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Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Doutorado
Title: Phase transformations, microstructure and mechanical properties of new beta metastable Ti-Nb-Zr-Fe (TNZF) alloys for biomedical applications : Transformações de fase, microestrutura e propriedades mecânicas de novas ligas de titânio beta metaestáveis do sistema Ti-Nb-Zr-Fe (TNZF) para aplicação biomédica
Title Alternative: Transformações de fase, microestrutura e propriedades mecânicas de novas ligas de titânio beta metaestáveis do sistema Ti-Nb-Zr-Fe (TNZF) para aplicação biomédica
Author: Salvador, Camilo Augusto Fernandes, 1988-
Advisor: Caram Junior, Rubens, 1958-
Abstract: Resumo: A obtenção de ligas de titânio de baixo custo com elevada razão entre tensão de escoamento e módulo de elasticidade (EAS) é um dos grandes desafios na área de biomateriais estruturais. Neste estudo, nós respondemos à esse desafio em duas frentes. Inicialmente, exploramos o sistema Ti-Nb-Fe com o objetivo de encontrar composições otimizadas, que apresentassem um baixo módulo de elasticidade com um teor de Nb reduzido. Lingotes das ligas Ti-(31-4x)Nb-(1+0.5x)Fe foram preparados, enquanto o Nb foi sendo substituído por Fe, a partir da liga Ti-31Nb-1.0Fe até a liga Ti-11Nb-3.5Fe. As amostras foram solubilizadas e testadas sob três diferentes condições: resfriada em água, resfriada em forno e envelhecida (diversas temperaturas). As microestruturas resultantes foram analisadas por meio de difração de raios-X, calorimetria exploratória diferencial, microscopia eletrônica de varredura e de transmissão. Entre as ligas ternárias, a liga Ti-19Nb-2.5Fe foi a que apresentou a melhor combinação de resistência mecânica e módulo de elasticidade. As amostras envelhecidas revelaram dados interessantes sobre a formação e crescimento da fase alfa neste sistema durante o envelhecimento. Em geral, a formação de alfa se dá preferencialmente nos contornos de grão, mesmo em tratamentos isotérmicos de curta duração (1 min). Uma microestrutura composta de grãos de beta e fase alfa fina e dispersa foi obtida para a maioria das ligas através de envelhecimentos à 450 ºC. A segunda parte do projeto consistiu na exploração de ligas quaternárias Ti-Nb-Fe-Zr, com adições de 4 a 13% (peso) de Zr. Uma liga adicional, baseada na liga Ti-19Nb-2.5Fe, foi preparada com adição de 6% de Sn. Além de todo o trabalho de caracterização executado, ensaios de tração a temperatura ambiente comprovaram que ligas do sistema Ti-Nb-Fe-Zr podem atingir EAS próxima de 1,5, com boa ductilidade. As adições de Zr e Sn foram uteis na supressão da fase omega após resfriamento em água. Além disso, Zr e Sn são igualmente particionados entre matriz e precipitados durante o envelhecimento. Enquanto a difusão de Nb e Fe foi favorecida pelos contornos de grão, ela parece ser inibida na presença de Zr e Sn. Como consequência, adições de Sn resultam em uma maior resistência mecânica e precipitação de alfa mais refinada. Finalmente, um mapa de seleção de materiais é apresentado com o objetivo de ajudar futuros autores a comparar ligas de aplicação biomédica tendo como parâmetros a razão tensão-módulo (EAS) e o custo

Abstract: An open challenge on structural biomaterials is to obtain low-cost Ti-alloys with a high elastic admissible strain (the ratio of yield strength to elastic modulus). In this study, we addressed the presented challenge via two working directions. Firstly, we explored the Ti-Nb-Fe system to find an optimal, cost-effective composition with a compromise between a low elastic modulus and low added Nb contents. Ti-(31-4x)Nb-(1+0.5x)Fe ingots were prepared, and Nb was substituted with Fe, starting at Ti-31Nb-1.0Fe and going down to Ti-11Nb-3.5Fe (wt%). The samples were solution-treated and tested under three conditions: water-quenched, furnace-cooled and step-quenched to different temperatures. Resultant microstructures were analyzed with the aid of X-ray diffraction, differential scanning calorimetry, scanning, and transmission electron microscopy. Among the ternary alloys, Ti-19Nb-2.5Fe (wt. %) presented the best combination of mechanical strength and elastic modulus. The heat-treated samples provided useful insights into how the alpha-phase formation starts and develops in this system during aging. In general, alpha-phase precipitation starts at the grain boundaries, even after very short-time isothermal heat-treatments (1 min). Overall, an optimized microstructure composed of beta-grains and fine and dispersed alpha-phase was obtained for most of the experimental alloys after aging at 450 ºC. The second part of this project comprises the exploration of Ti-Nb-Fe-Ze quaternary alloys, with additions of 4-13 wt.% of Zr. One additional alloy, based on Ti-19Nb-2.5Fe, was prepared with additions of 6 wt.% of Sn. Beyond all the characterization work, tensile tests performed at room-temperature confirmed that Ti-Nb-Fe-Zr alloys could reach an elastic admissible strain close to 1.5, with relatively good ductility. Regarding the Zr and Sn additions, they helped suppress omega formation after water-quenching. Also, Zr and Sn were equally distributed between matrix and precipitates during aging. While the diffusion of Nb and Fe were enhanced via grain-boundaries, they seemed to be inhibited by the presence of Zr and Sn. As a result, these elements allow higher yield-strengths and more refined secondary ?-phase. In the end, a materials selection chart is presented to help future researchers to compare materials for orthopedic implants considering the elastic admissible strain and cost as significant guidelines
Subject: Ligas de titânio
Biomateriais
Tratamento térmico
Transformações de fase (Física estatística)
Mecânica
Language: Multilíngua
Editor: [s.n.]
Citation: SALVADOR, Camilo Augusto Fernandes. Phase transformations, microstructure and mechanical properties of new beta metastable Ti-Nb-Zr-Fe (TNZF) alloys for biomedical applications: Transformações de fase, microestrutura e propriedades mecânicas de novas ligas de titânio beta metaestáveis do sistema Ti-Nb-Zr-Fe (TNZF) para aplicação biomédica. 2019. 1 recurso online ( 154 p.) Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, SP.
Date Issue: 2019
Appears in Collections:FEM - Tese e Dissertação

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