Fundamentos e Aplicações de Materiais - Titânio

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TITÂNIO (TI)

Fundamentos e Aplicações de Materiais

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Resumo

        O titânio possui uma densidade baixa, um bom modulo elástico e um elevado ponto de fusão. As suas ligas bastante resistentes, que quando submetidos a ensaios de tração podem atingir valores de resistência à tração de 1370 MPa.

Existem várias ligas derivadas do titânio, ligas com diferentes propriedades dependendo da aplicação pretendida.

No dia a dia podemos ver muitas aplicações destas ligas que se destacam pela elevada resistência à corrosão, em temperatura ambiente, o que torna praticamente indestrutível ao contacto com a água do mar.

Recentemente estas ligas são usadas na área biomédica.

Introdução

O presente trabalho realizado no âmbito da disciplina de fundamentos e aplicações de materiais (1º ano do Curso Técnico Superior de Sistemas Mecatrónicos e de Produção), pretende explorar o elemento Titânio e as suas ligas.

Inicialmente irá ser apresentada uma descrição do titânio enquanto elemento químico. O titânio destaca-se por apresentar baixa densidade e boa resistência mecânica, assim prestem-se esclarecer neste trabalho, as propriedades mecânicas e propriedades físicas e químicas deste elemento tão único presente na nossa crosta terreste.

Existem várias ligas derivadas do titânio, ligas com diferentes propriedades dependendo da aplicação pretendida. As aplicações dessas ligas serão abordadas ao longo do trabalho.

No fim será apresentada uma breve conclusão a reter do trabalho desenvolvido.

Titânio (Ti)

Descrição

O titânio é um elemento químico designado de metal de transição e é o nono elemento mais abundante na crosta terreste, porém exige elevados custos para a sua extração. Simbolicamente é representado por Ti e foi descoberto por volta de 1791, mas explorado com maior relevância a partir da segunda guerra mundial.

O titânio puro à temperatura ambiente é solido e apresenta uma estrutura hexagonal compacta (HCP – fase alfa) mas que quando é submetido acima de 882 °C transforma-se numa estrutura cubica de corpo centrado (CCC - fase beta).

Situa-se no quarto grupo da tabela periódica, tem número atómico 22 e massa atómica 47.90. Distribuição eletrónica (22 Ti) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d2.

Propriedades Mecânicas

        O titânio comercialmente puro tem um módulo de elasticidade aproximadamente de 103 GPa, porém, nas suas ligas o módulo de elasticidade é mais alto e pode chegar aos 123GPa. Comparando com outras ligas as ligas de titânio possuem valores mais altos do que ligas de alumínio e magnésio (70 GPa e 43GPa), porém inferiores às ligas de aço (205 GPa).

A dureza Vickers do titânio puro varia entre 90 a 160 HV, dureza esta que pode ser maior, entre 250 e 500 HV, quando falamos em ligas de titânio termicamente tratadas. A tenacidade ao impacto do titânio e suas ligas é boa.

        O titânio comercialmente puro só por si apresenta tensões de limite de resistência à tração entre 240 e 690 MPa. Porém para melhorar essa resistência mecânica são adicionadas outras ligas como, alumínio, vanádio, crómio, ferro, manganês e estanho. Com isto as ligas de titânio podem apresentar valores de resistência à tração superiores a 1370 MPa e com boa ductilidade que pode ir até 15% de alongamento o que o torna fácil de ser trabalhado.

Propriedades Físicas e Químicas

• A maior vantagem do titânio é a sua baixa densidade (4.506 g/cm3), é 45% mais leve do que o aço e tão forte quanto ele.
• Oferece boa resistência à tração.
• É bastante resistente á corrosão a baixa temperatura, ou seja, é não oxidável até 480°C.
• Alto ponto de fusão (1668 °C), superior á do ferro (1538 °C).
• O titânio não é toxico e normalmente é biologicamente compatível com ossos e tecidos humanos.
• Não é bom condutor, se considerarmos a condutividade do cobre como 100% a do titânio seria 3.1%.
• Baixo coeficiente de expansão térmica.

Titânio Comercialmente Puro (CP) e suas ligas Alfa (α) e Beta (β)

        O titânio CP (99% a 99.05%) apresenta um pequeno teor de oxigénio residual que afeta a sua resistência mecânica, com limite de resistência à tração de até 485MPa.

A liga monofásica alfa possui baixa resistência mecânica, mas excelente resistência à oxidação em altas temperaturas. Esta liga advém da adição de estabilizadores da fase alfa, como o alumínio e o estanho. O estanho produz mais endurecimento por solução sólida, sem reduzir a ductilidade. A liga Ti-5Al-2.5Sn  corresponde a 25% do consumo mundial de ligas de titânio e tem uma tensão de rotura de 862MPa. Esta liga é usada em caixas de turbinas de gás, equipamento químico, industria de papel e celulose, petroquímica e naval.

As ligas bifásicas alfa-beta têm como principal função estabilizar a fase alfa. As ligas alfa sendo monofásicas não podem ser tratadas termicamente tornando-se difícil de aumentar a sua resistência mecânica e dureza. Para isso são adicionados certos elementos que permitem às ligas, no campo bifásico alfa-beta e em temperatura mais elevadas, serem tratadas.

As ligas alfa-beta têm melhor associação entre boa resistência mecânica e uma menor densidade. São utilizadas quando a resistência à temperatura elevada é necessária.

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