

titânio e osso. Dados sem a indicação (flexão rotativa) são obtidos de ensaios de fadiga uniaxial. FONTE:

Niinomi, [2] adaptado.

Já foi citado anteriormente que associado à fadiga pode existir outros fenômenos que

ocorrem ao mesmo tempo. Para um componente sujeito a esforços cíclicos em um meio capaz

de atacar química ou eletroquimicamente o material exposto, verificam-se condições para a

implantação da corrosão fadiga. Os metais que estão sujeitos a esse tipo de ataque são aqueles

que têm uma camada protetora, por exemplo, um óxido que produza resistência a um meio

que tenderia a atacar o metal [84]. Um biomaterial depois de implantado torna-se sujeito a

ação de carregamento cíclico e à ação agressiva do meio corpóreo. Essa combinação pode

resultar no fenômeno de corrosão-fadiga.

Sob corrosão-fadiga, fraturas mecânicas sucessivas durante a propagação da trinca de

fadiga são capazes de romper de forma continua as camadas protetoras e expõem o material

ativo à ação do ambiente corrosivo. Esse processo se caracteriza em maior extensão pela

ocorrência do desaparecimento do limite de fadiga, de forma que, mesmo para baixas tensões,

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ainda haja um número de ciclos que irá conduzir à fratura do componente [84]. Dessa forma,

resistência à corrosão passa a ser tão importante quanto boas propriedades mecânicas e

biocompatibilidade em ligas biomédicas a fim de evitar a ocorrência de falhas em implantes

por meio do processo de corrosão fadiga.

Já foi citado anteriormente que o processo de oxidação térmica melhora a

biocompatibilidade, a resistência ao desgaste e corrosão por gerar uma camada de óxido capaz

de impedir a ocorrência de dissolução iônica e deste modo evitar o surgimento de reações

alérgicas entre o implante e o organismo vivo que pode conduzir a necessidade de uma

cirurgia de revisão.

Com base nas informações até aqui apresentadas esse estudo tem como proposta

investigar a influência da formação de uma camada de óxido desenvolvida na superfície da

liga Ti6Al4V, resultante do processo de oxidação térmica, no comportamento em fadiga ao ar

e em meio aquoso contento uma concentração de 0,9 % de NaCl.

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3 OBJETIVOS

3.1. Geral

Estudar o efeito da oxidação térmica no comportamento em fadiga e sob fadiga em

ambiente contendo concentração de 0,9 % de NaCl da liga Ti6Al4V.

3.2. Específicos

Investigar características macro e microestruturais da camada oxidada por meio da

técnica de microscopia eletrônica de varredura.

Avaliar o comportamento em fadiga da liga Ti6Al4V para diferentes condições (ao ar

e em ambiente contendo 0,9% NaCl) antes e após a oxidação térmica;

Verificar o efeito da oxidação térmica na resistência à fadiga e fadiga em 0,9 % de

NaCl;

Determinar os possíveis mecanismos de ruptura para ambos os casos;

Desenvolver estudos na área de projeto de materiais e superfícies;

Desenvolver estudos na área de biomateriais;

Desenvolver estudos na área de ensaios de desempenho e integridade estrutural.

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4 MATERIAIS E MÉTODOS

O material utilizado neste estudo é a liga Ti6Al4V grau 5 (ASTM F136 / NBR ISO

5832-3). A liga foi adquirida na forma de tarugos com 12 mm de diâmetro. Após o

recebimento dois pedaços do tarugo com espessura de aproximadamente 5 mm, procedimento

de corte semelhante ao descrito no item 4.1 a seguir, foram cortados em quatro partes para

avaliação da microestrutura por meio da técnica de microscopia ótica conforme a norma

ASTM E 3-11 [85]. A avaliação microestrutural foi realizada na direção perpendicular e

também na direção paralela à deformação aplicada no processo de forjamento do tarugo. As

micrografias foram obtidas com o auxílio de um microscópio ótico Leica modelo DM 2500M.

Após avaliação microestrutural da liga, na forma como recebida, foi criada uma

metodologia para a formação e estudo de uma camada de óxido de titânio (TiO2), na

superfície da liga Ti6Al4V, com a finalidade de escolher qual rota de oxidação seria aplicada

aos corpos de prova a serem utilizados no presente estudo. Os subitens a seguir detalham a

metodologia utilizada em cada uma das etapas.

4.1. Definição e aplicação da rota de oxidação térmica

No desenvolvimento deste estudo, buscou-se definir uma rota de oxidação térmica a

ser aplicada aos corpos de prova com a finalidade de formar uma camada de TiO2 na

superfície. Os parâmetros da rota de oxidação térmica (temperatura, tempo e meio) foram

definidos de acordo com as características de espessura da camada de óxido a ser obtida [20].

Com base em artigos já publicados foi possível constatar, que a camada de óxido

formada à temperatura de 700 °C apresentou baixa resistência à corrosão-desgaste, em razão

da presença de porosidade e defeitos gerados durante os processos de oxidação térmica.

Também foi verificado que, para amostras oxidadas termicamente até a temperatura de 500

°C, a taxa de desgaste foi consideravelmente mais elevada e foi apontada a temperatura de

600 °C como sendo a melhor temperatura para oxidação térmica da liga Ti6Al4V, quando é

necessária boa resistência sob corrosão-desgaste [19, 22]. Além disso, no estudo desenvolvido

por Zimmer [26], foi mostrado que amostras da liga Ti6Al4V oxidadas termicamente à

temperatura de 600 °C em atmosfera ambiente apresentaram maior limite de fadiga quando

comparada as amostras oxidadas termicamente à temperatura mais elevada.

A partir dessas informações optou-se por realizar testes preliminares nos quais

algumas rotas de oxidação à temperatura de 600 °C por 5 h, 10 h e 20 h foram aplicadas. O

equipamento utilizado no processo de oxidação foi um forno modelo INTI FL-1300 com

controlador FE50RPN.

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Inicialmente as rotas de oxidação térmica foram aplicadas em pequenos discos

cortados a partir da liga Ti6Al4V com espessura de aproximadamente 5 mm, Figura 6 (a), os

quais foram lixados, polidos, lavados, secos e posteriormente expostos ao processo de

oxidação. Foi realizada a aplicação das rotas de oxidação térmica em cinco discos para cada

condição de tempo.

Após a exposição ao processo de oxidação, os discos foram cortados ao meio, as duas

partes foram coladas e embutidos em resina termofixa (baquelite), Figura 6 (b), (c) e (d),

respectivamente, de maneira que fosse possível visualizar a camada de óxido formada na

direção perpendicular após preparação metalográfica e ataque químico. Antes de aplicar

ataque químico, as amostras foram lixadas uma a uma usando-se lixas de carbeto de silício –

SiC, com granulometria variando de 120 a 1200. Após o lixamento, as amostras foram polidas

com auxílio de uma politriz Arotec modelo Aropol-V2, pano de polimento e pasta de

diamante de 6 µm, 3 µm e 1 µm. No ataque químico utilizou-se o reagente Kroll (3 mL HF, 6

mL HNO3 e balanço em H2O para 100 mL).

(a) (b) (c) (d)

Figura 6. Esquema representativo de preparação das amostras após o processo de oxidação térmica a fim de

visualizar a camada de TiO2 formada.

No entanto, por meio de microscopia ótica não foi possível conseguir boa definição da

presença da camada de TiO2. Por essa razão as características da camada de TiO2 formada em

cada processo foram observadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV) em um

equipamento JEOL JCM-5700 CARRY SCOPE.

Na literatura é relatado que o resfriamento brusco pode comprometer a qualidade da

camada de TiO2 pois aumenta-se a probabilidade de que ocorra fissuração e presença de

trincas na camada formada [21]. Desse modo levantou-se a possibilidade de que novas

amostras fossem oxidadas termicamente e resfriadas ao forno com intuito de verificar se

haveria ou não desprendimento da camada de TiO2 formada. Realizou-se o processo de

oxidação em mais cinco amostras durante o tempo de 5 h que posteriormente também foram

analisadas por MEV.

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Um número total de vinte amostras, divididos em três grupos em função do tempo de

exposição, foram oxidados termicamente à temperatura de 600 °C e analisados por

microscopia eletrônica de varredura. Foram realizadas medições da espessura das camadas de

TiO2 resultantes em diferentes regiões/posições ao longo de cada amostra a fim de determinar

a espessura em função do tempo de exposição.

Em cada amostra foram obtidas cinco imagens a partir de regiões distintas da camada

de TiO2 formada. A cada imagem adquirida um número mínimo de seis medições na

espessura da camada de TiO2 foram realizados com intuito de determinar sua dimensão.

Posteriormente, com os valores de medições de espessura da camada de TiO2 formada, foram

determinadas dimensões médias de espessura para os tempos de 20 h, 10 h e 5 h. Todas as

medidas da camada de óxido foram obtidas por meio de microscopia eletrônica de varredura.

Após análise das características resultantes de cada rota aplicada, decidiu-se que os

corpos de prova seriam oxidados à temperatura de 600 °C durante o tempo correspondente a 5

h e resfriados ao forno para evitar choque térmico e consequentemente trincas ou fissuração

da camada de TiO2 formada.

4.2. Difração de Raios-X

Realizou-se a difração de raios-x, na liga Ti6Al4V, antes e posterior à aplicação do

processo de oxidação térmica, à 600 °C durante 5 h e seguido de resfriamento ao forno, a fim

de identificar a formação de óxidos a partir da liga Ti6Al4V. Foi usado um difratômetro de

raios-x modelo Shimadzu XRD-6000, com ângulo rasante. Como parâmetros de teste

utilizou-se uma fonte de radiação Cuα com incidência de 2º / min, a difração foi realizada

entre 10º e 80º, com incremento de 0,02º e tempo de 2 segundos.

4.3. Usinagem e preparação de corpos de prova

Paralelamente a etapa em que foi determinada a rota de oxidação térmica, corpos de

prova foram usinados com base na norma ASTM E 466-07 [83] Figura 7 (a). Após usinagem

foi realizado lixamento da superfície dos corpos de prova a fim de eliminar defeitos de

superfície, resultantes do processo de usinagem, que funcionam como pontos de nucleação de

trincas e são capazes de reduzir consideravelmente a vida em fadiga de um componente. Em

seguida, os corpos de prova foram separados em dois grupos.

No primeiro grupo foi iniciado o ensaio de fadiga para a condição FR-Ar (fadiga

material como recebido ensaiado ao ar). O segundo grupo de corpos de prova foi

encaminhado ao processo de oxidação térmica. Na Figura 7 (b) e (c) são apresentados,

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respectivamente, corpos de prova sem e com a presença da camada de óxido após o processo

de oxidação térmica com duração de 5 h e resfriado ao forno. Para as amostras oxidadas

termicamente o ensaio de fadiga foi realizado em duas condições diferentes, FOT-Ar (fadiga

oxidado termicamente ensaiado ao ar) e FOT-NaCl (fadiga oxidado termicamente ensaiado

em 0,9% de NaCl). Os corpos de prova testados ao ar foram usinados sem rosca nas

extremidades para facilitar a fixação nas garras da máquina de ensaio.

Figura 7. Representação dos corpos de prova para o ensaio de fadiga: (a) modelo baseado na norma ASTM

E466-07. (b) corpo de prova usinado para a liga Ti6Al4V como recebida. (c) corpo de prova após oxidação

térmica para o ensaio de fadiga.

4.4. Medidas de rugosidade superficial

Medidas de rugosidade foram realizadas na superfície dos corpos de prova após

preparação prévia ao ensaio de fadiga (lixamento e aplicação da rota de oxidação térmica

imposta) com o intuito de avaliar o acabamento superficial. As medidas de rugosidade foram

realizadas num total de dez amostras, cinco sem a camada de TiO2 e cinco com a camada de

TiO2. As medições foram realizadas seguindo os parâmetros estabelecidos pela ISO 1997

utilizando-se um rugosímetro MITUTOYO SJ-410.

O raio da ponta do apalpador é de 2,5 µm e foi usado um comprimento de amostragem

equivalente a 5 vezes 0,25 mm. Ainda, foi considerada a curvatura das amostras (corpos de

prova). O parâmetro escolhido para servir de base de medição é o Ra.

B

b)

B

c)

B

a)

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4.5. Ensaio de fadiga

Os ensaios de fadiga foram realizados em uma máquina servo-hidráulica MTS

LANDMARK modelo 3010 com célula de carga de 100 kN, Figura 8 (a), em três condições

diferentes. Nas condições FR-Ar e FOT-Ar o ensaio foi conduzido por controle de força com

razão de carregamento R = 0,1, ou seja, o carregamento mínimo da curva senoidal é igual a

10% da carga máxima aplicada e frequência de 30 Hz.

No caso do ensaio de fadiga em ambiente contendo 0,9 % NaCl os testes foram

conduzidos com auxílio de um dispositivo acoplado à máquina MTS (câmara de corrosão),

desenvolvido com a finalidade de manter o corpo de prova submerso no ambiente agressivo.

Na Figura 8 (b) pode ser visualizado o dispositivo (câmara de corrosão) desenvolvido em

operação. Este ensaio também foi conduzido por controle de força e R = 0,1. Entretanto, a

frequência de aplicação da carga foi de 1,25 Hz, que é a frequência habitual de caminhada de

uma pessoa saudável [86] e principalmente por que o fenômeno de corrosão é dependente do

tempo e uma frequência alta irá reduzir o tempo de exposição do componente ao meio

agressivo.

Figura 8. Máquina para realização dos ensaios de fadiga e câmara de corrosão para realização dos ensaios de

corrosão-fadiga.

Existem diversos meios capazes de simular a agressividade do corpo humano. O meio

contendo uma concentração de 0,9 % de NaCl foi escolhido devido a simplicidade de

obtenção, por ser econômico e capaz de representar, com boa aproximação, a agressividade

dos fluídos corpóreos [1, 2, 22]. Durante o ensaio para essa condição, com ajuda de uma

bomba de aquário, foi realizada a circulação da solução, na qual o corpo de prova estava

submerso. Este procedimento foi realizado para garantir aeração do meio. A solução foi

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mantida à temperatura ambiente. Além disso, foram realizadas em intervalos de dois dias,

medições de pH da solução usando-se papel tornassol. Verificou-se que o valor de pH da

solução manteve-se entre 6 e 7.

Foram ensaiados doze corpos de prova para cada condição (FR-Ar, FOT-Ar e FOT-

NaCl) cujo objetivo inicial foi determinar a curva de fadiga e avaliar a resistência à fadiga em

função da formação da camada de óxido, resultante do tratamento de oxidação térmica, e

também avaliar o efeito do meio contendo 0,9 % de NaCl.

4.6. Análise das fraturas por microscopia eletrônica de varredura

Dando sequência a esse estudo as superfícies de fratura de corpos de prova que

romperam no ensaio de fadiga foram observadas por meio da técnica de microscopia

eletrônica de varredura a fim de identificar quais os principais mecanismos que estão

envolvidos com a fratura dos corpos de prova, apontar onde ocorreu a iniciação da trinca, que

levou ao processo de fratura, e investigar a influência da presença de uma camada de TiO2 na

superfície da liga Ti6Al4V sobre a resistência à fadiga e a fadiga em meio contendo 0,9% de

NaCl.

A microscopia eletrônica de varredura é uma técnica muito usada para obter

informações sobre a morfologia, topografia e identificação de características necessárias para

entender o comportamento de iniciação e propagação de trincas de fadiga. Essa técnica

permite a obtenção de imagens em amplo aumento e com grande profundidade de foco

permitindo a observação e análise de características microestruturais com boa resolução.

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30

5 RESULTADOS E DISCUSSÕES

5.1. Metalografia do material como recebido

A caracterização microestrutural da liga Ti6Al4V foi realizada por meio de

micrografias, conforme apresentado na Figura 9, nas quais se evidencia a presença das fases α

(regiões claras) e β (regiões escuras) [62]. Essa configuração assumida, microestrutura

refinada composta de grãos da fase α+β globulares em que há uma distribuição homogênea da

fase β na matriz composta pela fase α, confere boas propriedades mecânicas (combinação de

elevado limite de resistência, sem perda significativa da ductilidade) e elevada resistência à

corrosão [87] comumente resulta em longa vida útil para o componente (prótese de quadril)

fabricado com essa condição de microestrutura.

Figura 9. Microestrutura da liga Ti6Al4V composta por grãos refinados das fases α e β.

A partir da Figura 9, é possível notar ainda que a liga Ti6Al4V utilizada encontra-se

em conformidade com a Norma NBR ISO 5832-3 – Implantes para cirurgia – Materiais

metálicos – Liga conformada de Ti6AlV [87] e a Norma ASTM 136-08 – Liga de Ti6Al4V

para Aplicação em Cirurgia de Implantes [88].

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31

5.2. MEV da camada de óxido (medição)

Como resultado do processo de oxidação térmica pode ser visualizado nas Figuras 10,

11 e 12 a camada de óxido obtida à temperatura de 600 °C para os tempos de 20 h, 10 h e 5 h,

respectivamente. A diferença entre a morfologia da camada e do substrato é nítida. A camada

de TiO2 está localizada na parte intermediária das imagens e apresenta morfologia mais lisa

em comparação à morfologia do substrato que se encontra adjacente e abaixo.

Conforme descrito anteriormente, item 4.1 da metodologia, foram realizadas medições

de espessura da camada de TiO2 com auxílio da técnica de microscopia eletrônica de

varredura. Na Tabela 3 são apresentados os valores médios de crescimento da camada de

TiO2 para cada tempo de exposição.

Figura 10. Camada de óxido obtida à temperatura de 600 °C por 20 h resfriada ao ar.

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32

Figura 11. Camada de óxido obtida à temperatura de 600 °C por 10 h resfriada ao ar.

Figura 12. Camada de óxido obtida à temperatura de 600 °C por 5 h resfriada ao ar.

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Tabela 3. Medidas de espessura das camadas de TiO2 após aplicação do processo de oxidação térmica.

Valores de Espessura da Camada de Óxido

Tempo Máximo (µm) Mínimo (µm) Médias (µm) Desvio Padrão

20 h 7,05 5,65 6,36 0,42

10 h 4,88 3,02 3,85 0,47

5 h 2,40 0,68 1,12 0,38

Na Figura 13 é possível observar o desprendimento da camada de TiO2, numa das

amostras, na qual aplicou-se o processo de oxidação a 600 ºC durante 5 h seguido de

resfriamento ao ar. Em artigo publicado por Leinenbach e Eifler [21] é relatado o

desprendimento da camada de TiO2 em amostras que foram oxidadas em alta temperatura e

posteriormente submetidas a resfriamento brusco. Assim, a partir da Figura 13 é possível

evidenciar que uma queda brusca de temperatura pode provocar o surgimento de trincas e

desprendimento da camada de óxido [26, 27].

Figura 13. Camada de óxido obtida à temperatura de 600 °C por 5 h e resfriada ao ar.

A partir da Tabela 3 e das Figuras 10, 11 e 12 observa-se que o emprego de diferentes

tempos nas rotas de oxidação térmica gerou camadas de TiO2 com espessuras variadas. A

formação e crescimento da camada de TiO2 ocorre através do processo de difusão de átomos

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de oxigênio a partir da superfície da liga Ti6Al4V [20, 71, 72]. O processo de difusão é regido

por diversos parâmetros dos quais se pode citar como dois dos mais importantes a temperatura

e o tempo de exposição em que acontece.

Como regra geral, na literatura é relatado, de acordo com as Leis de Fick para difusão,

que quanto maior a temperatura, obtém-se maiores taxas de difusão [61], consequentemente

mais rápido será o crescimento da camada de TiO2. Em relação ao tempo, sugere-se que

quanto maior a exposição ao processo de oxidação térmica maior será a espessura da camada

de TiO2 formada. Entretanto, a medida que a camada de TiO2 cresce a partir da superfície,

especificamente em titânio e suas ligas, ocorre o acúmulo de átomos de oxigênio nos espaços

intersticiais da estrutura atômica da liga Ti6Al4V – característica intrínseca ao processo de

difusão intersticial. Este acúmulo dificulta o processo de difusão de oxigênio, pois o número

de espaços intersticiais, nos quais átomos de oxigênio penetram a partir da superfície, é

diminuído drasticamente. Como consequência ocorre redução na taxa de difusão e na

velocidade de crescimento da camada de TiO2. A redução da taxa de difusão tende, ainda, a

estagnar o crescimento da camada de TiO2 para tempos longos de exposição [20].

A temperatura do processo de oxidação realizado neste trabalho foi mantida constante

e, portanto não foi um fator determinante para diferenças significativas de tamanho na

espessura da camada de TiO2 gerada. Percebe-se então que a diferença entre os valores

médios de espessura da camada de TiO2 formada, Tabela 3, foi provocada pela diferença entre

os tempos de exposição ao processo de oxidação térmica.

5.3. Difração de Raios-X

O resultado da análise por difração de raios-x da liga Ti6Al4V antes e após o processo

de oxidação térmica, escolhido para aplicação nos corpos de prova, pode ser observado na

Figura 14. É possível notar que o difratograma da liga Ti6Al4V apresenta picos referentes

apenas às fases α e β, antes do processo de oxidação térmica, que confirmam os resultados da

análise microestrutural.

Após exposição à temperatura de 600 ºC durante 5 h, observa-se, para esta condição,

que o pico referente à fase β do titânio é suprimido conforme é possível verificar em estudos

na literatura [22]. Na revisão bibliográfica deste estudo foi citado que o oxigênio é um

elemento alfagênico (estabilizador da fase α) [55], assim, sugere-se que a extinção do pico

referente à fase β foi provocada devido a absorção e difusão de oxigênio que ocupou os

espaços intersticiais do titânio e favoreceu a formação e estabilização da fase α.

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Outras fases, pertencentes à fase TiO2, foram encontradas. Entre as principais

destacam-se a presença de rutilo e anatásio [22, 27, 69], ambas possuem estrutura tetragonal e

se diferenciam apenas pela posição dos átomos de oxigênio que estão a uma distância mais

próxima do titânio, na estrutura do anatásio, em relação aos mesmos átomos de oxigênio, na

estrutura do rutilo [19]. Estas fases foram identificadas com base no banco de dados JCPDS

em que as fichas possuem os números 21 – 1276 e 21 – 1272, rutilo e anatásio,

respectivamente.

Outra característica observada é que os picos referentes à fase α da liga Ti6Al4V não

estão exatamente no mesmo ângulo (2θ), quando comparado à liga Ti6Al4V sem aplicação do

processo de oxidação térmica, de acordo com o difratograma. Este fato é explicado devido à

ocorrência de dissolução de oxigênio na estrutura da liga Ti6Al4V, causando uma expansão

interatômica que gera, como consequência, um deslocamento dos picos para a esquerda [72].

Figura 14. Difração de raios-x da liga Ti6Al4V, antes e após aplicação do processo de oxidação térmica à 600

ºC durante 5 h. (α = fase alfa; β = fase beta; A = TiO2, anatásio; R = TiO2, rutilo; TixOy = fase óxido de titânio).

5.4. Ensaio de rugosidade

As medidas de rugosidade das superfícies de corpos de prova foram realizadas antes

dos ensaios de fadiga, para avaliar se o processo de oxidação térmica influencia de forma

significativa no acabamento superficial das amostras.

20 30 40 50 60 70 80

RR

R

2

Ti6Al4V

Ti6Al4V-OT

A R

INT

EN

SID

AD

E R

EL

AT

IVA

TixO

y R

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Os valores médios da rugosidade superficial dos corpos de prova, medidos em Ra,

foram equivalentes a 0,14 µm e 0,16 µm, para as amostras sem oxidação e após o processo de

oxidação térmica, respectivamente. Estes dados sugerem um leve aumento que pode ser

atribuído à formação da camada de óxido [66]. Isso pode ser confirmado comparando os

resultados desse estudo aos resultados apresentados por Li et al [21], When et al [66] e Kumar

et al [67] nos quais também foi evidenciado o aumento da rugosidade superficial após

aplicação do processo de oxidação térmica.

Diferenças significativas entre valores de rugosidade superficial podem conduzir a

diferentes valores de limite de fadiga [27]. Nesse estudo todos os corpos de prova

apresentaram valores de Ra próximos para as diferentes condições de preparação. Dessa

forma sugere-se que o processo de oxidação térmica a temperatura de 600 °C por 5 h não

produzirá mudança significativa nas propriedades de fadiga do material, quando avaliado

apenas em função da rugosidade.

5.5. Ensaio de fadiga

A curva de fadiga S-N para a liga Ti6Al4V na condição como recebida é apresentada

na Figura 15. Os círculos preenchidos representam corpos de prova que foram ensaiados até a

ruptura por fadiga durante o ensaio, já os círculos sem preenchimento representam corpos de

prova nos quais não ocorreu fratura até um determinado número de ciclos. Para estes, as

representações 1x e 3x, indicam que foram ensaiados um e três corpos de prova,

respectivamente, até o número de 107 ciclos sem a ocorrência de ruptura. Observa-se então

que, para cada nível de tensão, foram ensaiados três corpos de prova. Dessa forma, tem-se um

total de doze corpos de prova ensaiados para esta condição FR-Ar.

Na Figura 15 é apresentado o limite de resistência à fadiga para a liga Ti6Al4V como

recebida, FR-Ar. É importante destacar que estes dados são apresentados para valores de

tensões nominais, ou seja, não são considerados efeitos de concentradores de tensão durante a

realização dos ensaios. Assim, o valor de tensão nominal é determinado pela simples relação

entre a carga aplicada durante o ensaio e a menor área da seção do corpo de prova, transversal

à direção do carregamento.

A determinação do limite de resistência à fadiga foi possível após a realização do

ensaio de fadiga, seguindo a norma ASTM E 466-07 [83]. A literatura relata que o primeiro

nível de tensão em um ensaio de fadiga pode ser equivalente ao limite de escoamento do

material. A liga Ti6Al4V possui uma faixa de valores para a qual a tensão de escoamento

varia entre os valores de 830 MPa (liga recozida) e 1103 MPa (liga tratada termicamente por

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solução sólida e envelhecida) [61]. Dessa forma, optou-se por ensaiar o primeiro corpo de

prova sob a tensão de 1000 MPa. Para os demais corpos de prova, foram utilizadas tensões

sucessivamente mais baixas até atingir o nível de tensão no qual a curva S-N tornou-se

horizontal. Com isso os três últimos corpos de prova foram ensaiados a uma tensão de 750

MPa. Estes não fraturaram até o número de 107 ciclos caracterizando o limite de resistência à

fadiga e sugerindo que a fabricação e aplicação de um componente para a mesma condição de

microestrutura e submetido a tensões cíclicas equivalentes a 750 MPa ou abaixo desse valor,

na mesma condição de ensaio, poderá sofrer um número infinito de ciclos sem que ocorra a

falha.

Figura 15. Curva S-N para a liga Ti6Al4V ensaiada ao ar, apresentando o limite de fadiga em 750 MPa para 3

amostras ensaiadas em cada nível de tensão.

São muitas as informações obtidas a partir de ensaios de fadiga. Entre as principais

pode-se considerar o limite de resistência à fadiga e a vida em fadiga. Já foi citado que o

limite de resistência à fadiga de um mesmo material é influenciado por diversos fatores –

metalúrgicos, de superfície, microestruturais, entre outros. Mesmo quando esses parâmetros

são controlados muitas vezes ainda ocorre dispersão nos resultados do ensaio.

Em fadiga de baixo ciclo (ensaio conduzido a tensões relativamente altas) a dispersão

na determinação do número de ciclos necessários para que ocorra a fratura (vida em fadiga)

700

750

800

850

900

950

1000

1050

1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7

Ten

sao

- S

Número de ciclos - N

Curvas de probabilidade

FR-Ar

Corpos de prova

fraturados FR-Ar

3x

1x

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de corpos de prova ensaiados a um mesmo nível de tensão pode chegar a uma ordem de

grandeza em escala logarítmica entre os valores máximos e mínimos [78]. Assim, torna-se

difícil determinar com segurança a vida em fadiga de um determinado material usando-se

somente os resultados de números de ciclos até a falha. Dessa maneira, apenas uma

aproximação pode ser realizada. Como alternativa, estudos estatísticos têm sido realizados a

fim de definir um intervalo de confiança para a vida em fadiga a partir de ensaios realizados e

determinar com maior confiabilidade em qual intervalo de número de ciclos os corpos de

prova irão fraturar.

A norma ASTM E739 [89] apresenta um método padrão de análise estatística linear

para a vida em fadiga em S-N (tensão – número de ciclos) ou ε-N (deformação – número de

ciclos). Neste estudo, foi aplicando o procedimento descrito nessa norma em que se realizou

uma aproximação razoável dos resultados de vida em fadiga em uma linha reta, para

específicos intervalos de tensão, e posteriormente foi estimada a região na qual existe a

probabilidade de ocorrência de fratura. Assumindo que a fratura de corpos de prova ensaiados

a um nível de tensão específico segue uma distribuição normal e esse resultado representa

amostras que são parte de uma população definida, é possível estimar por meio da norma

ASTM E739-10, com uma confiança de até 95 %, o intervalo no qual o corpo de prova irá

romper por fadiga.

Assim, podemos ver na Figura 15 a extrapolação da vida em fadiga dos corpos de

prova ensaiados a três diferentes níveis de tensão. A curva à esquerda representa o número

mínimo de ciclos para ocorrência de fratura enquanto a curva a direita representa o número

máximo de ciclos. Existe 95 % de probabilidade de que ocorra fratura do corpo de prova

dentro destas curvas limites para o nível de tensão específico. A reta linear localizada entre as

duas curvas representa uma média na qual se considera 50 % de probabilidade de ocorrência

de falha.

Além dos resultados do ensaio de fadiga para o caso em que os corpos de prova foram

ensaiados na condição como recebidos (ASTM F 136 NBR ISO 5832-3), as curvas S-N para

as duas condições distintas – FOT-Ar (ensaio conduzido ao ar) e FOT-NaCl (ensaio em

ambiente contendo 0,9 % de NaCl) são apresentadas nas Figuras 16 e 17. Nestas duas

condições, os corpos de prova foram submetidos ao processo de oxidação térmica à

temperatura de 600 °C por 5 h e resfriado em forno antes do ensaio de fadiga.

As tensões utilizadas no ensaio nas condições FOT-Ar e FOT-NaCl foram mais

baixas. A princípio, sua determinação foi realizada partindo-se da informação de que ocorre

uma redução do limite de fadiga, devido a presença da camada de óxido, e por isso, de que é

necessário avaliar se haverá diferença significativa do limite de resistência à fadiga entre

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amostras da liga Ti6Al4V oxidadas termicamente e amostras do material na forma como

recebido. Assim, o valor do primeiro nível de tensão de ambas as condições foram

determinados próximo ao limite de fadiga da condição como recebido. Comparando os

resultados a partir das Figuras 15 e 16, nota-se, para os corpos de prova com presença da

camada de óxido, uma significativa redução na vida em fadiga, provavelmente devido à

presença da camada de TiO2.

Na condição FOT-Ar (Figura 16) observa-se a fratura de seis corpos de prova a

tensões de 750 MPa, 650 MPa e 550 MPa (quadrados preenchidos). Seis corpos de prova não

romperam para essa mesma condição (quadrados sem preenchimento). Três destes corpos de

prova foram ensaiados a um nível de tensão em 450 MPa, na qual um deles resistiu ao número

de 107 ciclos. Entretanto, para os dois outros corpos de prova testados a esta mesma tensão,

seus ensaios foram conduzidos apenas até os números de ciclos de 982050 e 2146875,

respectivamente, e foram interrompidos sem a ocorrência de fratura e antes de atingir o

número de 107 ciclos. Os outros três corpos de prova foram ensaiados às tensões nominais

equivalentes a 550 MPa e 500 MPa (um e dois corpos de prova, respectivamente) e

sobreviveram a 107 ciclos.

Figura 16. Curva S-N para a liga Ti6Al4V oxidado termicamente ensaiada ao ar, apresentando o limite de

fadiga em 500 MPa.

400

450

500

550

600

650

700

750

800

1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7

Ten

são

- S

Número de ciclos - N

Curvas de probabilidade

FOT-Ar

Corpos de prova FOT-Ar

1X

2X

1X

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Ao nível de tensão de 550 MPa houve ruptura de um corpo de prova em 143641 ciclos

e, portanto, o limite de resistência à fadiga não pode ser estimado considerando este valor de

tensão. Contudo, ao diminuir a tensão nominal do ensaio aos níveis de 500 MPa e 450 MPa

não é observada a ocorrência de fratura para nenhum dos corpos de prova ensaiados,

caracterizando o limite de fadiga entre estes valores de tensão.

Assim sendo, observa-se uma significativa redução no limite de resistência à fadiga

para amostras com a presença da camada de TiO2 na superfície da liga Ti6Al4V. O fator de

redução é de 0,67. Essa redução possivelmente está associada à fácil iniciação de trincas a

partir da superfície cerâmica que possui menor capacidade de deformação, comparada ao

substrato metálico, em resposta a aplicação de um carregamento axial.

Figura 17. Curva S-N para a liga Ti6Al4V oxidado termicamente ensaiada em ambiente contendo 0,9 % de

NaCl.

É encontrado na literatura que a fácil iniciação da trinca pode ser atribuída à diferença

significativa entre o módulo de elasticidade na superfície (TiO2 – 230 MPa) e o interior da

liga (Ti6Al4V - 110 a 120 GPa) e à diferença entre o nível de deformação da frágil camada de

TiO2 e o substrato metálico, mais dúctil, para a mesma tensão. Em tal sistema, trincas

prematuras podem aparecer na superfície a uma tensão mais baixa [27] e dessa forma, com a

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

2E+2 2E+3 2E+4 2E+5 2E+6 2E+7

Ten

são

- S

Número de ciclos - N

Curvas de probabilidade

FOT-NaCl

Corpos de prova FOT-NaCl

2X

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aplicação de carregamento cíclico, a trinca irá propagar-se até ocorrer fratura do corpo de

prova.

O resultado do ensaio de fadiga em ambiente contendo 0,9 % de NaCl pode ser

visualizado na Figura 17. Este ensaio foi conduzido a uma frequência de apenas 1,25 Hz a fim

de garantir tempo suficiente de interação entre o meio e o corpo de prova. Devido à demora

na execução do ensaio, por este ser realizado em uma frequência baixa, foi decidido que os

corpos de prova testados na condição FOT-NaCl não seriam levados a um número de 107

ciclos. Assim, o limite de fadiga para esta condição é estimado para o número de 2x106 ciclos.

Para o ensaio na condição FOT-NaCl a fratura em baixo ciclo ocorreu para três corpos

de prova ensaiados a tensões de 800 MPa e 770 MPa. A fadiga de baixo ciclo é caracterizada

pela aplicação de tensões relativamente altas em que a fratura ocorre geralmente até 104 ciclos

[78]. Mais nove corpos de prova foram ensaiados. Sete deles às tensões de 700 MPa, 600

MPa e 535 MPa, nos quais foram constatadas ocorrências de fraturas entre os valores de

16852 ciclos e 1396166 ciclos. Mais dois corpos de prova ensaiados à tensão de 550 MPa

foram levados a 2x106 ciclos e não houve ocorrência de fratura. Desse modo, observa-se para

condição FOT-NaCl que o limite de fadiga ainda precisa ser determinado, pois apesar de

existir dois corpos de prova que resistiram a 2x106 ciclos na tensão de 550 MPa, ocorreu a

fratura de um corpo de prova à tensão de 535 MPa que é um valor de tensão abaixo de 550

MPa. Dois corpos de prova foram testados à 550 MPa e não houve ocorrência de falha por

fadiga.

O procedimento estatístico descrito na norma ASTM E739-10 também foi aplicado

aos resultados obtidos com os corpos de prova ensaiados nas condições FOT-Ar e FOT-NaCl.

De forma análoga ao descrito na condição FR-Ar, nas Figuras 16 e 17, também é possível

visualizar, para cada caso, a estimativa da vida em fadiga para as duas diferentes condições.

As curvas à esquerda representam o número mínimo de ciclos para ocorrência de fratura e as

curvas à direita representam o número máximo de ciclos para ocorrência de fratura. A região

compreendida entre uma curva de mínimo e sua respectiva curva de máximo representa 95 %

de probabilidade de ocorrência de fratura para um nível de tensão específico [89]. Ainda

segundo a norma ASTM E739-10 as retas na região central indica 50 % de probabilidade de

falha do corpo de prova.

Na Figura 18 é apresentada a junção das curvas de probabilidade de vida em fadiga

para as condições FOT-Ar e FOT-NaCl. Não existe uma diferença significativa entre o

comportamento em fadiga comparando-se ambas condições. Pode-se constatar que as regiões

com 95 % de probabilidade para ocorrência de falha estão sobrepostas e são praticamente a

mesma. Este resultado evidencia que o meio contendo 0,9 % de NaCl à frequência de 1,25Hz

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não foi fator determinante na vida em fadiga de corpos de prova da liga Ti6Al4V oxidada

termicamente.

Figura 18. Curvas de probabilidade de ocorrência de falha por fadiga do Ti6Al4V oxidada a 600 °C por 5 h e

ensaiada para duas diferentes condições analisadas, ao ar e em meio contendo 0,9% de NaCl.

Outro fator que deve ser mencionado é que mesmo tendo ocorrido redução no limite

de fadiga das amostras após aplicação do processo de oxidação térmica, ainda assim, a liga

Ti6Al4V oxidada termicamente possui resistência à fadiga maior que algumas outras ligas

encontrados na literatura e citadas por Niinomi [2] (Figura 5).

5.6. MEV após ensaio de fadiga

Os fenômenos que governam a fratura por fadiga dos corpos de prova também foram

investigados por meio de MEV. As Figuras 19, 20 e 21 apresentam fractografias de corpos de

prova ensaiados para cada condição, FR-Ar (19), FOT-Ar (20) e FOT-NaCl (21). São

observadas as frentes de propagação das trincas, a partir da superfície, para as três diferentes

condições de ensaio. Neste nível de aumento não é possível notar uma diferença significativa

entre os mecanismos de fratura.

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7 1E+8

Ten

são

- S

Número de ciclos - N

Curvas de probabilidade

FOT-NaCl

Curvas de probabilidade

FOT-Ar

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Figura 19. Fractografia de um corpo de prova ensaiado na condição FR-Ar.

Figura 20. Fractografia de corpo de prova ensaiado na condição FOT-Ar.

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Figura 21. Fractografia do corpo de prova ensaiado na condição FOT-NaCl.

As setas em cada figura (19, 20 e 21) indicam a região provável de iniciação das

trincas. Após iniciação, ocorre o crescimento das trincas dando seguimento a uma região

plana de propagação estável. O crescimento da trinca ocorre até o ponto em que a intensidade

de tensões, à frente da ponta do defeito, atinge o valor crítico para iniciar o processo de

propagação instável da trinca que, macroscopicamente, é definido como sendo a ruptura por

sobrecarga, que ocorre de forma catastrófica e é caracterizada pela região da fratura com

ângulo de aproximadamente 45° em relação ao plano de propagação da trinca ou à direção da

tensão aplicada em um ensaio de fadiga uniaxial.

Nas Figuras 22 e 23, observa-se o aspecto de fratura para os corpos de provas

oxidados termicamente nas condições FOT-Ar e FOT-NaCl. Tanto na Figura 22 quanto na

Figura 23, é possível observar a presença da camada de TiO2 ao redor de toda a superfície dos

corpos de prova.

Ainda na Figura 22 é observado que a formação da trinca de fadiga ocorreu a partir de

uma região na qual a superfície apresentou nitidamente uma diferença de morfologia para a

camada de TiO2 formada. Esta região aparentemente pode estar relacionada à presença de um

defeito na camada de óxido que facilitou a iniciação da trinca durante o ensaio de fadiga.

Nas Figuras 24 e 25 observa-se a presença de trincas de fadiga secundárias na camada

de TiO2 que foram iniciadas logo abaixo da trinca principal que promoveu a fratura do corpo

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de prova. Este fato evidencia a facilidade para a formação de trincas de fadiga a partir da

camada de TiO2. É possível notar que essas trincas possuem ligação direta com a região de

início da fratura. Já na Figura 26, é possível visualizar a presença de uma trinca que se

estende ao longo da superfície do corpo de prova e não está ligada diretamente à região de

início da fratura. Este fato sugere que, durante o ensaio de fadiga, as trincas poderão surgir a

partir de regiões distintas especialmente em amostras oxidadas termicamente nas quais o

processo de iniciação da trinca e subsequente propagação é favorecido pela presença da

camada de TiO2.

Figura 22. Camada de óxido após ensaio de fadiga na condição FOT-Ar.

A fragilidade da camada de TiO2 pode ser evidenciada pelo aspecto de fratura frágil

que ocorre em regiões de início da trinca, Figuras 27, 28 e 29. As setas nas Figuras 27 e 28

apontam o lado onde ocorreu o início da trinca e pode ser observado ao longo da superfície o

aspecto de fratura frágil, que é caracterizada por ser uma região lisa isenta de deformação

plástica, também mostrada na Figura 29. Logo abaixo da superfície é notada uma região

rugosa que apresenta pouca deformação plástica, característica de uma zona de transição entre

a camada de óxido e o substrato metálico.

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Figura 23. Camada de óxido após ensaio de fadiga na condição FOT-NaCl.

Figura 24. Trincas secundárias de fadiga a partir da superfície em amostras cujos ensaios foram realizados em

corpos de prova oxidados termicamente.

Trincas secundárias

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Figura 25. Trincas secundárias de fadiga em amostras oxidadas termicamente. Imagem obtida na direção

perpendicular à direção de carregamento.

Figura 26. Trinca secundária. Imagem obtida na direção perpendicular à direção de carregamento.

Trincas secundárias

Trinca secundária

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Figura 27. Região de início da trinca de fadiga a partir da camada de óxido FOT-NaCl.

Figura 28. Região de início da trinca de fadiga a partir da camada de óxido FOT-Ar.

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Figura 29. Região de início da trinca de fadiga a partir da camada de óxido FOT-Ar.

Para efeito de avaliação da propagação da trinca, nas Figuras 30, 31 e 32, podem ser

observadas estrias de fadiga a uma distância de aproximadamente 300 µm, a partir da

superfície e na direção de propagação da trinca para as três condições de ensaio. O

espaçamento entre as estrias de fadiga é um parâmetro que determina a velocidade de avanço

da trinca. Quanto maior o espaçamento entre estrias, mais rápida ocorrerá a fratura do

componente.

A partir das Figuras 30, 31 e 32 pode-se observar que o processo de fadiga ocorreu de

forma mais rápida nas condições FR-Ar (Fig. 30) e FOT-NaCl (Fig. 32), pois estes dois

corpos de prova apresentam maior espaçamento entre as estrias em comparação ao corpo de

prova da Figura 31, FOT-Ar. Este acontecimento é corroborado pelo fato dos corpos de prova

em (30) e (32) romperam para um número de ciclos de 22447 e 10916, respectivamente. Já o

corpo de prova em (31) resistiu a 143641 ciclos. No entanto as comparações devem se limitar

a apenas esta que foi feita, pois as tensões de ensaio dos três corpos de prova representados

pelas Figuras 30, 31 e 32 são diferentes. Por fim, na Figura 33 são observadas, em maior

detalhe, estrias de fadiga referentes à propagação da trinca durante o ensaio de fadiga.

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Figura 30. Estrias de fadiga para a condição FR-Ar.

Figura 31. Estrias de fadiga para a condição FOT-Ar.

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Figura 32. Estrias de fadiga para a condição FOT-NaCl.

Figura 33. Estrias de fadiga em maior aumento.

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Em relação à propagação da trinca a partir das análises realizadas não foi possível

identificar diferenças no modo de propagação das trincas em corpos de prova ensaiados com e

sem a presença do meio contendo 0,9% de NaCl.

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6 CONCLUSÕES

A aplicação do processo de oxidação térmica à temperatura de 600 °C durante

20 h, 10 h e 5 h resultou na formação de uma camada de TiO2 com espessuras

de 6,36 µm, 3,85 µm e 1,12 µm, respectivamente.

O resfriamento ao ar após aplicação do processo de oxidação térmica a

temperatura de 600 °C gera fissuração e/ou descolamento da camada de TiO2.

Após o processo de oxidação térmica para a formação de uma camada com

espessura de 1,12 µm, o limite de fadiga sofreu uma redução de cerca de 33 %,

passando de 750 MPa, na condição como recebido, para 500 MPa.

Não houve diferença expressiva para os resultados de vida em fadiga nas

condições FOT-Ar e FOT-NaCl, ou seja, o meio contendo 0,9% de NaCl a

frequência de 1,25 Hz não se apresentou eficiente na redução do limite de

fadiga para a liga de Ti6Al4V. O efeito do aumento da intensidade de tensões

devido à quebra da camada supera o efeito de corrosão fadiga.

Apesar de o limite de fadiga ter sofrido uma redução devido a presença da

camada de TiO2, a liga Ti6Al4V após sofrer oxidação, ainda possui resistência

à fadiga acima de alguns biometais usados na fabricação de implantes.

A redução nas propriedades de fadiga da liga está associada à fragilidade da

camada de óxido, a diferença da capacidade de deformação do substrato e a

camada de óxido, para uma mesma tensão aplicada, e à diferença entre o

módulo de elasticidade do TiO2 e a liga Ti6Al4V.

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7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

Avaliar a liberação iônica de amostras após o processo de oxidação térmica.

Estudar o espaçamento de estrias de fadiga a fim de estimar a curva da/dN por

delta K. Isso pode auxiliar na tentativa de estimar o tempo necessário para a

formação das trincas na camada.

Estudar a tenacidade à fratura da liga Ti6Al4V após oxidação térmica.

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