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O USO DO ENSAIO METALOGRAFICO PARA AVALIAÇÃO DA QUALIDADE DE LIGAS DE TITÂNIO UTILIZADAS EM TUBOS PARA EXPLORAÇÃO DE PETRÓLEO EM GRANDES PROFUNDIDADES André Luis de Brito Baptísta Graduado e Pós-Graduado em Gestão de Ciência e Tecnologia / Inovação, Pesquisa e Desenvolvimento Técnico Metalurgista Especializado
Resumo A necessidade de se encontrar um material que apresente propriedades de biocompatibilidade com o organismo humano sempre motivou inúmeros estudos na área de novos materiais. Os implantes tem como meta a recuperação de fraturas ásseas, assim sendo o dispositivo a ser implantado será, geralmente, submetido a esforços consideráveis. Tal fato levou ao uso de materiais com características mecânicas e químicas semelhantes as existentes no organismo. Devido a sua resistência à corrosão e a alta relação resistência/peso as ligas de titânio tem se estabelecido como excelente material para uso em implantes ortopédicos. No presente trabalho mostra-se a técnica de preparação metalográfica e cita-se as microestruturas mais importantes encontradas nessas ligas.
Introdução O principal objetivo do uso de implantes é a restauração de funções dos tecidos naturais e órgãos do corpo humano. Sempre se investigou novos materiais que apresentam um conjunto de propriedades que permitem o desempenho e aplicações não atingidas pelos materiais ditos convencionais ou tradicionais, para serem empregados como materiais restauradores. Um dos primeiros materiais empregados na confecção de próteses para implantes foi o titânio.
O Titânio puro exibe características interessantes como alta relação resistência/peso, boa resistência à corrosão e elevada biocompatibilidade, o que torna o mesmo apropriado para aplicações em implantes no corpo humano. Como essas características ainda não são consideradas ideais para a prótese, passou-se a empregar ligas de Titânio, que apresentam propriedades superiores as do Titânio puro. Somadas à rigorosa análise mecânica para resistir aos esforços mecânicos a que essas próteses estão sujeitas, elas devem ser confeccionadas com metais dito neutros, ou seja, compatíveis com o tecido vivo. A compatibilidade depende em grande parte da resistência à corrosão do metal imerso nos fluidos do corpo e da toxicidade dos produtos de corrosão no tecido circundante. Uma característica fundamental dos sólidos, e em particular dos metais, é a grande influência da sua estrutura na determinação de várias de suas propriedades. Por sua vez, a estrutura, é determinada pelos processos sofridos pelo material durante a sua fabricação, isto é, pela sua história metalúrgica. O Titânio puro pode existir em duas formas diferentes: a) a cúbica de corpo centrado acima de 885º C b) hexagonal compacta abaixo desta temperatura. A adição de elementos de liga faz com que a fase beta, de alta temperatura, seja retida parcial ou totalmente, a temperatura ambiente, assim o equilíbrio de fases a temperaturas elevadas também pode ser controlado. Se uma liga é aquecida a uma temperatura elevada, podemos obter diferentes tipos de microestruturas a temperatura ambiente, conforme o tipo de resfriamento usado. A liga a temperatura ambiente pode ter estruturas só alfa, só beta ou mistura de alfa e beta, além, naturalmente das fases oriundas de elementos de baixa solubilidade como carbonetos e hidretos, por exemplo. As propriedades mecânicas desejadas nas ligas de Titânio vão depender da relação quantitativa e qualitativa dessas fases. Essa relação por sua vez dependerá da temperatura de tratamento térmico, da temperatura de laminação ou forjamento e da composição química da liga. O exame metalográfico, além das técnicas de raio X e microscopia eletrônica é portanto, um instrumento de extrema utilidade no controle de Ti e ligas. Esse controle exige que se tomem cuidados especiais na preparação de amostras a começar pelo corte e lixamento. O Titânio alfa é muito suscetível a formação de maclas de deformação e a superaquecimento produzindo estrutura completamente distorcida. Outro problema diz respeito a quantidade de fase beta metaestável as quais podem se transformar por deformação mecânica e/ou aquecimento. Também os hidretos de Ti, que precipitam em forma de pequenas agulhas na matriz são sensíveis aos processos normais de preparo de amostras metalográficas. No presente trabalho mostra-se a técnica de preparação metalográfica e cita-se as microestruturas mais importantes encontradas nessas ligas.
Técnicas Metalográficas São descritos os diversos passos de preparação de amostras para o exame micrográfico e a interpretação de microestruturas. Corte - O corte de pequenas amostras pode ser feito com disco abrasivo de carbetos de silício usando lubrificante em abundância. Usa - se velocidade normal e pressão baixa. Este corte proporciona boa superfície acabada, a partir do qual pode – se passar diretamente para uma série de lixas mais finas. Cuidados devem se ter neste etapa para evitar o superaquecimento e deformação mecânica, defeitos esses que serão difíceis de eliminar e terão influência na interpretação da microestrutura final. Lixamento - A eliminação da camada de metal deformada, causada pelo corte se faz usando lixa de carbeto de silício ( nos 180 e 200 ). Para superfícies que vê de corte de serra deve – se usar lixas nos 60 a 80 inicialmente. Umedecer a amostra com frequência para evitar o aquecimento , exercer pressão firme e adotar velocidade média, são cuidados essenciais. Para amostras pequenas a operação média é de 3 a 7 minutos dependendo dos cuidados que se observa. O lixamento final consiste em submeter a amostra a lixas de carbeto de silício nos 220, 320, 400 e 600, podendo se chegar até 1200, usando pressão firme e movimentos lentos. O lixamento pode ser feito a úmido ou a seco. A úmido é mais rápido, proporcionando uma melhor superfície final acabada. O lixamento a seco tem a vantagem de não apresentar manchas. Tomando os cuidados exigidos, prefere-se o lixamento úmido. Montagem da amostra - Para o titânio como ocorre em outros metais a amostra, para a facilidade de manuseio, pode ser montada em bakelite. Restrições se faz quando a temperatura de embutimento influir na microestrutura, recomendando – se então o uso de material plástico de cura a frio. Polimentos - As técnicas de polimento de titânio variam de laboratório para laboratório, cada qual desenvolvendo seu próprio método e no objetivo comum de melhor reprodutividade de resultados e rapidez. Três métodos são conhecidos: mecânico, eletrolítico e vibratório. A preferência recai sobre os dois primeiros. No polimento eletrolítico o lixamento anterior não é tão crítico como para o polimento mecânico. Polimento Mecânico: Resultados satisfatórios são obtidos principalmente para ligas de titânio. Para titânio puro a eliminação de metal deformado, torna – se trabalhosa e é difícil obter uma superfície polida perfeita.
Ataque - O ataque pode ser feito por imersão ou por aplicação, sendo este último preferível quando utilizado o polimento mecânico. Os tempos de ataque variam de 3 a 20 segundos, segundo o tipo de liga e o reagente usado. O ácido fluorídrico é o reagente mais utilizado para o ataque de Ti e ligas, mas tem a tendência de produzir manchas. A adição de ácido nítrico remove as manchas e abrilhanta a superfície. O balanço entre estes dois reagentes é a base para a maior parte das soluções de ataque usadas, onde buscamos um compromisso entre contraste e limpeza da amostra. O ataque mais usado para revelar a estrutura geral de Ti e a maior parte de suas ligas é uma solução em água de 10% HF e 5% HNO3. Identificação de fases A identificação de várias fases que aparecem no titânio não é simples. Além da fase alfa equiaxial e beta temos os produtos de decomposição de beta e fases insolúveis como carbonetos, hidretos e teluretos. As fases alfa e beta podem ser diferenciadas por técnicas relativamente simples de metalografia. Os produtos de decomposição de beta variam conforme o tratamento térmico e exigem técnicas sofisticadas. Castro e Serafim desenvolveram técnicas de ataque eletrolítico para identificação de várias fases de decomposição isotérmica no revenido de ligas 6Al-4V. Outro produto da decomposição da fase beta transformada é a fase ômega. Esta é uma fase fora de equilíbrio que se forma durante a nucleação e crescimento de transformação de beta para alfa. É muito importante na consideração dos tratamentos térmicos de ligas de Ti. A fase ômega só poderá ser observada no microscópio eletrônico. Carbonetos em Ti surgem principalmente em Ti fundido por eletrodo de grafite e tem forma que dependem das condições de fusão e de concentração de C. Os hidretos podem ser observados metalograficamente desde que se tomem cuidados especiais na montagem da amostra como foi visto. Apresentam-se em forma de pequenas agulhas na matriz, quando em pequenas concentrações. A luz polarizada usada em espécimes polidos e não atacadas. A fase alfa hexagonal é oticamente ativa e alterna entre o vermelho e o azul leve. A fase beta cúbica de corpo centrado não varia e permanece escura. São preferíveis aumentos maiores de 500X. Espécimes atacados podem ser observados mas não se conseguirá um contraste bom. Quanto a uma indicação a respeito das fases presentes, a luz polarizada um instrumento bastante limitado. Outro procedimento é a coloração térmica. Espécimes polidos antes ou depois do ataque são aquecidos ao ar a 260ºC até que apareça um leve filme rosa-ouro. A superfície a ser tratada deverá ter sido limpa com éter pouco antes do aquecimento para garantir uma oxidação uniforme. Os carbonetos em materiais tratados dessa forma tornam-se azul brilhante e escurecem com tempos maiores de aquecimento. Alfa permanece claro por algum tempo e escurece gradualmente, mas não tão rapidamente como os carbonetos. Logo, as fases alfa e carbonetos podem ser facilmente
diferenciados. Estruturas de fase beta transformada escurecem em seguida durante a coloração térmica. O mais importante é que é possível assegurar um bom contraste de grão em liga só alfa como Ti5 Al-2,5 Sn, que não poderia ser obtida pelos mais fortes reagentes de ataque.
a
b
Amostras de titânio : a - monofásico , b - bifasico - 1000x
Interpretação de microestruturas Para interpretar as microestruturas de Ti e suas ligas é interessante que se conheça detalhes de tratamento térmico a que foi submetida a amostra e a composição química da mesma. Além dessa última vão influenciar na microestrutura principalmente o tratamento térmico e a fabricação de peças. Convém que se revisem alguns princípios básicos. •
Efeito de fabricação:
Se o trabalho à quente é indicado e completo nas temperaturas situadas no campo beta do diagrama de fase, a estrutura resultante se transformará completamente e o produto de transformação será alfa acicular ou placas de alfa que se produzem de forma a mostrar indícios da estrutura beta anterior. A formação de placas ou agulhas vai depender da velocidade de resfriamento, dimensões, etc. Estas estruturas não variam com tratamentos térmicos subsequentes.
Se o trabalho é iniciado em beta e termina no campo alfa + beta, a estrutura resultante será predominante beta transformada; a granulação beta estará distorcida e parcialmente quebrada devido a temperatura baixa de acabamento. Finalmente se o trabalho se dá no campo alfa + beta ou no campo alfa, no caso de ligas alfa, geralmente aparece uma estrutura de granulação fina com pouca ou nenhuma evidência do produto de transformação. •
Efeito de tratamento térmico:
As ligas do tipo alfa, de forma geral só sofrem tratamento térmico de recozimento ou alívio de tensões. As ligas alfa + beta e beta são extremamente sensíveis ao tratamento térmico. Estes são baseados na capacidade que tem essas ligas d sofrerem uma transformação do tipo martensítica, quando resfriadas bruscamente, produzindo-se principalmente a fase alfa sob forma de agulhas e beta metaestável. O importante é obter uma estrutura que dê as melhores propriedades mecânicas. Normalmente se consegue isto através de um tratamento térmico de envelhecimento. No entanto não se pode operar grandes mudanças em propriedades mecânicas se as fases estão em condições próximas ao equilíbrio antes do envelhecimento. Logo a presença de fases fora do equilíbrio tais como alfa e beta metaestável, resulta num substancial da tensão de escoamento e da de ruptura, após envelhecimento. Resumindo temos que: a) Não há resposta ao envelhecimento no resfriamento ao forno b) Só uma leve resposta ocorre com resfriamento ao ar c) A melhor resposta ocorre com têmpera em água a partir da temperatura de solubilização. A têmpera a partir do campo beta dá bons resultados mas os valores de ductilidade resultam baixos. As melhores combinações de propriedades podem ser produzidas por tratamento de solubilização em temperaturas relativamente altas no campo alfa + beta. Microestruturas mais comuns Alfa – equiaxial este tipo de estrutura desenvolve – se usualmente em material trabalhado a frio e recozido acima da temperatura de recristalização. Pode – se distinguir partículas de fase beta estabilizadas por pequenas quantidades de Fe no material. Essas quantidades pequenas de fase beta comuns em Ti não ligado comercial e algumas tipo alfa, promovem um refinamento do grão alfa inibindo seu crescimento. Beta transformado é o termo geral para descrever a fase alfa formada diretamente a partir de beta. Os termos alfa serrilhado, acicular e placas são os mais comuns, usados para descrever as fases beta transformadas em maior detalhe.
Alfa serrilhado são desenvolvidas por resfriamento rápido desde o campo beta em Ti de alta pureza e ligas do tipo alfa. Os contornos serrilhados surgem no resfriamento rápido em Ti na parte inferior de um lingote fundido com eletrodo de Tungstênio. Os termos alfa acicular e Widmanstatten aplicam – se a tipos semelhantes de estruturas, no entanto o termo acicular refere – se a uma estrutura fina enquanto que o Widmanstatten pode existir como uma estrutura fina acicular ou grosseira do tipo Basket – weave. Estruturas em placas são resultado de resfriamento lento a partir do campo beta ou da temperatura alta no campo alfa + beta. Pode – se também encontrá-las em forjados onde o tamanho das placas dá uma idéia da temperatura de trabalho. A fase alfa primária é a fase alfa que permanece sem transformar ao contrário da fase alfa formada por transformação de beta. Se aquecemos a liga de titânio no campo alfa + beta quanto maior a temperatura menor a quantidade de alfa primária. Isso permite uma variação de propriedades mecânicas dentro de uma larga faixa. Alfa – linha ou alfa martensítica, é uma estrutura alfa supersaturada fora de equilíbrio. A aparência de agulhas da estrutura alfa – linha é semelhante à martensita dos aços mas difere no fato de reter a mesma estrutura da fase da qual se originou. Envelhecendo a fase alfa - linha induzimos a formação de fases alfa e beta em equilíbrio e um aumento em dureza e resistência. A fase alfa – linha envelhecida não pode ser distinguida da temperada através do microscópio ótico. A fase beta – intergranular, também é comumente encontrada em ligas comerciais de Ti do tipo alfa + beta. Uma estrutura importante no que diz respeito ao controle do tratamento térmico é a camada alfa saturada em gases que ocorrem nos tratamentos feitos ao ar. Resulta da grande afinidade do Ti principalmente por O2 ( estabilizador alfa ) e deve ser levado em conta as tolerâncias de partes submetidas àqueles tipos de tratamentos. Uma vez que a difusão do O2 em Ti é uma função do tempo e temperatura é desejável que se empregue tempos de aquecimento e temperaturas mínimas de trabalho a quente. Comentários Finais Uma rotina de controle metalográfico do Ti e suas ligas, foi estabelecida no que diz respeito a técnicas metalográficas e identificação das microestruturas mais freqüentes. A fase crítica de preparação da amostra para exame metalográfico está no corte e desbaste; as ligas alfa + beta se mostram menos sensíveis durante o lixamento, enquanto que as ligas alfa e o titânio não ligado exigem um menor cuidado. O lixamento mostrou de uma forma geral, menor distorção e maior eficiência quanto da utilização da lixa de carbeto de Si a úmido.
O polimento mecânico deve ser feito em duas etapas, na maior parte das ligas. Para as ligas com inclusões de carbonetos, consegue – se melhores resultados com abrasivo de alumina mais grosseira em uma só etapa de polimento, evitando o arrancamento das partículas de carbonetos. O ataque para revelar a estrutura geral mais eficiente foi a base de 10% HF e 5% de HNO3 em água. Embora a complexidade das transformações de fases envolvidas, a observação ao microscópio óptico envolve pouca variação qualitativa nas microestruturas. O conhecimento das mais importantes já fornece um importante meio de controle dos materiais e processos.
Bibliografia BAPTÍSTA, A. L. B. - Reagentes para Metalografia . EEIMVR / UFF. BAPTÍSTA, A. L. B. - Preparação de Amostras Metalográficas . EEIMVR / UFF FAZANO, C. A. T. V. - A Prática Metalográfica, Hemus Livraria Editora Ltda, São Paulo, 1980. OSADCHUK, KOSTER & KAHLES – Recomended Techniques for Polishing Ti for Metallographiq Examination , M. Progress, Oct. 1953. SEAGLE & BARTO – Physical Metallurgy and Metallography of Ti Alloys , Met. Eng. Quart. ASM, Aug. 1968. G. F. VANDER VOORT - Metallography: Principles and Practice, McGraw-Hill Book Co., New York, 1984. G.L. KEHL & M. METLAY - The Mechanism of Metallographic Etching, Journal of the Electrochemical Society, Vol 101, March 1954, p 124-127.
