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André Filipe Ferreira Oliveira

Comportamento Tribológico de Biocompósitosde Matriz de Titânio

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Universidade do MinhoEscola de Engenharia

outubro de 2015

Dissertação de MestradoCiclo de Estudos Integrados Conducentes aoGrau de Mestre em Engenharia de Materiais

Trabalho efectuado sob a orientação doProfessor Fatih Toptan

André Filipe Ferreira Oliveira

Comportamento Tribológico de Biocompósitosde Matriz de Titânio

Universidade do MinhoEscola de Engenharia

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Esta tese é dedicada aos meus pais, à minha irmã e sobrinhas…

É também dedicada à minha namorada…

Universidade do Minho – Comportamento Tribológico de Biocompósitos de Matriz de Titânio | v

Agradecimentos

Em primeiro lugar, quero manifestar o meu especial agradecimento ao professor Fatih

Toptan, por toda a orientação, apoio, disponibilidade, paciência e dedicação demonstrada

durante toda a realização da minha dissertação de mestrado.

À engenheira Alexandra Alves, o meu muito obrigado por toda a disponibilidade e apoio

durante toda a dissertação, mas especialmente em relação à técnica de perfilometria.

À professora Ana Maria Pinto, o meu agradecimento pela total disponibilidade em

relação ao esclarecimento de dúvidas que foram surgindo durante a realização da dissertação.

Ao Professor Pierre Ponthiaux, o meu agradecimento por permitir a utilização do

perfilómetro, bem como, de todos os conselhos e comentários dados na compreensão dos

resultados desta dissertação.

Ao professor José Gomes, o meu agradecimento por permitir a utilização do tribómetro,

equipamento essencial no desenvolvimento da minha tese.

Ao engenheiro Sérgio Carvalho, o meu obrigado pela disponibilidade em esclarecer

dúvidas relacionadas com a utilização do tribómetro.

Ao Professor Carlos Teixeira, o meu agradecimento, por facultar a utilização do

equipamento de difração a laser.

Aos meus colegas de laboratório e amigos, o meu muito obrigado pelo incentivo, pelas

palavras certas no momento certo e também pelos momentos de descontração quando

necessário.

À minha namorada, o meu muito obrigado por toda a ajuda, paciência, incentivo,

dedicação e por nunca me ter deixado desistir.

Por fim, mas não menos importante, o meu agradecimento muito especial aos meus

pais e irmã por todo o apoio e incentivo durante todos estes anos, mas principalmente por

acreditarem em mim nos momentos em que eu próprio duvidei.

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Título

Comportamento Tribológico de Biocompósitos de Matriz de Titânio

Resumo

O titânio é um dos materiais mais usados em implantes biomédicos, devido às suas

propriedades mecânicas, resistência à corrosão e biocompatibilidade. No entanto, o titânio

apresenta algumas desvantagens, sendo que, a mais relevante é a baixa resistência ao desgaste.

Devido a esse facto, existe libertação de produtos de desgaste e de iões metálicos para o corpo

humano, que pode provocar infeções, levando à falha do implante. Os compósitos de matriz de

titânio surgem como um método eficaz para melhorar a resistência ao desgaste do titânio.

Quando uma carga é aplicada, essa carga é transferida da matriz para as partículas de reforço

através da interface, fazendo com que as partículas duras suportem a carga aplicada, levando a

um aumento da dureza e da resistência ao desgaste dos compósitos relativamente ao material

não reforçado.

O presente trabalho tem como principal objetivo melhorar as propriedades tribológicas

do titânio. Para isso, foram processados compósitos de matriz de Ti reforçados com Al2O3 através

da técnica de metalurgia dos pós. De maneira a avaliar as propriedades tribológicas, foram

efetuados testes de desgaste em regime alternativo, numa solução com a constituição de 0,9%

em peso de NaCl. O efeito da adição de partículas de Al2O3, carga normal, frequência e tempo de

deslizamento no comportamento ao desgaste, para o titânio e para o compósito, foi estudado

usando o método 24 full factorial design. A influência dos fatores e das duplas interações nos

valores médios da largura das pistas de desgaste e no volume de desgaste foram estudados. Os

resultados mostram que foi formada uma zona de reação entre a matriz e o reforço, contendo os

compostos Ti3Al e TiAl, indicando uma boa ligação na interface. Da análise estatística ao

comportamento ao desgaste é possível concluir que, os fatores mais importantes na largura das

pistas de desgaste são a carga normal e a frequência. Relativamente ao volume de desgaste, os

fatores mais importantes são a carga normal e a frequência, sendo que, a interação entre o

volume de reforço e a carga normal é também estatisticamente significativa. Através da

caracterização microestrutural, química e topográfica das superfícies desgastadas, conclui-se

que os mecanismos de desgaste presentes no sistema são uma combinação de desgaste por

abrasão, adesão e triboquímico. A fragmentação das partículas de reforço durante o

viii | Universidade do Minho – Comportamento Tribológico de Biocompósitos de Matriz de Titânio

deslizamento, foi considerado o fator chave para a não obtenção de uma melhoria

estatisticamente significativa, na resistência ao desgaste do titânio após a adição das partículas

de Al2O3.

Universidade do Minho – Comportamento Tribológico de Biocompósitos de Matriz de Titânio | ix

Title

Tribological Behaviour of Titanium Based Biocomposites

Abstract

Titanium is one the most widely used material for biomedical applications due to their

mechanical properties, corrosion and biocompatibility. However, titanium has some

disadvantages, the most important is the low wear resistance. Due to this fact, there is release of

wear products and metal ions which can cause infections leading to implant failure. Reinforcing

titanium with hard ceramic phases appears as a method to improve wear resistance of

monolithic titanium. When a load is applied, this load is transferred from the matrix to the

reinforcing particles through the interface. In this process the hard particles support the applied

load, which result in increased hardness and also increased wear resistance on the composite as

compared to the unreinforced material.

This work aimed to improve the tribological properties of titanium. Titanium based

composites reinforced with Al2O3 particles were processed by powder metallurgy. Tribological

behavior of the composites was investigated by reciprocating wear tests in 0.9%Wt of NaCl

solution. The effect of Al2O3 particle addition, normal load, frequency and sliding time in the wear

behavior for titanium and the composite was studied using 24 full factorial design method. The

influence of factors and double interactions in the average values of the thickness of the wear

track and the wear volume were studied. Results showed that a reaction zone is formed between

the matrix and the reinforcement containing Ti3Al and TiAl compounds, which is indicative of a

good bonding on the interface. By the statistical analysis of the wear behavior it can be suggested

that the most important factors in the thickness of the wear tracks are the normal load and

frequency. Regarding the wear volume, the most important factors are the normal load and

frequency, moreover the interaction between the reinforcement volume and normal load is also

statistically significant. By the microstructural, chemical and topographical characterization of

worn surfaces, it is concluded that the wear mechanisms presents in the system are a

combination of abrasive wear, adhesive wear and tribochemical wear. The fragmentation of the

reinforcement particles during sliding was considered as the key factor for not obtaining a

statistically significant improvement on the wear resistance of titanium after Al2O3 particle

addition.

Universidade do Minho – Comportamento Tribológico de Biocompósitos de Matriz de Titânio |xi

Índice

Agradecimentos ............................................................................................................................... v

Resumo .......................................................................................................................................... vii

Abstract ........................................................................................................................................... ix

Índice .............................................................................................................................................. xi

Índice de figuras ............................................................................................................................. xiii

Índice de tabelas ............................................................................................................................. xv

Abreviaturas .................................................................................................................................. xvii

Introdução geral ............................................................................................................................... 1

Motivação e Objetivos ....................................................................................................................... 3

Capítulo 1 – Implantes Biomédicos .................................................................................................... 5

1.1. Problemas dos Implantes Biomédicos ................................................................................ 6

1.2. Biomateriais Metálicos ...................................................................................................... 7

1.2.1. Titânio ..................................................................................................................... 9

Capítulo 2 – Compósitos de Matriz de Titânio ................................................................................... 13

2.1. Reforços ........................................................................................................................ 13

2.1.1. Alumina ................................................................................................................. 14

2.2. Sistema Ti–Al2O3 ............................................................................................................. 15

2.3. Técnicas de Processamento ............................................................................................ 17

2.4. Desgaste em Compósitos de Matriz de Titânio .................................................................. 18

Capítulo 3 – Materiais e Métodos ..................................................................................................... 23

3.1. Materiais........................................................................................................................ 23

3.2.1. Processamento ...................................................................................................... 24

3.2.2. Caracterização Microestrutural, Química e Física ....................................................... 25

3.2.3. Ensaios de Desgaste ............................................................................................... 26

3.2.4. Planeamento dos Ensaios de Desgaste ..................................................................... 28

Capítulo 4 – Resultados e Discussão ................................................................................................ 31

4.1. Caracterização dos Pós e da Mistura de Pós ..................................................................... 31

4.2. Caracterização das Amostras........................................................................................... 34

4.3. Comportamento ao Desgaste .......................................................................................... 38

4.3.1. Caracterização das Superfícies Desgastadas ............................................................. 43

Conclusão ...................................................................................................................................... 55

Trabalhos Futuros .......................................................................................................................... 57

Referências .................................................................................................................................... 59

Universidade do Minho – Comportamento Tribológico de Biocompósitos de Matriz de Titânio | xiii

Índice de figuras

Figura 1 - Implantes da anca, joelho e dentários (adaptado de [1,9]). ................................................... 5

Figura 2 - Desgaste no implante (adaptado de [1,14]). ........................................................................ 6

Figura 3 - Desgaste no implante (adaptado de [15]). ........................................................................... 7

Figura 4 - Diagrama de Ashby do módulo de Young versus a densidade (adaptado de [18]) .................... 8

Figura 5 - Diagrama de fase do sistema Ti-Al-O a 1100 °C [47]. ......................................................... 16

Figura 6 - Zona de reação entre a matriz e o reforço [52]. .................................................................. 16

Figura 7 - Etapas na técnica de metalurgia dos pós (adaptado de [57]). .............................................. 18

Figura 8 - Esquema representativo do desgaste por adesão (adaptado de [66]). .................................. 20

Figura 9 - Esquema representativo do desgaste por abrasão a dois corpos (adaptado de [66]). ............. 20

Figura 10 - Esquema do desgaste por abrasão a três corpos (adaptado de [32]). ................................. 21

Figura 11 - Esquema do desgaste oxidativo (adaptado de [66]). ......................................................... 21

Figura 12 - Fluxograma da metodologia usada ao longo do trabalho. .................................................. 23

Figura 13 - Ciclo térmico para a remoção do ligante. ......................................................................... 24

Figura 14 - Ciclo de sinterização. ..................................................................................................... 25

Figura 15 - Esquema de um ensaio de desgaste. .............................................................................. 26

Figura 16 - Modelo estimado de uma pista de desgaste, usado para calcular o volume de desgaste. As

linhas a, b e c, indicam as linhas dos perfis 2D [70]. ......................................................................... 27

Figura 17 - Imagem de MEV dos pós de Ti. ....................................................................................... 31

Figura 18 - Espectro EDS dos pós de Ti. ........................................................................................... 31

Figura 19 - Espectro de DRX dos pós de Ti (Carta ICDD/JCPDS do composto: Ti 44-1294). ................. 32

Figura 20 - Imagem de MEV dos pós de Al2O3. ................................................................................... 32

Figura 21 - Espectro EDS dos pós de Al2O3. ....................................................................................... 32

Figura 22 - Espectro de DRX dos pós de Al2O3 (Carta ICDD/JCPDS do composto: Al2O3 81-1667). ......... 33

Figura 23 - Taxa de contração em função da temperatura para os pós de Ti [69]. ................................ 33

Figura 24 - Imagens de microscópio ótico de a) titânio, b) compósito com 5% de reforço e c) compósito

com 10% de reforço. ....................................................................................................................... 34

Figura 25 - Imagem de MEV do compósito com 5% de reforço e os respetivos espectros de EDS em zonas

distintas. ........................................................................................................................................ 35

Figura 26 - Imagem de MEV da zona de reação formada entre a matriz e o reforço e os respetivos

espectros de EDS. .......................................................................................................................... 36

Figura 27 - Espectro de DRX das amostras de compósito e de titânio (Cartas ICDD/JCPDS dos

compostos: Ti 44-1294; Al2O3 81-1667; Ti3Al 52-0859; TiAl 72-5004; Ti6O 72-1471; Ti3O 73-1583). ...... 37

Figura 28 - Gráfico da probabilidade normal para a largura das pistas de desgaste. ............................. 39

xiv | Universidade do Minho – Comportamento Tribológico de Biocompósitos de Matriz de Titânio

Figura 29 - Gráfico dos principais fatores na largura das pistas de desgaste. ....................................... 39

Figura 30 - Gráfico da probabilidade normal para o volume de desgaste. ............................................ 41

Figura 31 - Gráfico dos principais fatores no volume de desgaste. ...................................................... 41

Figura 32 - Gráficos da evolução do coeficiente de atrito com o tempo para as diferentes condições. .... 43

Figura 33 - Perfis 3D das pistas de desgaste. .................................................................................... 44

Figura 34 - Perfis 2D das pistas de desgaste. .................................................................................... 45

Figura 35 - Imagens de MEV das pistas de desgaste do titânio e do compósito para as duas condições. 46

Figura 36 - Imagem de MEV da pista de desgaste do titânio e o respetivo espetro de EDS para as

condições menos severas. .............................................................................................................. 47

Figura 37 - Imagens de MEV com maior ampliação das pistas de desgaste do titânio e do compósito para

as duas condições. ......................................................................................................................... 48

Figura 38 - Imagens de MEV das superfícies do contra corpo desgastadas, usado nas amostras de titânio

e de compósito para as diferentes condições e os respetivos espectros de EDS. .................................. 49

Universidade do Minho – Comportamento Tribológico de Biocompósitos de Matriz de Titânio | xv

Índice de tabelas

Tabela 1 - Propriedades de materiais usados em implantes [1,19–23]. ................................................ 9

Tabela 2 - Propriedades de alguns reforços usados em CMT e do Ti [38,39]. ...................................... 14

Tabela 3 - Parâmetros usados nos ensaios de desgaste. .................................................................... 26

Tabela 4 - Fatores e os seus níveis escolhidos para o método 24 full factorial design. ........................... 28

Tabela 5 - Plano dos ensaios de desgaste. ........................................................................................ 29

Tabela 6 - Plano dos ensaios de desgaste e os resultados. ................................................................. 38

Tabela 7 - Tabela ANOVA para a largura das pistas de desgaste. ........................................................ 40

Tabela 8 - Tabela ANOVA para o volume de desgaste. ....................................................................... 42

Universidade do Minho – Comportamento Tribológico de Biocompósitos de Matriz de Titânio | xvii

Abreviaturas

ATD – TG Analise Térmica Diferencial e Termogravimétrica

CET Coeficiente de Expansão Térmica

CMM Compósitos de Matriz Metálica

CMT Compósitos de Matriz de Titânio

DRX Difração de Raios - X

EDS Espectroscopia de Dispersão de Energia

FEG-SEM Field Emission Gun Scanning Electron Microscope

HV Dureza de Vickers

kN KiloNewton

MO Microscópio Ótico

MP Metalurgia dos Pós

MPa MegaPascal

MEV Microscópio Eletrónico de Varrimento

PVA Álcool Polivinílico

Universidade do Minho – Comportamento Tribológico de Biocompósitos de Matriz de Titânio | 1

Introdução Geral

A qualidade de vida é um fator preponderante no dia-a-dia de qualquer pessoa, sendo

que, um dos aspetos que afeta drasticamente esse bem-estar é a dificuldade na mobilidade.

Com o passar dos anos a dificuldade na mobilidade vai-se agravando, havendo muitas vezes a

necessidade de substituir as articulações naturais por artificiais (implantes). Com o aumento da

esperança média de vida, os implantes ganham uma maior importância na sociedade [1].

Por outro lado, o rápido crescimento da população mundial tem contribuído para um

aumento na procura de implantes, com o objetivo de resolver problemas causados por acidentes

e pela disfunção óssea, provocada por doenças como artrites e cancro. No entanto, reparar ou

substituir o tecido ósseo é um grande desafio, devido às estruturas únicas e propriedades

mecânicas dos tecidos naturais [2].

Um dos materiais mais usados em implantes é o titânio, devido às suas propriedades

mecânicas, resistência à corrosão e biocompatibilidade [3]. O titânio apresenta, no entanto,

algumas desvantagens, sendo que, a mais relevante é a baixa resistência ao desgaste. Devido a

esse facto, existe libertação de produtos de desgaste e de iões metálicos que podem provocar

infeções, levando à falha do implante [4].

Existem alguns processos que permitem melhorar a resistência ao desgaste do titânio,

tais como, as modificações de superfície, os revestimentos e os compósitos de matriz de titânio,

no entanto todos eles apresentam as suas vantagens e limitações. A adição de partículas duras

numa matriz de titânio é um método efetivo para melhorar a resistência ao desgaste. As

partículas provocam o endurecimento da matriz, o que leva a um aumento na dureza e na

resistência ao desgaste dos compósitos relativamente ao material não reforçado [5].

A utilização de compósitos de matriz metálica tem atraído uma atenção considerável

devido a fatores como o custo relativamente baixo e a obtenção de propriedades isotrópicas,

especialmente quando são produzidos através da técnica de metalurgia dos pós. Com os CMMs

podem-se obter propriedades físicas e mecânicas, tais como, elevada resistência mecânica, que

fazem com que este tipo de materiais seja atrativo para aplicações biomédicas [6].

Os implantes biomédicos atualmente continuam a apresentar alguns problemas, como

por exemplo a libertação de produtos de desgaste, assim sendo, a motivação deste trabalho

passa por tentar melhorar a resistência ao desgaste do Ti, através do processamento de

compósitos de matriz de Ti reforçados com partículas de Al2O3.


Motivação e Objetivos

O titânio é um material com baixa resistência ao desgaste, devido a esse facto existe

libertação de produtos de desgaste para o corpo humano, o que pode provocar reações

adversas. O aumento da resistência ao desgaste leva a que haja uma diminuição de partículas

de desgaste, fator que é bastante importante para evitar doenças e infeções.

O presente trabalho tem como principal objetivo melhorar as propriedades tribológicas

do titânio, mais precisamente a resistência ao desgaste. Para isso, foram processados

compósitos de matriz de Ti reforçados com Al2O3, para aplicação em implantes ortopédicos e

dentários, através da técnica de metalurgia dos pós. Posteriormente foi realizada a

caracterização microestrutural e química. Para avaliar as propriedades tribológicas, foram

efetuados testes de desgaste em solução, com a constituição de 0,9% em peso de NaCl.


Capítulo 1 – Implantes Biomédicos Com o passar do tempo, as articulações humanas sofrem de doenças degenerativas,

como osteoartrite (inflamação das articulações ósseas), osteoporose (enfraquecimento dos

ossos) e traumas, o que resulta em dor e/ou perda de função. As doenças degenerativas levam

à degradação das propriedades mecânicas do osso, em consequência de cargas excessivas ou

de ausência de processos naturais de auto-regeneração. Estima-se que cerca de 90% da

população com idade superior a 40 anos sofre de doenças degenerativas e num passado

recente tem-se verificado um aumento exponencial da população envelhecida [1,7].

Os implantes biomédicos apresentam-se como solução para minimizar este problema,

uma vez que, a sua implantação de forma adequada, ajuda a restaurar a função das estruturas

enfraquecidas. O uso de articulações artificiais reduz a dor, melhora a função das estruturas e

por consequência, a qualidade de vida [1,8]. Os implantes biomédicos podem ser usados em

diferentes partes do corpo humano, tais como, anca, joelhos, estruturas ortodentárias, entre

outros, como está representado na figura 1 [1].

Figura 1 - Implantes da anca, joelho e dentários (adaptado de [1,9]).

Relativamente aos implantes da anca, estima-se que até ao final de 2030, o número de

cirurgias de substituição das articulações irá ter um aumento de 174%, enquanto, em implantes

do joelho o número de cirurgias aumentará em 673%. O aumento não se verifica apenas nas

cirurgias de substituição, também é válido para as cirurgias de revisão nos implantes da anca e

joelho. A cirurgia de revisão não só é mais cara, como a sua taxa de sucesso é menor em

comparação com o primeiro implante, para além disso, este tipo de cirurgia provoca dor para o

paciente [1]. O implante deve permanecer intacto por um longo período de tempo, isto é, um

período mínimo de serviço de 15 a 20 anos em pacientes mais velhos e mais de 20 anos para

pacientes mais jovens. Os implantes usados atualmente, embora funcionem corretamente no

sistema humano, falham entre um período de 12 a 15 anos, sendo, por isso, necessário realizar

6 | Universidade do Minho – Comportamento Tribológico de Biocompósitos de Matriz de Titânio

uma cirurgia de revisão com o intuito de recuperar a funcionalidade do sistema [10]. Devido aos

fatos acima referidos, a procura de novos implantes com um maior tempo de vida útil ganha

uma importância acrescida [1,11].

1.1. Problemas dos Implantes Biomédicos

O sucesso dos implantes biomédicos depende fundamentalmente de três fatores. O

primeiro fator diz respeito à biocompatibilidade do biomaterial, o segundo fator são as

propriedades (mecânicas, químicas e tribológicas) do biomaterial em questão, o último fator está

relacionado com o estado de saúde do recetor e da competência da cirurgia. Os implantes

encontram diferentes ambientes biológicos no interior do corpo humano, onde as interações de

natureza físico-química entre o implante, tecidos e osso tornam-se um problema complexo [10].

Os implantes apresentam vários problemas, tais como, a diferença do módulo de Young

entre o osso e o implante metálico (o que pode causar o efeito de stress shielding) e a libertação

de iões metálicos e produtos de desgaste para o corpo humano [1,2]. A libertação de iões

metálicos e produtos de desgaste para o corpo humano deve-se à baixa resistência ao desgaste

dos implantes e pode provocar reações tóxicas e alérgicas nos tecidos onde são depositados

[1,12]. Na figura 2 apenas está representado o desgaste no implante, entre a cup polimérica e a

cabeça cerâmica, no entanto, o desgaste existe em várias outras partes do implante. Os

produtos de desgaste gerados nos implantes provocam uma resposta inflamatória dos

osteoclastos, macrófagos e células dendríticas do tecido humano. A osteólise (reabsorção óssea)

resulta na inflamação dos tecidos ósseos, acabando por conduzir à perda do implante [1,13].

Figura 2 - Desgaste no implante (adaptado de [1,14]).


A perda de ligação entre o osso e o implante leva a que o implante tenha de ser

substituído por um novo. A cirurgia de revisão não só é mais cara, como a sua taxa de sucesso é

menor em comparação com o primeiro implante. Para além da falha do implante, a libertação

de produtos de desgaste para o corpo humano pode causar a inflamação dos tecidos, o que

pode provocar doenças, tal como está representado na figura 3.

Figura 3 - Desgaste no implante (adaptado de [15]).

O período de serviço de um implante é principalmente determinado pela sua resistência

ao desgaste, assim, o desenvolvimento de implantes com elevada resistência ao desgaste é de

extrema importância para a longevidade do material no sistema humano. Tendo em conta estes

fatores, é necessário encontrar soluções para reduzir os problemas relacionados com os

implantes [1,13].

1.2. Biomateriais Metálicos

Os implantes biomédicos são constituídos por biomateriais e estes são materiais

artificiais ou naturais, usados na produção de estruturas, para substituir estruturas biológicas

doentes ou perdidas de maneira a restaurar a sua forma e função. Assim, os biomateriais

ajudam a melhorar a qualidade de vida e longevidade dos seres humanos [1]. Os materiais

usados em implantes devem possuir algumas propriedades determinantes para o seu sucesso,

entre as quais, excelente biocompatibilidade, resistência à corrosão em condições verificadas no

corpo humano, combinação entre elevada resistência mecânica e baixo módulo de Young,

elevada resistência ao desgaste e à fadiga e elevada ductilidade [1].

O requisito mais importante na escolha de um biomaterial é a sua aceitação por parte

do corpo humano [10]. O material a ser implantado não deve causar efeitos adversos, como por


exemplo, inflamações ou alergias quer imediatamente após a cirurgia, quer após a sua

implantação [1,10]. Atualmente têm sido desenvolvidos um grande número de biomateriais

compostos por elementos não tóxicos e antialérgicos [1,16]. Existem também propriedades

fundamentais que devem ser consideradas, como a resistência mecânica, que deve ser a

suficiente para suportar as tensões a que o implante está sujeito, a elevada resistência à

corrosão e ao desgaste num ambiente corrosivo onde os materiais são submetidos a cargas

estáticas e repetitivas [10,16]. A dureza do biomaterial desempenha também um papel

importante, uma vez que, nos dá uma indicação da resistência à deformação plástica local [16].

O desafio passa então por criar biomateriais que possuam propriedades

correspondentes às propriedades mecânicas do osso humano [17]. Como é possível visualizar

através do diagrama de Ashby, presente na figura 4, onde está relacionado o módulo de Young e

a densidade de diversos materiais, os biomateriais metálicos atualmente utilizados na produção

de implantes apresentam, ainda, uma maior densidade e módulo de Young quando comparados

com o osso cortical e o osso esponjoso [18].

Figura 4 - Diagrama de Ashby do módulo de Young versus a densidade (adaptado de [18])

Existem vários tipos de materiais que têm sido largamente utilizados na produção de

implantes biomédicos, tais como metais, ligas metálicas, cerâmicos, polímeros e compósitos

[10]. No entanto, os metais e as ligas metálicas são de longe os materiais mais usados em

procedimentos cirúrgicos [19]. Dentro destes, os materiais que mais se destacam são o aço

inoxidável, as ligas de cobalto-crómio-molibdénio e o titânio e as suas ligas [16]. Na tabela 1

podem ser vistas algumas propriedades destes materiais.


Tabela 1 - Propriedades de materiais usados em implantes [1,19–23].

Materiais Ti Ti6Al4V CoCrMo Aço Inoxidável

316L

Resistência à

Tração (MPa) 345 1000 690 650

Tensão de

Cedência (MPa) 280 970 490 280

Densidade

(g/cm3) 4,5 4,5 8,3 7,9

Módulo de Young

(GPa) 110 112 240 210

Dureza Vickers 150 339 325 190

1.2.1. Titânio

Desde meados dos anos de 1940, o titânio e as suas ligas têm sido amplamente

utilizados em aplicações biomédicas, muito devido às suas propriedades mecânicas,

biocompatibilidade e elevada resistência à corrosão [2,24]. Mais de 1000 toneladas de

dispositivos à base de titânio são implantadas em pacientes em todo o mundo, todos os anos.

Foi estabelecido que o titânio é completamente inerte e imune à corrosão em todos os fluidos e

tecidos do corpo humano, sendo, por isso biocompatível [10]. O titânio e as suas ligas ganham

destaque relativamente a outros metais e ligas metálicas devido à sua baixa densidade e

também pelo seu baixo módulo de Young. A diferença entre os módulos de Young do osso e do

implante metálico deve ser a menor possível, de maneira a minimizar o efeito stress shielding,

efeito esse, que pode levar à falha do implante [1,10].

A desvantagem mais significativa do titânio é a sua baixa resistência ao desgaste, o que

pode levar a uma falha prematura do implante [1]. Este mau comportamento tribológico pode

ser atribuído aos baixos valores de dureza e aos valores absolutos de resistência à tração e corte

do titânio e das suas ligas [5]. Quando o implante está em contacto direto com o tecido ósseo,

não é só exposto a solicitações mecânicas, mas também é afetado por líquido extracelular,

proteínas e fluídos corporais. Esta exposição pode resultar numa libertação lenta, mas contínua

de iões metálicos para o corpo humano. Depois de anos de libertação contínua, estes iões

metálicos podem causar reações adversas [25].


O Ti6Al4V ou Ti64 é a liga de titânio mais frequentemente aplicada em implantes

biomédicos [26]. No entanto, o desempenho a longo prazo desta liga tem suscitado algumas

preocupações, devido à libertação de alumínio e vanádio. Os iões de alumínio e vanádio

libertados a partir da liga podem provocar problemas de saúde a longo prazo, entre os quais,

doenças de Alzheimer e neuropatia. Para além disso, o vanádio é também tóxico tanto no estado

elementar como no estado de óxido (V2O5) [1,10].

É então fundamental melhorar a resistência ao desgaste do titânio de modo a aumentar

a fiabilidade e a longevidade do implante no corpo humano.

1.2.1.1. Processos para melhorar a resistência ao desgaste do titânio

Existem fundamentalmente três processos que permitem melhorar a resistência ao

desgaste do titânio, sendo eles, as modificações de superfície, os revestimentos e os compósitos

de matriz de titânio [8,27].

As modificações de superfícies e os revestimentos são processos eficazes para melhorar

a resistência ao desgaste do titânio, estes processos melhoram as propriedades de superfície do

substrato, não alterando o material de base. Os processos em questão podem atuar como uma

barreira eficaz para minimizar a libertação de iões metálicos. Estes aumentam a dureza e em

conjunto com um excelente acabamento superficial, provocam a redução do atrito e da taxa de

desgaste. Se o revestimento possuir elevada rugosidade, irá provocar abrasão e um desgaste

rápido da superfície oposta [1,8].

No entanto as modificações de superfícies e os revestimentos apresentam limitações

que podem levar à perda das propriedades pretendidas. A estabilidade e a durabilidade são

fatores cruciais para o seu sucesso, posto isto, algumas das limitações das modificações de

superfície e dos revestimentos estão relacionadas com uma má adesão, delaminação e

microfissuras no revestimento, que podem resultar na sua falha prematura. A adesão do

revestimento é a capacidade deste resistir à falha interfacial, é por isso essencial, uma boa

adesão ao substrato na maior parte das aplicações de materiais revestidos [8,28,29].

É também necessário ter em conta algumas propriedades mecânicas do revestimento,

decisivas para o sucesso dos dois processos em questão, sendo elas, a dureza, o módulo de

Young e a tenacidade. De um modo geral, a resistência ao desgaste está diretamente ligada à

dureza, relativamente ao desgaste por abrasão entre dois corpos. A tenacidade é importante

porque nos dá informação da capacidade do substrato e do revestimento suportarem

deformações em tração ou compressão, sem haver iniciação e/ou propagação de fissuras [28].


Na literatura é possível encontrar vários estudos que comprovam que as limitações

acima referidas podem ser prejudiciais, relativamente às propriedades pretendidas para o

compósito. Alves et al. [24] estudaram o comportamento à tribocorrosão em superfícies de

titânio anodizadas. Os autores compararam o comportamento à tribocorrosão do titânio não

anodizado, com dois grupos de amostras anodizadas, com uma mistura de 0.15M e 0.35M de

acetato de cálcio, mantendo constante a concentração de ß-glicerofosfato a 0.04M. Os autores

verificaram que, em relação ao comportamento eletroquímico durante o deslizamento, houve

uma diminuição na tendência para a corrosão nas amostras anodizadas, devido à presença do

filme anódico. Relativamente à tribocorrosão, os autores concluíram que, as amostras

anodizadas com 0.35M, apresentam o melhor comportamento. No entanto, as amostras

anodizadas com 0.15M, após vários ciclos de deslizamento o filme anódico é desgastado e

provoca um maior desgaste em comparação com o titânio não anodizado, para as mesmas

condições de ensaio.

Arslan et al. [30] estudaram a resistência ao desgaste e adesão em revestimentos

duplex, depositados numa liga de titânio (Ti6Al4V). Os autores verificaram que o revestimento de

carbono-diamante (DLC) falhou antes da conclusão do teste de desgaste. Os resultados indicam

que a falta de adesão e a incapacidade em suportar a carga aplicada se deve a

incompatibilidades mecânicas entre o substrato e o revestimento.

Num outro estudo, Sathish et al. [31] avaliaram o comportamento ao desgaste em

revestimentos nanocerâmicos, depositados numa liga de titânio (Ti13Nb13Zr). Os autores

concluíram que o revestimento de zircónia estabilizada com ítria (YSZ), não apresentou

melhorias em termos de resistência ao desgaste, devido à presença de fissuras geradas no

processo de formação do revestimento. As fissuras observadas no revestimento levaram a uma

remoção fácil e completa do revestimento.

A adição de partículas duras em compósitos de matriz de titânio é um método eficaz

para aumentar a resistência ao desgaste. Quando uma carga é aplicada, essa carga é transferida

da matriz para as partículas de reforço através da interface, fazendo com que as partículas duras

suportem a carga aplicada. Para além disso, as partículas provocam o endurecimento da matriz,

levando a um aumento da dureza e da resistência ao desgaste do material relativamente à

matriz sem reforço [5].


Capítulo 2 – Compósitos de Matriz

de Titânio Nas últimas décadas os compósitos de matriz metálica tem sido extensamente

estudados, com o intuito de obter melhores propriedades mecânicas e tribológicas, com

densidade inferior. Os diversos estudos realizados permitiram grandes desenvolvimentos, que

fazem com que estes tipos de materiais possam ser aplicados nas mais diversas áreas como a

indústria automóvel, aeroespacial, entre outras [32]. Os materiais compósitos possuem duas

fases quimicamente distintas (matriz e reforço), que estão distribuídas de maneira a terem

propriedades que não são alcançáveis por cada uma das fases individualmente. Este tipo de

materiais combina dois ou mais materiais distintos e possui uma interface reconhecível [33].

Os materiais compósitos de matriz de titânio possuem diversas vantagens quando

comparados com o material monolítico, entre as quais, elevada resistência mecânica, elevada

resistência a altas temperaturas e melhor resistência ao desgaste [34]. Os materiais compósitos

podem ser classificados de acordo com a morfologia dos reforços, isto é, fibras, partículas e

compósitos laminados. Os compósitos reforçados com partículas têm um custo relativamente

baixo, melhor resistência ao desgaste e possuem propriedades isotrópicas em comparação com

os compósitos reforçados com fibras [33,35].

No entanto, é necessário ter em atenção alguns pontos críticos, de maneira a não perder

as propriedades desejadas. Sabe-se que as propriedades dos compósitos de matriz metálica

estão dependentes do tamanho e da fração de volume dos reforços, assim como da natureza

das interfaces entre a matriz e o reforço. As reações na interface devem permitir uma boa

ligação entre a matriz e o reforço. É também fundamental assegurar uma distribuição

homogénea das partículas de reforço na matriz, assim como evitar a aglomeração das mesmas,

de modo a garantir uma uniformidade nas propriedades do compósito [36,37].

2.1. Reforços

Os reforços em compósitos de matriz de titânio podem ser usados sob a forma de fibras

contínuas, fibras curtas, whiskers ou partículas [33]. Os reforços selecionados devem ser

termodinamicamente estáveis e compatíveis com a matriz. Estes dois fatores são importantes,

não só para a aplicação final, mas também durante a sua produção [35]. As partículas de

reforço devem possuir vários requisitos de maneira a melhorar as propriedades dos compósitos,


tais como, baixa densidade, compatibilidade química, estabilidade térmica, elevada resistência à

tração e compressão, boa processabilidade e baixo custo. As partículas de reforço podem ser

vários tipos de óxidos, carbonetos, nitretos e boretos, como por exemplo, Al2O3, TiO2, TiC, TiN e

TiB [33]. Na tabela 2 são apresentadas algumas propriedades de alguns dos reforços que

podem ser usados em compósitos de matriz de titânio, bem como, as propriedades do titânio.

Tabela 2 - Propriedades de alguns reforços usados em CMT e do Ti [38,39].

Reforços Al2O3 TiC TiN Ti

Densidade

(g/cm3) 3,9 4,9 5,4 4,5

CET à Temp.

Ambiente 7,2 × 10-6 7,9 × 10-6 9,3 × 10-6 8,6 × 10-6

Módulo de Young

(GPa) 400 450 390 110

Dureza Vickers 2400 3200 2300 150

2.1.1. Alumina

A alumina é um material muito utilizado em aplicações biomédicas já há mais de 30

anos, sendo que, é principalmente utilizada em próteses da anca e implantes dentários. O que

torna a alumina um material atraente para este tipo de aplicações são as suas propriedades,

designadamente a excelente resistência à corrosão, baixa densidade, elevada dureza e a elevada

resistência ao desgaste [38]. Para além disso, a alumina é biocompatível, requisito básico para a

sua utilização em aplicações biomédicas. Tem sido clinicamente observado que o corpo humano

aceita a alumina, não a reconhecendo como substância estranha. Este facto permite que o

implante seja completamente coberto por moléculas de proteína, imediatamente após a sua

implantação [11]. As propriedades tribológicas favoráveis da alumina estão relacionadas com a

sua estrutura atómica. Esta estrutura fornece propriedades superiores relativamente ao atrito e

ao desgaste. No entanto, a alumina também apresenta desvantagens, sendo a mais importante

a baixa tenacidade à fratura [11].

Na literatura não é possível encontrar estudos sobre o comportamento ao desgaste em

compósitos Ti–Al2O3, no entanto, existem estudos do comportamento ao desgaste de outros

metais reforçados com Al2O3. Por exemplo, Ribeiro et al. [40] quando estudaram o sinergismo

entre corrosão e desgaste em biocompósitos CoCrMo–Al2O3 numa solução fisiológica,

comprovaram que o compósito apresenta menor volume de desgaste, quando comparado com o


material não reforçado. Os autores concluíram que o aumento da resistência ao desgaste se

deve à incorporação das partículas cerâmicas na matriz. Num outro estudo, Kök et al. [41]

avaliaram a resistência ao desgaste em ligas de alumínio e seus compósitos, reforçados com

Al2O3. Os autores concluíram que reforçando a liga de alumínio com partículas de Al2O3, é

possível melhorar significativamente a resistência ao desgaste por abrasão de todos os

compósitos testados. Os autores mostraram também, que a resistência ao desgaste dos

compósitos aumentou com o aumento da percentagem de reforço.

O uso de Al2O3 como reforço em aplicações biomédicas tem boas hipóteses de ser bem-

sucedido, uma vez que, é esperado que melhore as propriedades mecânicas do compósito, mais

precisamente, a resistência ao desgaste [41–43].

2.2. Sistema Ti–Al2O3

Um dos fatores preponderantes para o sucesso dos compósitos de matriz metálica está

muito dependente do controlo e das características das interfaces. A interface em compósitos

refere-se ao limite entre o reforço e a matriz, onde há uma descontinuidade na composição

química, estrutura cristalina, módulo de elasticidade e nas propriedades termodinâmicas. Na

maioria dos sistemas a matriz e o reforço não estão em equilíbrio termodinâmico [33,44]. As

interfaces são geralmente formadas a altas temperaturas, onde a difusão e a cinética das

reações químicas são mais rápidas. É importante conhecer as reações presentes na interface de

maneira a evitar a degradação do reforço ou a formação de novas fases frágeis [33]. As ligações

na interface entre a matriz e o reforço podem ser principalmente de dois tipos, mecânicas e

químicas. As ligações químicas nos materiais compósitos envolvem transporte atómico por

difusão e incluem formação de compostos na interface, que podem levar à formação de uma

zona interfacial [33].

O sistema Ti–Al2O3 tem sido estudado por diversos investigadores, sendo que, vários

compostos intermédios, tais como, Ti3Al, TiAl, TiAl3 e TiO, têm sido referidos [45–52]. Li et al.

[47] no seu estudo sobre ligação por difusão no sistema Ti–Al–O, verificaram a formação de

essencialmente dois compostos intermédios, Ti3Al e TiAl, a uma temperatura de 1100 °C. Os

autores concluíram ainda que existem dois caminhos possíveis de difusão neste sistema, tal

como pode ser comprovado através do diagrama de fases presente na figura 5. Os autores

verificaram que o TiAl se forma sempre primeiro na interface, mas a estabilidade do TiAl começa

a diminuir quando a matriz de Ti está saturada com oxigénio. Se a saturação com oxigénio

ocorrer rapidamente, a camada de TiAl que se formou inicialmente, rápido se transforma em


Ti3Al. Neste caso, o caminho de difusão é o Al2O3/Ti3Al/Ti/βTi, representado no diagrama pelas

bolas brancas. No entanto, se a saturação da matriz de Ti com oxigénio levar bastante tempo, o

composto TiAl é observado, resultando num caminho de difusão Al2O3/TiAl/Ti3Al/Ti/βTi,

representado no diagrama pelas bolas pretas.

Figura 5 - Diagrama de fase do sistema Ti-Al-O a 1100 °C [47].

Rocha et al. [52], estudaram o comportamento eletroquímico em interfaces Ti–Al2O3,

tendo verificado a formação dos mesmos compostos intermédios (Ti3Al e TiAl). Verificaram ainda

o caminho de difusão, referido no estudo anterior, isto é, Al2O3/TiAl/Ti3Al/Ti, como está ilustrado

na figura 6.

Figura 6 - Zona de reação entre a matriz e o reforço [52].

Os compostos que se formam mais favoravelmente no sistema Ti–Al2O3 são o Ti3Al e o

TiAl. Posto isto, é importante perceber de que forma é que eles podem influenciar as


propriedades do compósito. Na literatura é referido que em relação ao comportamento à

corrosão, o composto TiAl tem uma forte influência negativa, sendo responsável pelo aumento

da taxa de corrosão na interface. Já o Ti3Al não apresenta influência no comportamento à

corrosão, sendo electroquimicamente compatível com o titânio [52].

Edalati et al. [42] verificaram no seu estudo, um endurecimento incomum em

nanocompósitos Ti–Al2O3. Os autores concluíram que foi formado o composto intermetálico Ti3Al

na interface entre a matriz e o reforço, tendo esse composto provocado uma melhoria

significativa da ligação na interface matriz/reforço. Os autores atribuem o endurecimento

incomum do material compósito, à formação do composto intermetálico Ti3Al.

Todos os factos referidos anteriormente fazem como que a interface tenha uma

influência importante nas propriedades mecânicas do compósito, particularmente na resistência

ao desgaste [53].

2.3. Técnicas de Processamento

Vários métodos de fabrico têm sido explorados na produção de compósitos de matriz de

titânio. Estes métodos podem ser principalmente de estado sólido ou líquido. Os métodos de

estado sólido possuem vantagens, relativamente aos métodos de estado líquido, uma vez que,

são usadas temperaturas mais baixas no processamento, o que permite um melhor controlo da

cinética nas interfaces, impedindo a formação de fases indesejadas [44,54]. Os materiais

compósitos podem ser produzidos recorrendo a técnicas de fundição, como por exemplo

fundição por compressão, ou utilizando técnicas de metalurgia dos pós, entre as quais, método

convencional ou por Hot Pressing [55].

A metalurgia dos pós é uma das técnicas mais importantes para a produção de

materiais compósitos. Esta técnica tem a capacidade de produção de peças próximas da forma

final, não sendo necessário, etapas complexas de acabamento. Para além disso, a técnica

permite a fabricação de materiais com grande densidade de deslocações e tamanho de grão

reduzido, o que resulta em propriedades mecânicas superiores. Por outro lado, a metalurgia dos

pós possibilita uma fácil distribuição uniforme das partículas de reforço na matriz, quando

comparada com outras técnicas de produção [56].

O método convencional para a fabricação em metalurgia dos pós envolve três etapas

distintas, mistura, prensagem e sinterização, tal como está representado na figura 7 [56].


Figura 7 - Etapas na técnica de metalurgia dos pós (adaptado de [57]).

A mistura é uma etapa importante, porque permite controlar a distribuição final das

partículas de reforço e a porosidade do compacto em verde, após a compactação, o que tem

influência nas propriedades mecânicas dos materiais produzidos [56]. Esta primeira etapa

consiste em misturar os pós com um ligante e pode ser feita utilizando diferentes métodos, entre

os quais, o moinho de bolas, moinho de bolas planetário e o misturador do tipo V [6,58,59]. O

ligante é utilizado com o intuito de aumentar a resistência mecânica do compacto em verde [60].

O PVA e o polietilenoglicol são os ligantes mais usados neste tipo de processamento [61,62]. A

segunda etapa é a prensagem, onde os pós são prensados à temperatura ambiente, num molde,

usando pressões que permitam a adesão dos pós, de maneira a formar um compacto em verde,

com uma densidade adequada [56]. A prensagem pode ser uniaxial ou isostática. Na literatura

são usadas diferentes pressões na prensagem do titânio, com valores a variarem entre 100 e

400 MPa [5,6,22,59,63]. A etapa final é a sinterização. Esta etapa é efetuada em atmosfera

controlada, sob vácuo ou em árgon, com o objetivo de evitar a oxidação do titânio. Para o titânio,

as temperaturas de sinterização usadas na literatura rondam o intervalo entre os 1100 e os

1200 °C, com diferentes tempos de estágio [53,58,59,64].

2.4. Desgaste em Compósitos de Matriz de Titânio

Desgaste pode ser considerado como a perda progressiva de material, devido ao

movimento relativo entre duas superfícies em contacto [34]. A adição de partículas duras em

compósitos de matriz de titânio é um método eficaz para aumentar a resistência ao desgaste.

Quando uma carga é aplicada, essa carga é transferida da matriz para as partículas de reforço

através da interface, fazendo com que as partículas duras suportem a carga aplicada [32]. Para

além disso, as partículas provocam o endurecimento da matriz, o que leva a um aumento da


dureza e da resistência ao desgaste do material relativamente à matriz sem reforço [5]. Na

literatura podem ser encontrados diversos estudos que suportam esta teoria. Alman et al. [5]

verificaram no seu estudo sobre o desgaste abrasivo em compósitos de matriz de titânio

reforçados com partículas cerâmicas, que a adição de partículas cerâmicas duras (TiC, TiB2 ou

Si3N4) na matriz, é um processo eficiente para melhorar a resistência ao desgaste do titânio. Kim

et al. [65] também comprovaram através do estudo do desgaste em compósitos de matriz de

titânio reforçados com partículas de TiB e TiC, que é possível aumentar a dureza e a resistência

ao desgaste do titânio.

O desgaste deve, no entanto, ser sempre considerado como uma propriedade do

sistema mais do que uma propriedade do material. Assim sendo, o comportamento tribológico

depende fundamentalmente de duas categorias, sendo elas, fatores relacionados com os

materiais e fatores mecânicos e físicos. Dentro dos fatores relacionados com os materiais, é

preciso ter em atenção algumas características, como, o tipo, a forma, o tamanho, a fração

volúmica e distribuição do reforço. Os fatores mecânicos e físicos estão relacionados com o tipo

de contacto tribológico, carga normal, velocidade de deslizamento, ambiente, temperatura e

acabamento superficial [32]. É então necessário efetuar um estudo aprofundado, tendo em

conta os fatores acima descritos, de maneira a perceber os mecanismos de desgaste presentes

no sistema.

Os dois mecanismos de desgaste mais comuns são o desgaste por adesão e o desgaste

por abrasão. No entanto, podem ser encontrados no sistema outros tipos de mecanismos de

desgaste, entre os quais, desgaste por fadiga, desgaste por delaminação e desgaste oxidativo ou

triboquímico [66]. Desgaste por adesão acontece quando há transferência de material entre as

superfícies, durante o movimento de deslizamento. Neste mecanismo ocorre um processo de

soldadura em fase sólida ou ligação localizada entre as superfícies, tal como está representado

na figura 8. Parâmetros como a velocidade de deslizamento, carga normal e a dureza do

material, são importantes neste tipo de mecanismo de desgaste [32].


Figura 8 - Esquema representativo do desgaste por adesão (adaptado de [66]).

Desgaste por abrasão acontece quando há penetração, durante o deslocamento de

asperidades duras sobre a superfície de deslizamento. Este tipo de mecanismo provoca sulcos

contínuos nas superfícies desgastadas. Na figura 9 pode ser visto um esquema representativo do

desgaste por abrasão. Carga normal, velocidade de deslizamento, tamanho e fração volúmica do

reforço, bem como, a ligação interfacial, são parâmetros a ter em conta neste tido de

mecanismo [32].

Figura 9 - Esquema representativo do desgaste por abrasão a dois corpos (adaptado de [66]).

Quando um material monolítico desliza contra um contra corpo inerte duro, o contra

corpo pode retirar peças metálicas da superfície do metal desgastado. Essas partículas metálicas

podem ser removidas da zona de contacto ou podem ficar retidas nessa zona de contacto. As

partículas movem-se livremente na zona de contacto e vão ficando mais duras devido à

oxidação, podendo aumentar assim a perda de material, atuando como extra abrasivo [67]. Em

compósitos de matriz de titânio, a matriz é reforçada com partículas cerâmicas duras. Se essas

partículas duras forem removidas da matriz ou fragmentadas durante o deslizamento, o efeito

extra abrasivo pode ser mais grave, provocando um desgaste devastador [32]. Na figura 10 está

representado o mecanismo de abrasão a três corpos, descrito anteriormente.


Figura 10 - Esquema do desgaste por abrasão a três corpos (adaptado de [32]).

O titânio reage facilmente com o ambiente biológico rico em oxigénio e forma um

revestimento fino protetor na superfície do material que impede a corrosão [68]. No entanto,

esse revestimento não é estável e pode ser desgastado quando as superfícies estão em contato.

Quando o revestimento é removido, as partículas soltas atuam como agentes abrasivos,

resultando em abrasão a três corpos, o que aumenta drasticamente o volume de desgaste

[12,69]. Este processo cíclico negativo está representado na figura 11, é chamado de desgaste

oxidativo.

Figura 11 - Esquema do desgaste oxidativo (adaptado de [66]).

Souza et al. [70] estudaram a degradação em simultâneo por corrosão e desgaste em

amostras de titânio comercialmente puro, numa solução de saliva artificial. No estudo foram

realizados testes de desgaste com movimento linear alternativo, utilizando como contra corpo

uma esfera de alumina (10 mm de diâmetro), com os seguintes parâmetros, 3 N de carga, 1 Hz

de frequência e 20 min de tempo de deslizamento. Os autores concluíram que as pistas de

desgaste apresentavam marcas alinhadas com o movimento de deslizamento, marcas essas

provocadas pela abrasão. As pistas também apresentavam algum destacamento de material,

provocado pelo desgaste por adesão. Para além disso, as partículas duras originadas entre as

superfícies em contacto durante o movimento relativo, funcionam como extra abrasivo, podendo

aumentar a taxa de corrosão e de desgaste nos sistemas de implantes.


Kim et al. [27] estudaram as características de desgaste em compósitos de matriz de

titânio, reforçados com partículas de boreto de titânio e carboneto de titânio. Os autores usaram

diferentes percentagens de reforço (0, 5, 10 e 20% em volume) no seu estudo. O contra corpo

usado nos ensaios de desgaste foi uma esfera de aço AISI (6 mm de diâmetro) e os parâmetros

utilizados foram 6 N de carga, 150 µm de amplitude, 1 Hz de frequência e 60 min de tempo de

deslizamento. Os autores observaram que todas as amostras na fase inicial do teste (até aos

600 ciclos), apresentavam sulcos alinhados com o movimento de deslizamento, devido ao

desgaste por abrasão. No entanto, a amostra de titânio não reforçado possuía grandes partículas

na pista de desgaste, provocado pelo desgaste por adesão e delaminação. Esse comportamento

não se verificou na amostra de compósito com 20% de reforço, onde não houve grandes

partículas ou superfícies severamente delaminadas. Após os 600 ciclos, a deformação ocorreu

cada vez mais, mas os mecanismos de desgaste não se alteraram. Os autores concluíram então,

que os mecanismos de desgaste dominantes no sistema foram o desgaste por abrasão e

adesão. Outros mecanismos como a delaminação e o desgaste oxidativo foram também

reportados. Em suma, a dureza e o comportamento ao desgaste do titânio melhoraram

drasticamente com a inclusão de partículas duras. Para além disso, a resistência ao desgaste

aumentou com o aumento da percentagem de reforço (até 20% em volume).


Capítulo 3 – Materiais e Métodos 3.1. Materiais

Neste trabalho foram processadas amostras de Titânio e de compósito Ti–Al2O3, usando

pós de Titânio comercialmente puro, de grau II (Alfa Aesar), com um tamanho médio de

partículas de 25 µm e pureza de 99%. Os pós de Al2O3 (SILADENT) possuem forma angular, têm

um tamanho médio de partículas de 50 µm e 99,8% pureza. Foi também necessário recorrer a

um ligante natural, sendo este, o PVA (Sigma Aldrich, Mowiol 8-88).

3.2. Métodos

Na figura 12 está representado um fluxograma, onde está resumida a metodologia

utilizada neste trabalho.

Figura 12 - Fluxograma da metodologia usada ao longo do trabalho.


3.2.1. Processamento

a. Mistura:

No presente trabalho foram processados dois grupos de amostras distintas, amostras

de Ti e amostras de compósito Ti–Al2O3, com 5 e 10% em volume de reforço. As amostras

possuem geometria cilíndrica com 12 mm de diâmetro e 3 mm de altura. O ligante foi preparado

dissolvendo 2,5% em peso de PVA, em 25 ml de água destilada a 70 °C. A quantidade de

solução de PVA usado foi de 0,44% em volume. Para efetuar a etapa de mistura foi necessário

recorrer a um moinho de bolas de modo a obter uma mistura homogénea. A mistura foi feita

numa atmosfera de árgon, usando esferas de alumina, durante 4 horas a 130 rpm.

b. Prensagem:

A prensagem foi efetuada numa prensa hidráulica (Herzog), onde a mistura de pós foi

prensada uniaxialmente com uma força de 40 kN (pressão de 350 MPa) durante 2 minutos. Os

pós foram colocados num molde em aço nitrurado, onde as paredes do molde e o punção foram

previamente lubrificados com estearato de zinco dissolvido em propanol, de maneira a reduzir o

atrito entre as paredes do molde e as amostras.

c. Remoção do ligante:

Após a prensagem das amostras, a remoção do ligante foi feita num forno a 450 °C

durante 3 horas, numa atmosfera de árgon, com uma taxa de aquecimento e arrefecimento de 5

°C/min, tal como está representado na figura 13.

Figura 13 - Ciclo térmico para a remoção do ligante.


d. Sinterização:

As amostras foram sinterizadas num forno tubular horizontal, com um estágio de

sinterização feito a 1100 °C durante 3 horas, como pode ser observado na figura 14. Todo o

ciclo térmico foi realizado em alto vácuo (<10-5 mbar). A taxa de aquecimento e arrefecimento foi

de 5 °C/min.

Figura 14 - Ciclo de sinterização.

3.2.2. Caracterização Microestrutural, Química e Física

Inicialmente foi feita a caracterização dos pós, para isso foi usada a técnica de difração a

laser. Esta análise tem como objetivo determinar o tamanho médio dos pós. A análise foi feita

através do equipamento Droplet and Particle Size Analiser, Series 2600. A microestrutura e a

composição química dos pós foram caracterizadas através do DRX, com a base de dados

ICDD/JCPDS, utilizando o equipamento Bruker D8 Discover com uma radiação incidente de Cu

Kα, e através de um microscópio eletrónico de varrimento (FEG/SEM FEI Nova 200) equipado

com espectroscopia de dispersão de energia (EDS).

A mistura dos pós foi caracterizada através da técnica de dilatometria. A análise

dilatométrica foi realizada em atmosfera de árgon, até uma temperatura de 1400°C, com uma

taxa de aquecimento e de arrefecimento de 5°C/min, utilizando um dilatómetro (BAHR), com o

intuito de otimizar a temperatura de sinterização [71].

Depois de processadas, as amostras foram preparadas metalograficamente recorrendo a

lixas de SiC até 2400 mesh, posteriormente foi feito um polimento com suspensão de sílica

coloidal (Struers OP-S) até 0,04 µm. Em seguida, as amostras foram limpas utilizando ultrassons

durante 10 minutos, em propanol e 5 minutos, em água destilada. A microestrutura e a

distribuição das partículas de reforço, das amostras processadas, foi caracterizada usando o


microscópio ótico (Leica DM2500) e o microscópio eletrónico de varrimento (MEV/EDS) (FEI

Nova 200 FEG-SEM/EDS). A estrutura cristalina das amostras foi determinada por DRX (radiação

Cu Kα, Bruker D8 Discover). A avaliação da dureza foi feita através de ensaios de dureza Vickers,

tendo sido efetuadas 5 indentações em cada amostra, com uma carga 30 Kgf durante 20

segundos. O ensaio de dureza foi realizado recorrendo a um durómetro Officine Galileo Mod. D

200.

3.2.3. Ensaios de Desgaste

Para realizar os ensaios de desgaste, foi necessário recorrer a um tribómetro bola-placa

(CETR-UMT-2). Neste tipo de ensaios, a amostra tem um movimento linear alternativo, a

superfície de trabalho está virada para cima, tendo como contra corpo uma esfera de alumina

(10 mm de diâmetro), como está representado na figura 15.

Figura 15 - Esquema de um ensaio de desgaste.

Os ensaios de desgaste com movimento alternativo foram feitos em solução e à

temperatura ambiente. Foram usados 10 ml de solução em cada teste, tendo esta, a

constituição de 0,9% em peso de NaCl. Os restantes parâmetros usados no ensaio de desgaste

estão presentes na tabela 3.

Tabela 3 - Parâmetros usados nos ensaios de desgaste.

Carga

(N)

Frequência

(Hz)

Tempo

(min)

Amplitude

(mm)

Pressão de

contacto

Hertziana

média (GPa)

Pressão de

contacto

Hertziana

máxima (GPa)

1 1 30 5 0,28 0,42

2 2 60 5 0,35 0,53

Os ensaios de desgaste foram realizados nas amostras de titânio não reforçado e nas

amostras de compósito com 5% em volume de reforço, onde foi investigado o efeito de cada


parâmetro utilizado. Durante os testes de desgaste foram registados os valores do coeficiente de

atrito. Após a realização dos testes de desgaste, foi efetuada a caracterização das superfícies

desgastadas. As amostras foram analisadas através de microscopia ótica (Leica DM2500) e de

MEV/EDS (FEI Nova 200 FEG-SEM/EDS), foi feita também, uma análise de MEV/EDS ao contra

corpo. As amostras e o contra corpo foram analisados com o intuito de estudar e classificar os

mecanismos de desgaste presentes no sistema.

A largura média das pistas de desgaste foi obtida através da média de três medições

(nas extremidades e no centro da pista) em cada pista de desgaste, usando o microscópio ótico.

Os perfis das pistas de desgaste foram obtidos usando um sensor ótico de alta resolução (STIL

Microtopograph CHR 150).

Os valores do volume de desgaste foram calculados através do modelo das pistas de

desgaste, representado na figura 16. A amplitude das pistas de desgaste foi de 5 mm e as

pontas da pista de desgaste foram assumidas como parte de uma calota esférica. Para cada

pista de desgaste foram obtidos três perfis 2D, a partir do centro da pista (linha b na figura 16),

e a 2 mm do centro para ambos os lados (linhas a e c) [72].

Figura 16 - Modelo estimado de uma pista de desgaste, usado para calcular o volume de desgaste. As linhas a, b e c, indicam as linhas dos perfis 2D [72].

Para calcular o volume de desgaste, primeiro, foi calculada a área de desgaste para

cada perfil 2D, através da seguinte fórmula:

𝐴𝑊 = ∑ 0.5𝑛𝑖=0 (𝑌𝑖 + 𝑌𝑖−1)(𝑋𝑖 − 𝑋𝑖−1) (1)

Onde 𝐴𝑊 é a área de desgaste para cada perfil 2D em mm2, 𝑋 é a largura em mm, 𝑌 é

a profundidade em mm e 𝑛 é o número de contagens. Os valores médios de profundidade foram

calculados, utilizando a seguinte fórmula:

𝐷 =𝐴𝑤

𝑊 (2)

Onde 𝐷 é a profundidade média em mm, 𝐴𝑤 é a área de desgaste média de três perfis

2D por pista de desgaste em mm2 e 𝑊 é a largura média de cada pista de desgaste medida

para três perfis 2D.


Finalmente, o volume de desgaste foi calculado com a seguinte fórmula:

∆𝑉 = [1

3∗ 𝜋 ∗ 𝐷

2(3𝑅 − 𝐷)] + 𝐴𝑤 ∗ 𝑙 (3)

Onde ∆𝑉 representa o volume de desgaste total para cada pista de desgaste em mm3,

𝑅 é o raio da esfera de alumina e 𝑙 é a amplitude total, que foi constante para todos os ensaios

(5 mm) [70].

3.2.4. Planeamento dos Ensaios de Desgaste

O método 24 full factorial design foi usado com o objetivo de planear a ordem dos

ensaios de desgaste. Os ensaios foram planeados variando a fração de volume de reforço, carga

normal, frequência e o tempo de deslizamento. Dois níveis de cada fator foram escolhidos para

este estudo. Os níveis de fração de volume foram 0 e 5%, os níveis de carga foram a 1 e 2 N, os

níveis de frequência foram 1 e 2 Hz e os níveis de tempo foram 30 e 60 min. Os níveis

selecionados para cada fator podem ser vistos na tabela 4.

Tabela 4 - Fatores e os seus níveis escolhidos para o método 24 full factorial design.

Nível Volume de Reforço

(%)

Carga

(N)

Frequência

(Hz)

Tempo

(min)

-1 0 1 1 30 +1 5 2 2 60

O Software Minitab 15 foi usado para planear os ensaios. O plano dos ensaios de

desgaste foi preparado de maneira a tornar os ensaios aleatórios, com o objetivo de minimizar a

acumulação de erros. Neste trabalho, o nível de confiança escolhido foi de 95%. Os ensaios

foram efetuados com base na ordem de execução aleatória como está representado na tabela 5.

Os valores médios da largura das pistas de desgaste e volume de desgaste foram usados como

respostas.


Tabela 5 - Plano dos ensaios de desgaste.

Ordem

Standard

Ordem de

execução

Fator 1

A: Volume de

Reforço (%)

Fator 2

B: Carga

(N)

Fator 3

C: Frequência

(Hz)

Fator 4

D: Tempo

(min)

11 1 0 2 1 60

9 2 0 1 1 60

12 3 5 2 1 60

7 4 0 2 2 30

15 5 0 2 2 60

1 6 0 1 1 30

14 7 5 1 2 60

13 8 0 1 2 60

10 9 5 1 1 60

5 10 0 1 2 30

2 11 5 1 1 30

3 12 0 2 1 30

16 13 5 2 2 60

8 14 5 2 2 30

6 15 5 1 2 30

4 16 5 2 1 30


Capítulo 4 – Resultados e Discussão 4.1. Caracterização dos Pós e da Mistura de Pós

Os pós de titânio foram analisados recorrendo às técnicas de MEV e EDS. Através da

análise de MEV presente na figura 17, é possível verificar que os pós apresentam forma irregular

e uma grande distribuição do tamanho de partículas. As características exibidas pelos pós

promovem uma melhor compactação, facilitando assim o processo de sinterização. Os

resultados da análise de EDS podem ser vistos na figura 18. Com base nos mesmos, é possível

afirmar que os pós são de titânio puro, uma vez que, os picos apresentados são referentes

apenas ao Ti. Através da técnica de difração a laser foi possível determinar, que os pós

apresentam uma variação de tamanho entre os 10,4 e os 43,6 µm, sendo que, o tamanho

médio é de 25 µm.

Figura 17 - Imagem de MEV dos pós de Ti.

Figura 18 - Espectro EDS dos pós de Ti.

Analisando os resultados de DRX realizados aos pós de Ti, que podem ser vistos na

figura 19, concluiu-se que apenas foram detetados picos de titânio.


Figura 19 - Espectro de DRX dos pós de Ti (Carta ICDD/JCPDS do composto: Ti 44-1294).

Relativamente aos pós de alumina, através da análise de MEV presente na figura 20, é

possível verificar que os pós apresentam forma angular. Os resultados da análise de EDS podem

ser vistos na figura 21. Com base nos mesmos, é possível afirmar que os pós são de alumina,

uma vez que, os picos apresentados são referentes apenas ao alumínio e ao oxigénio. Os pós

apresentam um tamanho médio de 50 µm, informação disponibilizada pelo fabricante.

Figura 20 - Imagem de MEV dos pós de Al2O3.

Figura 21 - Espectro EDS dos pós de Al2O3.

Tendo em conta os resultados de DRX realizados aos pós de Alumina, que podem ser

vistos na figura 22, concluiu-se que apenas foram obtidos picos de Al2O3, não contendo qualquer

contaminação.


Figura 22 - Espectro de DRX dos pós de Al2O3 (Carta ICDD/JCPDS do composto: Al2O3 81-1667).

Na figura 23 é apresentada a taxa de contração em função da temperatura, durante o

ensaio de dilatometria efetuado aos pós de Ti. Analisando os resultados, a taxa de contração é

mais elevada, isto é, a sinterização é mais rápida, num intervalo de temperatura entre os 1050 e

os 1250 °C. Assim sendo, foi definido que a sinterização seria feita a uma temperatura de 1100

°C. Os resultados obtidos na análise dilatométrica estão de acordo com a literatura. Bolzoni et

al. [73] no seu estudo realizaram um ensaio dilatométrico em titânio puro até uma temperatura

de 1400 °C. Os autores verificaram que a contração teve início a uma temperatura próxima dos

870 °C, que coincide com a transformação alotrópica de titânio α para titânio β. Para além

disso, os autores concluíram que a porosidade residual diminuiu com o aumento da

temperatura, tendo uma redução significativa após os 1100 °C.

Figura 23 - Taxa de contração em função da temperatura para os pós de Ti [71].


4.2. Caracterização das Amostras

Na figura 24 são apresentadas as imagens de microscópio ótico com baixa ampliação,

representativas da amostra de titânio e de compósito com 5 e 10% de reforço. Através das

imagens é possível observar que todas as amostras apresentam porosidade residual, que é

típica na técnica de metalurgia dos pós convencional. A etapa de sinterização foi efetuada nas

mesmas condições para todas as amostras durante o processamento. No entanto, quando um

metal é reforçado com partículas cerâmicas, essas partículas dificultam a sinterização e

consequentemente reduzem a densificação do material [74]. No que diz respeito às amostras de

compósito, as partículas de reforço estão distribuídas de forma relativamente homogénea na

matriz, não se verificando a presença de aglomerados, como é visível na figura 24 b) e c).

Figura 24 - Imagens de microscópio ótico de a) titânio, b) compósito com 5% de reforço e c) compósito com 10% de reforço.

Para além da distribuição relativamente homogénea das partículas de reforço, os

compósitos também apresentam uma boa ligação na interface entre a matriz e o reforço. As

duas características observadas nas amostras de compósito são fundamentais para preservar as

propriedades pretendidas [32]. Na figura 25, está presente uma imagem de MEV representativa

do compósito com 5% de reforço, onde foram analisadas três zonas distintas, através de EDS. A

zona 1 está situada numa partícula de reforço e como pode ser visto através do espectro de

EDS, apenas foram detetados picos de alumínio e oxigénio, o que indica a presença da alumina,

como era esperado. A zona 3 está situada na matriz, sendo que, no espectro de EDS apenas

foram detetados picos de titânio. A zona 2 está situada entre a matriz e as partículas de reforço,

onde foi formada uma zona de reação. No espectro de EDS da zona 2 estão presentes os picos

de titânio e de alumínio, indicando a difusão do alumínio, proveniente da partícula de reforço, na

matriz de titânio. Esta zona de reação formada pode ser um indicativo de uma boa ligação na

interface entre a matriz e o reforço [42]. A zona de reação formada na interface matriz/reforço,

também foi verificada nas amostras de compósito com 10% de reforço.

a) b) c)


Figura 25 - Imagem de MEV do compósito com 5% de reforço e os respetivos espectros de EDS em zonas distintas.

Analisando com uma maior ampliação a zona de reação que foi formada entre a matriz

e a partícula de reforço, que está representada na figura 26, é possível verificar que foram

formados dois compostos distintos na interface. Nos espectros de EDS tanto da zona 4 como da

zona 5, foram apenas detetados picos de titânio e de alumínio. De acordo com a literatura, os

compostos que se formam mais favoravelmente no sistema Ti–Al2O3 são o Ti3Al e o TiAl [45–52].

Também de acordo com a literatura, o TiAl forma-se primeiro na interface, dando depois origem

ao composto Ti3Al [45–52]. Com base nessa informação, é possível afirmar que a zona 4

representa o composto Ti3Al e a zona 5 representa o composto TiAl.

Z1

Z1

Z2 Z3

Z2 Z3


Figura 26 - Imagem de MEV da zona de reação formada entre a matriz e o reforço e os respetivos espectros de EDS.

Os resultados da análise de DRX, presentes na figura 27, comprovam a formação dos

dois compostos Ti3Al e o TiAl. Para além disso, devido à difusão do oxigénio na matriz de titânio,

proveniente das partículas de alumina, foram formados dois tipos de óxidos na amostra, o Ti6O e

o Ti3O. Foram também detetados picos de alumina, referentes às partículas de reforço, tal como

era esperado.

Relativamente aos resultados da amostra de titânio, apenas foram detetados picos de

titânio, não se verificando a oxidação da amostra durante a sinterização.

Z4

Z5

Z4 Z5


Figura 27 - Espectro de DRX das amostras de compósito e de titânio (Cartas ICDD/JCPDS dos compostos: Ti 44-1294; Al2O3 81-1667; Ti3Al 52-0859; TiAl 72-5004; Ti6O 72-1471; Ti3O 73-1583).

Os valores da dureza de Vickers foram obtidos a partir das amostras de titânio e de

compósito com 5 e 10% de volume de reforço. Em teoria, era esperado que o valor da dureza

aumentasse, com o aumento da percentagem de reforço, uma vez que, por um lado as

partículas de reforço provocam um endurecimento direto, suportando a carga aplicada e

também porque a introdução de partículas duras na matriz provoca o endurecimento da matriz,

resultando num aumento da dureza [5]. No entanto, os resultados obtidos mostram o contrário,

ou seja, a dureza diminuiu com o aumento da percentagem de reforço. Para o titânio, a média

da dureza foi de 326 ± 9 HV30, enquanto que, para o compósito com 5 e 10% de reforço, a

média das durezas foi de 311 ± 7 HV30 e 249 ± 12 HV30, respetivamente. O comportamento

observado pode ser explicado com o aumento da porosidade, que resulta do aumento da

percentagem de reforço. É bastante reportado na literatura que o aumento da porosidade

residual provoca uma diminuição da dureza, relativamente aos compósitos [5,33,74–76].


4.3. Comportamento ao Desgaste

A informação sobre o plano experimental que foi seguido nos ensaios de desgaste e os

respetivos valores médios obtidos, para a largura das pistas de desgaste e para o volume de

desgaste, podem ser vistos na tabela 6.

Tabela 6 - Plano dos ensaios de desgaste e os resultados.

Ordem

Standard

Ordem de

execução

Fator 1

A

Fator 2

B

Fator 3

C

Fator 4

D

Largura das

pistas de

Desgaste

(µm)

Volume de

Desgaste

(mm3)

11 1 0 2 1 60 820 ±2 0,0387 ±0,0021

9 2 0 1 1 60 417 ±18 0,0123 ±0,0098

12 3 5 2 1 60 1043 ±7 0,0763 ±0,0120

7 4 0 2 2 30 840 ±10 0,0453 ±0,0197

15 5 0 2 2 60 1017 ±6 0,0770 ±0,0156

1 6 0 1 1 30 363 ±13 0,0044 ±0,0039

14 7 5 1 2 60 277 ±8 0,0010 ±0,0009

13 8 0 1 2 60 883 ±8 0,0570 ±0,0187

10 9 5 1 1 60 247 ±4 0,0010 ±0,0000

5 10 0 1 2 30 690 ±4 0,0240 ±0,0053

2 11 5 1 1 30 277 ±3 0,0010 ±0,0001

3 12 0 2 1 30 647 ±5 0,0193 ±0,0049

16 13 5 2 2 60 1253 ±11 0,1417 ±0,0419

8 14 5 2 2 30 1003 ±7 0,0677 ±0,0151

6 15 5 1 2 30 693 ±1 0,0260 ±0,0010

4 16 5 2 1 30 537 ±29 0,0360 ±0,0120

A: Volume de reforço (%); B: Carga (N); C: Frequência (Hz); D: Tempo de deslizamento (min)

Os valores médios da largura das pistas de desgaste e do volume de desgaste foram

analisados estatisticamente através do software Minitab 15. Na figura 28 está representado o

gráfico da probabilidade normal para os valores médios da largura das pistas de desgaste. Como

pode ser visto através do gráfico, os valores médios da largura das pistas de desgaste seguem

razoavelmente uma distribuição normal.


Figura 28 - Gráfico da probabilidade normal para a largura das pistas de desgaste.

Na figura 29 estão representados os principais fatores na largura das pistas de desgaste.

Como pode ser visto através dos gráficos, os valores médios da largura das pistas de desgaste

diminuem com o aumento do volume de reforço e aumentam com o aumento da carga normal,

frequência e tempo de deslizamento.

Figura 29 - Gráfico dos principais fatores na largura das pistas de desgaste.

A tabela 7 contém os resultados da análise da variância (tabela ANOVA) com os valores

médios da largura das pistas de desgaste. A tabela ANOVA contém a fonte, os graus de liberdade

(DF), soma dos quadrados (SS), quadrados médios (MS), o valor F e a percentagem de

contribuição (P%). Neste trabalho, apenas foram analisadas as duplas interações para todas as

respostas, sendo o nível de confiança escolhido de 95%. A última coluna da tabela ANOVA

mostra a percentagem de contribuição, P (%), de cada um dos fatores na variância total,

indicando o grau de influência no resultado.


A percentagem de contribuição foi calculada através da seguinte fórmula [73]:

𝑃(%) = 𝑆𝑆𝐹

𝑆𝑆𝑇× 100 (4)

Onde o SSF é a soma dos quadrados dos fatores e das interações e o SST é a soma total

dos quadrados. Os fatores e as interações que tem maior valor de F do que Fα=5% e maior valor

de P (%) do que o valor do erro de P (%), são considerados como fatores ou interações estatística

e fisicamente significativos [75].

Analisando a tabela ANOVA para os valores médios da largura das pistas de desgaste, é

possível concluir que, a carga normal com um valor P (%) de 46,71%, é o fator física e

estatisticamente mais significativo, em relação aos valores médios da largura das pistas de

desgaste. A frequência com um valor de P (%) de 22,64%, também é física e estatisticamente

significativa. Os restantes fatores e interações não são física e estatisticamente significativos,

relativamente aos valores médios da largura das pistas de desgaste, dentro do nível de confiança

escolhido.

Tabela 7 - Tabela ANOVA para a largura das pistas de desgaste.

Fontea DF SS MS F P (%)

A 1 7511 7511 0,26 0,51

B 1 686136 686136 23,85 46,71

C 1 332544 332544 11,56 22,64

D 1 51378 51378 1,79 3,50

A*B 1 117878 117878 4,10 8,03

A*C 1 225 225 0,01 0,02

A*D 1 5136 5136 0,18 0,35

B*C 1 1878 1878 0,07 0,13

B*D 1 106711 106711 3,71 7,26

C*D 1 15625 15625 0,54 1,06

Erro 5 143819 28764 - 9,79

Total 15 1468842 - - 100 aA: Volume de reforço (%); B: Carga (N); C: Frequência (Hz); D: Tempo de deslizamento (min)

É geralmente conhecido que com o aumento da carga normal, o material sofre um

maior desgaste, aumentando por isso, a largura das pistas de desgaste [77,78]. Relativamente à

frequência, a largura das pistas de desgaste também aumentou com o aumento da mesma

[77,78].

Na figura 30 está representado o gráfico da probabilidade normal para os valores

médios do volume de desgaste. Como pode ser visto através do gráfico, os valores médios do

volume de desgaste seguem razoavelmente uma distribuição normal.


Figura 30 - Gráfico da probabilidade normal para o volume de desgaste.

Na figura 31 estão representados os principais fatores no volume de desgaste. Como

pode ser visto através dos gráficos, os valores médios do volume de desgaste aumentam com

aumento do volume de reforço, carga normal, frequência e tempo de deslizamento.

Figura 31 - Gráfico dos principais fatores no volume de desgaste.

Analisando a tabela ANOVA para os valores médios do volume de desgaste (tabela 8), é

possível concluir que, a carga normal com um valor P (%) de 40,76%, é o fator física e

estatisticamente mais significativo, em relação aos valores médios do volume de desgaste. A

frequência com um valor de P (%) de 18,17%, também é física e estatisticamente significativa. A

interação A*B, ou seja, entre o volume de reforço e a carga normal, com um valor de P (%) de

12,78%, é também física e estatisticamente significativa nos valores médios do volume de

desgaste. Os restantes fatores e interações não são física e estatisticamente significativos,

relativamente aos valores médios do volume de desgaste, dentro do nível de confiança escolhido.


Tabela 8 - Tabela ANOVA para o volume de desgaste.

Fontea DF SS MS F P (%)

A 1 0,0003285 0,00032852 0,88 1,52

B 1 0,0088031 0,00880313 23,53 40,76

C 1 0,0039240 0,00392398 10,49 18,17

D 1 0,0020528 0,00205285 5,49 9,51

A*B 1 0,0027606 0,00276063 7,38 12,78

A*C 1 0,0000027 0,00000270 0,01 0,01

A*D 1 0,0000004 0,00000041 0,00 0,00

B*C 1 0,0003249 0,00032490 0,87 1,50

B*D 1 0,0013956 0,00139565 3,73 6,46

C*D 1 0,0001324 0,00013244 0,35 0,61

Erro 5 0,0018705 0,00037409 - 8,66

Total 15 0,0215957 - - 100 aA: Volume de reforço (%); B: Carga (N); C: Frequência (Hz); D: Tempo de deslizamento (min)

O volume de desgaste aumentou com o aumento da carga normal, comportamento

geralmente esperado, uma vez que, o aumento da carga normal provoca um maior desgaste no

material. A largura das pistas de desgaste também aumentou com o aumento da frequência. A

interação entre o volume de reforço e a carga normal é também física e estatisticamente

significativa para o volume de desgaste. Contrariamente ao que era esperado, o volume de

desgaste aumenta com o aumento da percentagem de reforço. Este tipo de comportamento

pode estar diretamente ligado às partículas cerâmicas duras, isto é, estas podem ter sido

fragmentadas ou removidas da matriz criando um efeito extra abrasivo e contribuindo para um

maior volume de desgaste, verificado no material compósito [32]. Os resultados da análise

estatística serão discutidos e fundamentados com maior detalhe no final deste capítulo, em

conjunto com a caracterização das superfícies desgastadas, uma vez que, a análise das pistas

de desgaste pode ajudar a justificar os resultados aqui obtidos.

Universidade do Minho – Comportamento Tribológico de Biocompósitos de Matriz de Titânio |43

4.3.1. Caracterização das Superfícies Desgastadas

No presente trabalho, foram realizados diversos ensaios de desgaste variando os

diferentes parâmetros, no entanto, a análise da evolução do coeficiente de atrito foi apenas feita

para as condições menos e mais severas de ensaio, tanto para o titânio como para o compósito.

Os gráficos representativos da evolução do coeficiente de atrito em função do tempo de

deslizamento, para as duas condições de desgaste, podem ser observados na figura 32.

Relativamente às condições menos severas, o compósito apresenta valores médios do

coeficiente de atrito superiores aos do titânio. Para o compósito, os valores começam à volta dos

0,5 e terminam cerca dos 0,7. Para o titânio, os valores começam à volta dos 0,5 e terminam

cerca dos 0,8. A evolução do coeficiente de atrito para o titânio regista grandes oscilações

durante praticamente todo o tempo de deslizamento. Na evolução do coeficiente de atrito do

compósito as oscilações também ocorrem durante todo o tempo de deslizamento.

Em relação às condições mais severas, o compósito apresenta valores médios do

coeficiente de atrito superiores aos do titânio, isto é, valores à volta de 0,5 para o compósito e de

cerca de 0,4 para o titânio. Para o titânio os valores do coeficiente de atrito mantiveram-se

relativamente estáveis durante todo o tempo de deslizamento, enquanto que, para o compósito

os valores do coeficiente de atrito aumentaram muito ligeiramente com o tempo de

deslizamento.

1 N – 1 Hz – 30 min 2 N – 2 Hz – 60 min

Figura 32 - Gráficos da evolução do coeficiente de atrito com o tempo para as diferentes condições.

Tal como a análise da evolução do coeficiente de atrito, a caracterização das superfícies

desgastadas foi apenas realizada para as condições menos e mais severas de ensaio, tanto para

o titânio como para o compósito. Os perfis 3D dos dois materiais para as duas condições de

desgaste podem ser observados na figura 33.

44 |Universidade do Minho – Comportamento Tribológico de Biocompósitos de Matriz de Titânio

Para as condições menos severas de ensaio, não há uma diferença significativa em

relação aos perfis de desgaste da amostra de titânio e do compósito, no entanto, a amostra de

compósito apresenta uma pista de desgaste menos profunda. Para as condições mais severas,

também não há uma diferença significativa em relação aos perfis de desgaste, mas nestas

condições, contrariamente às condições menos severas, é a amostra de titânio que apresenta

uma pista de desgaste menos profunda. Os resultados dos perfis 3D mostram que as pistas de

desgaste aumentam consideravelmente, com o aumento das condições de ensaio, para os dois

materiais.

Ti Compósito

1 N

– 1

Hz –

30

min

2 N

– 2

Hz –

60

min

Figura 33 - Perfis 3D das pistas de desgaste.

Os perfis 2D das pistas de desgaste para os dois materiais e para as duas condições de

desgaste podem ser observados na figura 34. É possível verificar que para as condições menos

severas, não há uma diferença acentuada entre os perfis da amostra de titânio e do compósito,

sendo que, a amostra de compósito apresenta uma largura e uma profundidade de desgaste

ligeiramente inferior. Para as condições mais severas o comportamento é o contrário, a amostra

de compósito apresenta uma largura e uma profundidade de desgaste superiores.


Figura 34 - Perfis 2D das pistas de desgaste.

Na figura 35 estão representadas as imagens de MEV das pistas de desgaste dos dois

materiais, com dois modos de eletrões, eletrões secundários (ES) e eletrões retrodifundidos

(ERD), para as diferentes condições de ensaio. Analisando as imagens é possível verificar que

todas as amostras apresentam desgaste por abrasão, representado pelos sulcos paralelos ao

movimento de deslizamento. A formação de sulcos deve-se à penetração de asperidades do

material duro constituído pela esfera de alumina na superfície das amostras. As partículas extra

abrasivas podem também contribuir para a formação de sulcos [32]. Para além do desgaste por

abrasão, todas as amostras apresentam desgaste triboquímico. Este tipo de desgaste acontece

devido às reações químicas entre o ambiente circundante e as superfícies de deslizamento, ou

seja, há a formação de produtos de reação nas superfícies em contacto, que são removidos e

constantemente renovados durante o deslizamento. A remoção desses produtos de reação

resulta na formação de produtos de desgaste oxidados [12]. Tal como pode ser visto através das

imagens das pistas de desgaste do titânio e do compósito (figura 35), para as condições menos

severas, há a formação de grandes quantidades de produtos de desgaste oxidados, que foram

compactados nas superfícies desgastadas durante o deslizamento. Em relação às condições

mais severas, também há a formação de produtos oxidados, mas em menores quantidades. Este

comportamento deve-se às condições de ensaio mais severas, que “arrancam” os produtos

oxidados das superfícies desgastadas, não permitindo que estes fiquem compactados, tal como

acontece para as condições menos severas. Uma vez que os produtos oxidados não ficam

compactados na pista de desgaste, as partículas movem-se livremente entre


as superfícies durante o deslizamento, atuando como extra abrasivo, o que resulta em abrasão a

três corpos, provocando um aumento no desgaste [12].

Ti Compósito

1 N

– 1

Hz –

30

min

2 N

– 2

Hz –

60

min

Figura 35 - Imagens de MEV das pistas de desgaste do titânio e do compósito para as duas condições.

No espectro de EDS da pista de desgaste do titânio, para as condições menos severas,

presente na figura 36, é possível verificar que os picos detetados na análise são de titânio e de

oxigénio, comprovando que se trata de produtos de desgaste de titânio oxidados, que estão

compactados nas superfícies desgastadas.

Partícula fragmentada

Sulco

Produtos oxidados compactados

Sulco

Produto de desgaste oxidado

Sulco


Sulco


Figura 36 - Imagem de MEV da pista de desgaste do titânio e o respetivo espetro de EDS para as condições menos

severas.

Na figura 37 estão representadas as imagens de MEV, com maior ampliação, das pistas

de desgaste dos dois materiais, para as diferentes condições de ensaio. Na imagem da pista de

desgaste do titânio, para as condições de ensaio menos severas, podem ser vistos os produtos

de desgaste oxidados compactados na superfície de deslizamento, com maior detalhe. Para as

condições mais severas, também podem ser vistos produtos de desgaste na superfície de

deslizamento.

Analisando pormenorizadamente as partículas de reforço nas amostras de compósito,

para as duas condições, é possível verificar através do contraste de cores na imagem de MEV

em modo de eletrões retrodifundidos, que as partículas de reforço não foram removidas, estando

presentes na matriz. No entanto, através das imagens das partículas de reforço em modo de

eletrões secundários, é visível que as partículas foram fragmentadas durante o deslizamento. As

partículas de reforço possuem um tamanho relativamente elevado e como são frágeis, acabam

por não suportar a carga aplicada durante o deslizamento, fraturando no centro. Essas pequenas

partículas duras fragmentadas movem-se livremente na zona de contacto atuando como extra

abrasivo. Este comportamento verificado nas amostras de compósito pode provocar um maior

volume de desgaste, em relação ao material não reforçado, contrariamente ao que é o esperado

[32]. É então fundamental evitar a fragmentação das partículas de reforço, para que estas

possam suportar as cargas aplicadas sem que sejam fraturadas. A solução para este

comportamento pode passar pela redução do tamanho das partículas de reforço.


Ti Compósito 1

N –

1 H

z –

30

min

2 N

– 2

Hz –

60

min

Figura 37 - Imagens de MEV com maior ampliação das pistas de desgaste do titânio e do compósito para as duas condições.

A figura 38 apresenta as imagens de MEV das superfícies desgastadas das esferas de

alumina, usadas como contra corpo nos testes de desgaste e os respetivos espectros de EDS.

Para as condições menos severas, a marca de desgaste da esfera usada na amostra de titânio é

superior à marca de desgaste da esfera usada na amostra de compósito. Nos espectros de EDS

foram detetados picos de titânio em ambas as esferas, o que indica que houve adesão de

material proveniente das amostras. Em relação às condições mais severas, não se verifica uma

diferença significativa nas marcas de desgaste das esferas usadas em ambos materiais. Nos

espectros de EDS das condições mais severas também foram detetados picos de titânio em

ambas as esferas, indicando desgaste por adesão. Todas as amostras apresentam então

desgaste por adesão, como foi comprovado através da análise das esferas de alumina, usadas

como contra corpo nos ensaios de desgaste. O desgaste por adesão acontece quando há

transferência de material entre as superfícies, durante o movimento de deslizamento. Neste

mecanismo ocorre um processo de soldadura em fase sólida entre as duas superfícies que estão

em contato, devido à formação de ligações químicas entre os átomos das superfícies, causando

forças adesivas entre as superfícies [32].


Produto de desgaste



Universidade do Minho – Comportamento Tribológico de Biocompósitos de Matriz de Titânio |49

Ti Compósito Espectro EDS 1

N –

1 H

z –

30

min

2 N

– 2

Hz –

60

min

Figura 38 - Imagens de MEV das superfícies do contra corpo desgastadas, usado nas amostras de titânio e de compósito para as

diferentes condições e os respetivos espectros de EDS.

Através da análise da evolução do coeficiente de atrito foi possível concluir que, para as

condições menos severas, tanto o titânio como o compósito registaram grandes oscilações

durante praticamente todo o tempo de deslizamento. Este fenómeno deve-se à cíclica formação

e remoção do filme passivo, que é tipicamente criado na superfície do titânio, o que resulta na

formação de produtos de desgaste oxidados que ficam retidos na pista de desgaste, funcionado

como partículas de terceiro corpo [70]. Esses produtos de desgaste oxidados foram

compactados nas superfícies desgastadas, durante o deslizamento pelo contra corpo,

contribuindo assim para as grandes oscilações [79]. No compósito, para além dos produtos de

desgaste, as partículas de reforço foram fragmentadas durante o deslizamento, tal como foi

observado através da figura 37. Essas pequenas partículas fragmentadas vão funcionar como

terceiro corpo, provocando as oscilações que foram registadas [32,79]. Na evolução do

coeficiente de atrito, para as condições mais severas, estas grandes oscilações não se

verificaram em nenhum dos materiais. Este comportamento deve-se às condições de ensaio

mais severas, ou seja, com uma carga e frequência mais elevadas, as partículas fragmentadas e


os produtos oxidados são “ejetados” das superfícies desgastadas, não permitindo que estes

fiquem compactados, tal como acontece para as condições menos severas.

Através da análise realizada foi possível concluir que os mecanismos de desgaste

presentes no sistema são uma combinação de desgaste por abrasão, adesão e triboquímico. No

entanto, outros mecanismos de desgaste, como por exemplo desgaste por fadiga e/ou

delaminação, podem estar presentes neste tipo de sistema. Os movimentos cíclicos durante o

ensaio de desgaste alternativo podem provocar a nucleação e propagação de fissuras

subsuperficiais perpendiculares ao movimento de deslizamento, fissuras essas, que não foram

observadas na análise efetuada para qualquer das condições [32]. Assim sendo, seria

necessário realizar uma análise mais detalhada às superfícies desgastadas, como por exemplo,

uma análise da subsuperfície, de maneira a obter uma informação mais completa sobre os

mecanismos de desgaste presentes no sistema.

Os resultados da análise estatística do comportamento ao desgaste serão agora

discutidos, em conjunto com a análise das superfícies desgastadas e do coeficiente de atrito. Em

suma, os fatores estatisticamente mais significativos em relação à largura das pistas de desgaste

são a carga normal e a frequência, sendo que, a carga normal é o fator estatisticamente mais

significativo. A largura das pistas de desgaste aumentou com o aumento da carga normal e da

frequência. O comportamento verificado está de acordo com o comportamento geralmente

reportado na literatura. Silva et al. estudaram o comportamento à tribocorrosão em compósitos

híbridos Ti−TiB−TiNx numa solução fisiológica. Os autores realizaram ensaios de desgaste,

usando um regime alternativo num tribómetro bola-placa. O contra corpo usado no ensaio foi

uma esfera de alumina com 10 mm de diâmetro, sendo os parâmetros utilizados, 1 e 10 N de

carga normal, 1 e 2 Hz de frequência e 30 min de tempo de deslizamento. Os autores

estudaram o comportamento ao desgaste para o compósito e para o titânio não reforçado, tendo

verificado que a largura das pistas de desgaste aumentou com o aumento da carga normal,

tanto para o titânio como para o compósito. O aumento da frequência não provocou uma

variação significativa na largura da pista de desgaste do compósito, por outro lado, o aumento da

frequência provocou um aumento na largura da pista de desgaste do titânio [78]. Num outro

estudo, Onat [77] avaliou as propriedades de desgaste em compósitos com matriz de

Al−4.5Cu−3Mg reforçados com SiC (15 % em volume), usando deslizamento em seco. Os

autores realizaram ensaios de desgaste com deslizamento unidirecional em seco, usando um

equipamento de desgaste pino-disco. O contra corpo usado no ensaio foi um disco em aço (AISI

D2), sendo os parâmetros utilizados, 5, 10 e 15 N de carga normal, 0.5, 1 e 2 m/s de


velocidade de deslizamento e 1000 m de distância de deslizamento. Os autores concluíram que

a quantidade de desgaste, no geral, aumenta com o aumento da velocidade de deslizamento e

com o aumento da carga aplicada.

Em relação ao volume de desgaste, o fator estatisticamente mais significativo é a carga

normal, seguindo-se a frequência. O volume de desgaste aumentou com o aumento da carga

normal. Este tipo de comportamento é geralmente esperado, uma vez que, o aumento da carga

normal provoca um maior desgaste no material. Vários autores verificaram este tipo de

comportamento nos seus estudos [43,75,80]. Por exemplo, Toptan et al. [75] estudaram o

comportamento ao desgaste em compósitos de matriz de AlSi9Cu3Mg reforçada com partículas

de B4C (15 e 19 % em volume), usando deslizamento em seco com movimento alternativo. O

contra corpo usado no ensaio foi um pino de aço (AISI 4140) com 5 mm de diâmetro, sendo os

parâmetros utilizados, 20 e 40 N de carga normal, 0,02 e 0,03 m/s de velocidade de

deslizamento e 200 e 400 m de distância de deslizamento. Os autores verificaram que o volume

de desgaste aumentou com o aumento da carga normal.

O volume de desgaste também aumentou com o aumento da frequência. O

comportamento registado é também geralmente aceite e reportado na literatura. Zhiqiang et al.

[81] avaliaram o desgaste em compósitos de matriz de alumínio reforçado com partículas de

silício (9% em volume). Os autores realizaram ensaios de desgaste com deslizamento

unidirecional em seco, usando um equipamento de desgaste anel-bloco. O contra corpo usado

no ensaio foi um anel de aço com 40 mm de diâmetro e 10 mm de espessura, sendo os

parâmetros utilizados, 23, 49 e 73 N de carga normal, 0.313, 0.405, 0.625 e 0.81 m/s de

velocidade de deslizamento e 30 min de tempo de deslizamento. Os autores concluíram que o

volume de desgaste aumentou com o aumento da velocidade de deslizamento.

Para além dos fatores já discutidos, a interação A*B, isto é, entre o volume de reforço e

a carga normal, é também física e estatisticamente significativa para o volume de desgaste.

Como já foi referido na análise das superfícies desgastadas, as partículas de reforço foram

fragmentadas durante o deslizamento, como pode ser observado através da figura 37. Com o

aumento da carga normal, é possível que haja maior número de partículas de reforço que

tenham sido fragmentadas, bem como, a fragmentação possa ter sido superior nas próprias

partículas. Esse aumento de pequenas partículas fragmentadas no sistema pode provocar um

maior volume de desgaste, fazendo com que esta interação seja estatisticamente significativa no

volume de desgaste.


Contrariamente ao que é extensamente reportado na literatura [5,27,40,65,80] e que

era o comportamento esperado, o volume de reforço não é um fator física e estatisticamente

significativo, tanto para a largura das pistas de desgaste, como para o volume de desgaste. A

justificação para o comportamento registado pode ser atribuída às partículas cerâmicas duras,

isto é, a contribuição positiva da adição das partículas de reforço na matriz, foi anulada com a

contribuição negativa da fragmentação das mesmas, o que criou um efeito extra abrasivo e

contribuiu para um maior desgaste no material compósito. Esta conjugação de efeitos opostos

no comportamento ao desgaste faz com que o volume de reforço não seja um fator

estatisticamente significativo na largura das pistas e no volume de desgaste. Na literatura, é

possível encontrar estudos onde este tipo de comportamento é reportado [40,76,79]. Doni et al.

[76] analisaram o comportamento à tribocorrosão em compósitos de CoCrMo reforçados com

Al2O3 (5 e 10 % em volume), obtidos através da técnica de Hot Pressing. Os autores realizaram

ensaios de desgaste numa solução fisiológica, usando um regime alternativo num tribómetro

bola-placa. O contra corpo usado no ensaio foi uma esfera de alumina com 10 mm de diâmetro,

sendo os parâmetros utilizados, 1 N de carga normal, 1 Hz de frequência e 30 min de tempo de

deslizamento. Os autores concluíram que, algumas partículas de reforço foram removidas da

matriz durante o deslizamento, provocando um maior desgaste no material compósito.

Apesar do volume de reforço não ser um fator estatisticamente significativo para a

largura das pistas de desgaste e para o volume de desgaste, os resultados da análise estatística

mostram um comportamento oposto em relação à largura das pistas e ao volume de desgaste,

isto é, a largura das pistas de desgaste diminui, ainda que ligeiramente, com o aumento do

volume de reforço, enquanto que, o volume de desgaste aumentou com o aumento do volume

de reforço. O comportamento registado pode estar ligado à fragmentação das partículas de

reforço, que podem ter provocado um maior desgaste no interior da pista, não afetando de

maneira significativa a largura das mesmas.

O tempo de deslizamento também não é um fator estatisticamente significativo, tanto

para a largura das pistas de desgaste, como para o volume de desgaste. É geralmente reportado

na literatura que o aumento do tempo de deslizamento provoca um maior desgaste nos

materiais [27,41,75,80]. Os resultados da análise estatística mostram que a largura das pistas e

o volume de desgaste aumentaram com o aumento do tempo de deslizamento, no entanto, esse

fator não é estatisticamente significativo no comportamento ao desgaste dos materiais,

contrariamente ao que era esperado. Aqui, igualmente ao volume de reforço pode ter havido


uma conjugação de efeitos opostos. Por um lado, temos o efeito negativo do desgaste do

material com o tempo de deslizamento, por outro lado, esse efeito negativo pode ter sido

contrariado com a formação de uma tribocamada na superfície do material e/ou com a

acumulação de produtos de desgaste, que foram compactados nas superfícies desgastadas

durante o deslizamento, criando uma barreira protetora na superfície dos materiais. Kim et al.

[27] estudaram as características de desgaste por fretting em compósitos de matriz de titânio,

reforçados com partículas de boreto de titânio e carboneto de titânio. Os autores usaram

diferentes percentagens de reforço (0, 5, 10 e 20% em volume) no seu estudo. O contra corpo

usado nos ensaios de desgaste foi uma esfera de aço AISI (6 mm de diâmetro) e os parâmetros

utilizados foram 6 N de carga, 150 µm de amplitude, 1 Hz de frequência e 60 min de tempo de

deslizamento. Os autores concluíram que após os 600 ciclos de deslizamento, a taxa de

desgaste estabilizou, devido à formação de um filme de óxido na superfície dos compósitos. Para

além disso, os autores concluíram que a formação do filme de óxido na superfície dos

compósitos pode reduzir o volume de desgaste.


Conclusão

O comportamento ao desgaste em compósitos Ti–Al2O3, produzidos através de técnica de

metalurgia dos pós, foi estudado numa solução fisiológica. Posto isto, foi possível concluir que:

Foi formada uma zona de reação entre a matriz e o reforço, contendo os compostos

Ti3Al e TiAl, o que indica a formação de ligações químicas na interface. Para além

disso, após os ensaios de desgaste as partículas de reforço continuam presentes na

matriz, o que é um indicativo de uma boa ligação na interface.

Da análise estatística ao comportamento ao desgaste é possível concluir que, os

fatores mais importantes na largura das pistas de desgaste são a carga normal e a

frequência. Relativamente ao volume de desgaste, os fatores mais importantes são a

carga normal e a frequência, sendo que, a interação entre o volume de reforço e a

carga normal é também estatisticamente significativa. Os resultados verificados

tanto para a largura das pistas, como para o volume de desgaste, foram geralmente

os esperados, no entanto, a importância da interação no volume de desgaste está

relacionada com a fragmentação das partículas de reforço, que provocou um efeito

extra abrasivo.

Através das análises do coeficiente de atrito, contra corpo e superfícies desgastadas,

concluiu-se que os mecanismos de desgaste presentes no sistema são uma

combinação de desgaste por abrasão, adesão e triboquímico.

Estatisticamente, não se verificou uma melhoria no comportamento ao desgaste do

compósito, em relação ao titânio não reforçado, devido a uma conjugação de efeitos

opostos, isto é, a contribuição positiva da adição das partículas de reforço na matriz,

foi anulada com a contribuição negativa da fragmentação das mesmas.


Trabalhos Futuros

Este trabalho apresenta uma primeira abordagem do comportamento ao desgaste em

compósitos Ti–Al2O3, com o objetivo de ser utilizado em implantes biomédicos. No entanto,

devem ser realizados estudos mais aprofundados, de maneira a obter um conhecimento mais

detalhado sobre o material em questão. Serão, por isso, dadas algumas sugestões para

trabalhos futuros:

Otimizar as condições de processamento do compósito, isto é, a temperatura e o

tempo ideal para o estágio de sinterização, recorrendo por exemplo, à análise

dilatométrica e ATD/TG.

Reduzir a porosidade residual, otimizando os parâmetros de processamento ou em

alternativa recorrendo a outras técnicas de processamento, como por exemplo, hot

Pressing.

Reduzir o tamanho das partículas de reforço, de modo a evitar a sua fragmentação.

Analisar a subsuperfície das pistas de desgaste de maneira a obter uma informação

mais detalhada sobre os mecanismos de desgaste presentes no sistema.

Avaliar o comportamento ao desgaste do compósito em questão, variando a

percentagem de reforço.

Estudar o comportamento à corrosão e tribocorrosão para os compósitos em

questão, uma vez que o principal campo de aplicação são os implantes biomédicos.


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André Filipe Ferreira Oliveira...Figura 4 - Diagrama de Ashby do módulo de Young versus a...

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