estudo das forças de usinagem e da resistência mecânica do titânio

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica

DEM/POLI/UFRJ

ESTUDO DAS FORÇAS DE USINAGEM E DA RESISTÊNCIA MECÂNICA DO

TITÂNIO PURO PROCESSADO POR EXTRUSÃO ANGULAR EM CANAL

Fernanda de Castro Monte Schröder

PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO

DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS

REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE

ENGENHEIRO MECÂNICO.

Aprovado por:

________________________________________________ Prof. Anna Carla Monteiro de Araújo (Orietador)

________________________________________________ Prof. Daniel Alves Castello

________________________________________________ Prof. Fernando Pereira Duda

________________________________________________ Prof. Juan Carlos Garcia de Blas

________________________________________________

Fábio de Oliveira Campos (Coorientador)

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

AGOSTO DE 2014

i

Resumo

Atualmente, os implantes para aplicações médicas e ortodônticas são usualmente

fabricados com ligas de titânio, por exemplo, o Ti-6Al-4Ve o Ti-13Nb-13Zr. Apesar de

trazer benefícios como o aumento resistência mecânica, os elementos de liga ainda

apresentam desvantagens, principalmente, a possibilidade de ocorrerem processos

inflamatório-infecciosos na região do implante. O titânio puro, sem elementos de liga,

pode ter sua resistência mecânica elevada pelo refinamento de grãos, o que seria uma

alternativa visando a inibir problemas de biocompatibilidade. Neste sentido, a técnica de

Extrusão Angular em Canal é utilizada para consolidação do pó metálico de titânio e

refinamento do grão visando à obtenção de titânio puro nanoestruturado. O presente

trabalho apresenta uma comparação entre a resistência mecânica do titânio maciço

comercialmente puro e do pó de titânio processado por Extrusão Angular em Canal. Em

seguida, a usinabilidade do material produzido por metalurgia do pó e processado por

Extrusão Angular em Canal é avaliada segundo as forças de corte envolvidas no

processo de fresamento dos corpos de prova.

ii

Agradecimentos

Gostaria de iniciar agradecendo minha orientadora, Professora Anna Carla, por

ter me aceitado como sua orientada e ter me guiado nesta última etapa da minha

graduação em Engenharia Mecânica. Mesmo com todas as suas demais atribuições, ela

esteve sempre disponível. Fico imensamente grata pelo tempo e emprenho que ela

dedicou a mim, a minha instrução e minha formação acadêmica e também pessoal.

Gostaria de dizer um grande obrigada também ao Fábio Campos, que tanto me

ajudou na realização deste projeto, e a todos os colaboradores do CEFCON - Centro de

Estudos em Fabricação e Comando Numérico da COPPE/UFRJ, que se mostraram

sempre solícitos.

Obrigada aos Professores Juan e Lula por terem fornecido as amostras de

material e terem coorientado este projeto possibilitando minha aproximação com a

Engenharia Metalúrgica e de Materiais.

Professor Daniel e Professor Duda, agradeço por terem aceitado fazer parte da

banca examinadora deste projeto final de graduação.

Cássio e Welington, muito obrigada por me receberem tão bem no INT –

Instituto Nacional de Tecnologia e por terem contribuido para minha formação e para o

enriquecimento deste projeto.

Agradeço a Professora Carolina Cotta, que emprestou o quarto eixo pertencente

ao LabMens – Laboratório de Microfluídica e Microssistemas da COPPE/UFRJ, e o

Professor Sylvio José, que disponibilizou o material necessário do Laboratório de

Tribologia e Metrologia Dimensional da COPPE/UFRJ para a correta instalação e

alinhamento do quarto eixo na microfresadora.

Por fim, gostaria de agradecer a Deus, a minha família e amigos que

indiretamente contribuiram não só para este projeto mas para minha formação como um

todo. Max e Paula, obrigada por prezarem sempre pela minha educação e estarem

sempre ao meu lado. Romain, merci beaucoup por estar sempre tão presente mesmo a

9.168,38 km de distância de mim.

iii

Índice

I. Introdução ...................................................................................................... 1

II. Revisão Bibliográfica .................................................................................... 4

II.1. Processo de Deformação Plástica Severa ............................................... 4

II.1.1. Processo de ECAP convencional com barras .................................. 4

II.1.2. Consolidação de produtos da Metalurgia do Pó por ECAP ............ 7

II.2. Caracterização mecânica ........................................................................ 7

II.2.1. Ensaio de flexão em 3 pontos .......................................................... 8

II.3. Usinagem do Titânio ............................................................................ 10

II.3.1. Usinabilidade do titânio e suas ligas ............................................. 10

II.3.2. Usinagem do titânio processado por ECAP .................................. 12

III. Materiais e Métodos .................................................................................... 14

III.1. Material dos corpos de prova................................................................ 14

III.2. Fabricação de corpos de prova ............................................................. 17

III.3. Ensaios de Flexão ................................................................................. 21

III.4. Medição das forças de usinagem .......................................................... 23

IV. Resultados e Discussões .............................................................................. 27

IV.1. Ensaios de flexão .................................................................................. 27

IV.2. Usinagem das amostras de titânio ........................................................ 31

V. Conclusões ................................................................................................... 41

Referências Bibliográficas .............................................................................................. 43

Apêndice ..................................................................................................................... 46

iv

Índice de Figuras

Figura 1. Representação esquemática do processo típico de ECAP (adaptado de

VALIEV e LANGDON, 2006) ......................................................................................... 5

Figura 2. Forças compressiva e trativa sobre um corpo de prova durante ensaio de

flexão em 3 pontos (adaptado de WOLFF et al., 2013) .................................................... 8

Figura 3. Esquema ilustrativo de um dispositivo de ensaio de flexão em 3 pontos

(adaptado de CRANDALL et al., 1978)............................................................................ 9

Figura 4. Forças de corte no torneamento para as amostras 0X, 4XH e #5 (Fonte:

ANTONIALLI et al., 2012) ............................................................................................ 13

Figura 5. Microestrutura da chapa de titânio observada em microscópio ótico.

Aumento: 200 X. ............................................................................................................. 15

Figura 6. Ilustração do conjunto invólucro + pastilhasutilizado para o processamento

do pó de titânio compactado na matriz de ECAP ............................................................ 16

Figura 7. Microscopia ótica (ataque com reagente de Kroll) da amostra de pó de

titânio puro grau 2 compactado após os 2 passes de ECAP (adaptado de

CARVALHO et al., 2014). .............................................................................................. 17

Figura 8. Representação esquemática e parâmetros da ferramenta de corte (a) e

imagem da fresa inserida no porta-ferramenta da micro fresadora (b) ............................ 18

Figura 9. Verificação da inclinação da amostra de Ti CP ............................................... 19

Figura 10. Usinagem de corpo de prova para ensaio de flexão ....................................... 20

Figura 11. Dispositivo de apoio e punção utilizados nos ensaios de flexão em 3

pontos .............................................................................................................................. 22

Figura 12. Esquema ilustrativo do sistema de aquisição das forças de corte .................. 24

Figura 13. Posicionamento do dinamômetro em relação à direção de avanço –

usinagem Ti CP ............................................................................................................... 25

Figura 14. Posicionamento do dinamômetro em relação à direção de avanço –

usinagem Ti 2X ............................................................................................................... 26

v

Figura 15. Amostras de Ti CP (a) e de Ti 2X (b) ao término do ensaio de flexão em 3

pontos .............................................................................................................................. 27

Figura 16. Gráfico da tensão X deformação resultante do ensaio de flexão em 3

pontos do titânio maciço comercialmente puro ............................................................... 28

Figura 17. Gráfico da tensão X deformação resultante do ensaio de flexão em 3

pontos do pó de titânio comercialmente puro consolidado por ECAP ............................ 29

Figura 18. Mapa de distribuição de fases: amostra submetida a 1 passe EAC à

temperatura de 375°C (Fonte: CARVALHO et al., 2014) .............................................. 30

Figura 19. Forças experimentais de usinagem da amostra Ti CP .................................... 31

Figura 20. Forças experimentais de usinagem da amostra Ti 2X .................................... 32

Figura 21. Forças experimentais não filtradas de usinagem da amostra Ti CP para 4

rotações da ferramenta ..................................................................................................... 33

Figura 22. Forças experimentais filtradas de usinagem da amostra Ti CP para 4


Figura 23. Forças experimentais não filtradas de usinagem da amostra Ti 2X para 4


Figura 24. Forças experimentais filtradas de usinagem da amostra Ti 2X para 4


Figura 25. Evolução da resultante no plano XY das forças experimentais de

usinagem da amostra Ti CP para 4 rotações da ferramenta ............................................. 36

Figura 26. Evolução da resultante no plano XY das forças experimentais de

usinagem da amostra Ti 2X para 4 rotações da ferramenta ............................................. 36

Figura 27. Forças de corte máximas alcançadas por rotação na usinagem das

amostras Ti CP e Ti 2X. A barra de erro corresponde a três vezes o valor do desvio

padrão das medidas. ......................................................................................................... 37

Figura 28. Média das amplitudes das forças de corte por dente na usinagem das

amostras Ti CP e Ti 2X. A barra de erro corresponde a três vezes o valor do desvio

padrão das medidas. ......................................................................................................... 38

vi

Figura 29. Média das amplitudes da resultante no plano XY por rotação na usinagem

das amostras Ti CP e Ti 2X para cada dente da ferramenta. A barra de erro

corresponde a três vezes o valor do desvio padrão das medidas. .................................... 40

Figura 30. Forças de corte máximas alcançadas por rotação em cada passe da

usinagem da amostra Ti CP ............................................................................................. 46

Figura 31. Amplitudes das forças de corte por dente na usinagem da amostra Ti CP .... 46

Figura 32. Amplitudes da resultante no plano XY por rotação na usinagem da

amostra Ti CP para cada dente da ferramenta ................................................................. 47

Figura 33. Forças de corte máximas alcançadas por rotação em cada passe da

usinagem da amostra Ti 2X ............................................................................................. 47

Figura 34. Amplitudes das forças de corte por dente na usinagem da amostra Ti 2X .... 48

Figura 35. Amplitudes da resultante no plano XY por rotação na usinagem da

amostra Ti 2X para cada dente da ferramenta ................................................................. 48

vii

Índice de tabelas

Tabela 1. Propriedades mecânicas do Ti CP grau 2 processado por ECAP (adaptado

de XIRONG et al., 2009) .................................................................................................. 6

Tabela 2. Composição química do titânio maciço comercialmente puro grau 2 ............. 14

Tabela 3. Composição química do pó de titânio comercialmente puro grau 2 ............... 15

Tabela 4. Especificações técnicas da micro fresadora CNC Mini-Mill/GX.................... 17

Tabela 5. Parâmetros de corte utilizados na fabricação de corpos de prova ................... 20

Tabela 6. Média e desvio padrão dos valores máximos de Fz e Fxy por rotação ........... 38

Tabela 7. Média e desvio padrão das amplitudes de Fz e Fxy por dente ........................ 39

Tabela 8. Média e desvio padrão das amplitudesdeFxyalcançadaspor rotação para

cada dente da ferramenta ................................................................................................. 40

1

I. Introdução

Recentemente, o uso do titânio e suas ligas para fins biomédicos tem se

intensificado, sendo comumente utilizados para fabricação de implantes, pinos,

próteses, etc. Os elementos de liga são imprescindíveis para a melhoria das propriedades

mecânicas do material tornando-o mais próximo do osso humano, com o aumento da

resistência mecânica e diminuição do módulo de elasticidade, mas vão de encontro a

maior vantagem do titânio, sua biocompatibilidade.

Por ser fisiologicamente inerte, o titânio propicia uma melhor osteointegração e

diminui o risco de reações adversas no organismo humano. No entanto, elementos como

o vanádio presentes na liga Ti-6Al-4V – amplamente usada em implantes – podem

eventualmente afetar a biocompatibilidade do material (DHEDA et al., 2011). Surge,

assim, a necessidade de se trabalhar o titânio comercialmente puro (Ti CP) visando a

torná-lo apto a aplicações biomédicas, inicialmente ortodônticas, que requerem uma

resistência mecânica menos elevada.

A busca pelo aumento da resistência mecânica do Ti CP se concentra no impacto

do tamanho médio do grão na sobre as propriedades mecânicas dos materiais metálicos.

A relação de Hall-Petch já evidencia a pronunciada evolução das propriedades

mecânicas mediante o refino do grão (BLAS et al., 2008). Advém deste fato o interesse

por materiais metálicos nanoestruturados que, neste trabalho, representam a

possibilidade de se alcançar boa resistência mecânica sem comprometer a

biocompatibilidade do titânio. Neste sentido, a Extrusão Angular em Canal, uma técnica

de Deformação Plástica Severa, tem se mostrado um eficiente mecanismo de redução do

tamanho de grão permitindo a obtenção de materiais metálicos nanoestruturados.

O interesse desta técnica para fins deste projeto repousa ainda no fato da

Extrusão Angular em Canal se prestar à consolidação de pós metálicos. Sendo assim, a

matéria prima utilizada pode ser tanto sólido metálico ou pó metálico de titânio.

Optando-se por utilizar pó metálico na concepção do titânio nanoestruturado, a técnica

de Extrusão Angular em Canal possui um duplo objetivo: o de consolidar as partículas

de pó de titânio e o de refinar os grãos a fim de melhorar as propriedades mecânicas do

material.

2

A escolha de trabalhar com pó de titânio justifica-se pelo fato da Metalurgia do

Pó propiciar a produção de amostras pré compactadasde titânio puro mais homogêneas e

por um menor custo quando comparada a outros processos de conformação mecânica

(LAPOVOK et al., 2008). Além disso, o material assim produzido apresenta macro e

micro porosidades que permitem a introdução de tecido ósseo nos poros, aumentando a

osteointegração, a estabilidade e a vida útil do material.

O presente trabalho se insere no contexto de pesquisa iniciada a partir de uma

parceria entre o Programa de Engenharia Metalúrgica e de Materiais (PEMM/ UFRJ) e

o Instituto Nacional de Tecnologia (INT). A pesquisa tem por objetivo o

desenvolvimento de titânio puro nanoestruturado para aplicação em implantes

cirúrgicos. Sendo assim, titânio puro sintetizado por Metalurgia do Pó é processado por

Extrusão Angular em Canal, que consolida o material particulado e reduz o tamanho dos

grãos visando ao aumento da resistência mecânica.

O material assim produzido deve ser caracterizado através de ensaios mecânicos

e técnicas de microscopia. As novas propriedades atingidas são, então, comparadas com

as do titânio maciço comercialmente puro, adquirido do mercado. O propósito final é

alcançar propriedades mecânicas melhoradas no titânio puro sem a introdução de

elementos de liga, mas sim através de uma técnica de Deformação Plástica Severa.

Além disso, à medida que surge um novo material com novas características

mecânicas, é interessante avaliá-lo do ponto de vista da fabricação mecânica, em

particular da usinagem, que é um dos processos mais utilizados para obtenção do

produto final. Apesar de ser possível encontrar na literatura inúmeras referências sobre

o efeito do refinamento dos grãos no comportamento mecânico dos materiais, dados

com relação ao efeito sobre a usinabilidade dos mesmos é praticamente inexistente

(ANTONIALLI et al., 2012). Sendo assim, torna-se importante avaliar a usinabilidade

do titânio nanoestruturado, o que pode ser realizado a partir de um estudo das forças de

corte.

Desta forma, este projeto final de graduação visava, inicialmente, à obtenção de

corpos de prova para ensaios mecânicos e, em seguida, evolui-se para um objetivo

duplo: 1) comparar o comportamento mecânico de corpos de prova de titânio

nanoestruturado resultante do processamento em duas etapas - compactação do pó de

titânio (metalurgia do pó) e Extrusão Angular em Canal (conformação mecânica) - e de

3

titânio maciço comercialmente puro adquirido no mercado e 2) comparar a

usinabilidade dos dois materiais em questão a partir de um comparativo das forças de

usinagem envolvidas no processo.

4

II. Revisão Bibliográfica

II.1. Processo de Deformação Plástica Severa

Os tratamentos termomecânicos tradicionais se restringem a reduzir o tamanho

de grãos alcançando poucos micrômetros no melhor dos cenários, não sendo possível

produzir grãos em escala nanométrica ou submicrométrica (BLAS et al., 2008). Em

virtude desta limitação, a obtenção de estruturas granulares ultrafinas através de

processos de Deformação Plástica Severa (DPS) tem despertado grande interesse nas

últimas décadas. DPS engloba diferentes técnicas de conformação do metal visando

sempre a atingir elevados níveis de tensão no material e, em decorrência, extrema

redução do tamanho dos grãos, o que implica melhoria das propriedades mecânicas

(VALIEV e LANGDON, 2006; XIRONG et al., 2009).

Dentre as técnicas existentes de DPS, destaca-se o processo de Extrusão Angular

em Canal, amplamente conhecido pela sigla ECAP, referente à sua designação em

inglês Equal-Channel Angular Pressing. Esta técnica possui um potencial indiscutível

para produção de materiais metálicos nanoestruturados com propriedades novas e

diferenciadas, como apresentado mais adiante. Além do mais, é capaz de produzir

estruturas de grãos ultrafinos sem alterar a área da seção transversal da amostra

processada – característica importante do processamento de materiais por Deformação

Plástica Severa – diferenciando-o de processos convencionais de conformação de metais

(VALIEV e LANGDON, 2006).

Em VALIEV e LANGDON (2006) podemos encontrar uma apresentação dos

diferentes processos de Extrusão Angular em Canal desenvolvidos recentemente e

utilizados para refinamento de grão. O foco do presente trabalho está no processamento

convencional de barras por ECAP e, mais além, na aplicação deste processo para

consolidação de materiais pré-compactados oriundos da Metalurgia do Pó, assim como,

na obtenção de estruturas granulares ultra finas.

II.1.1. Processo de ECAP convencional com barras

O princípio de funcionamento do processo convencional de ECAP (Equal-

Channel Angular Pressing) está ilustrado na figura 1. Como pode ser visto, o aparato

5

experimental é composto de uma matriz com um canal interno dobrado em um ângulo

abrupto, que na ilustração abaixo é igual 90°, e um punção responsável por exercer uma

força perpendicular a face superior da matriz.

Figura 1. Representação esquemática do processo típico de ECAP (adaptado de VALIEV e LANGDON, 2006)

A amostra a ser processada, na forma de barra de seção quadrada ou cilíndrica, é

inserida na matriz e forçada a passar através do canal sob a ação da força aplicada pelo

punção. Desta forma, ao passar pelo dobramento do canal, a amostra experimenta uma

grande deformação por cisalhamento.

Não obstante às elevadas tensões de cisalhamento às quais foi submetida, a

amostra emerge da matriz sem alteração dimensional da sua seção transversal podendo,

assim, ser reintroduzida no canal repetidamente visando ao acúmulo de tensões

extremamente elevadas e um alto nível de deformação do material (VALIEV e

LANGDON, 2006).

É importante ressaltar que é possível ativar diferentes planos de escorregamento

e atingir um menor ou maior grau do refino da granulação manipulando algumas

variáveis do processo: ângulo de dobramento do canal, número de passes pelo canal,

temperatura e rotação da amostra entre passes consecutivos. Com relação a esta última,

6

a amostra pode ser submetida a rotações de 180° ou 90° segundo seu eixo longitudinal

ou transversal, respectivamente. Dá-se o nome de “rota” às possíveis combinações de

rotações da amostra em diferentes sentidos entre os consecutivos passes pelo canal.

Convencionalmente admite-se 4 rotas (A, BA, BC, C). Segundo a rota C, por exemplo, a

amostra é girada de 180° em torno do seu eixo longitudinal entre os passes, retonando a

sua forma original após passes de ordem par (BLAS et al., 2008).

Resultados sobre o refinamento de grãos do titânio através de Extrusão Angular

em Canal podem ser encontrados na literatura. XIRONG et al. (2009) realizou

experimentos sobre o titânio comercialmente puro grau 2 e chegou a resultados bastante

positivos. Depois de o material ter sido submetido a 4 passes segundo a rota BC, em um

canal cujo ângulo de dobramento era de 120° e a temperatura ambiente o tamanho

médio dos grãos foi reduzido de 28µm para 250nm. Com isso, ao final foi registrado um

ganho de 74% no limite de escoamento (de 390 MPa para 680 MPa, como mostra a

Tabela 1), de 63% na tensão última de ruptura e de 56% na microdureza; enquanto o

alongamento percentual sofreu uma breve redução, ainda assim mantendo uma certa

ductilidade desejável.

Tabela 1. Propriedades mecânicas do Ti CP grau 2 processado por ECAP (adaptado de XIRONG et al., 2009)

Fase do processamento

Limite de escoamento

[MPa]

Tensão última de ruptura

[MPa]

Alongamento percentual

[%]

Microdureza [MPa]

Material não processado

390 474 36.4 1589

Após 1 passe 520 619 18.2 2067

Após 2 passes 580 703 17.03 2405

Após 3 passes 640 730 14.53 2450

Após 4 passes 680 773 16.82 2486

Uma importante observação é feita em GUNDEROV et al. (2013). Existe um

limite para os ganhos em termos de melhorias das propriedades mecânicas do titânio

puro processado por ECAP. Sob condições experimentais, ligeiramente diferentes das

anteriores, o estudo revelou que as propriedades atingem um patamar após o 6º passe.

7

II.1.2. Consolidação de produtos da Metalurgia do Pó por ECAP

A Extrusão Angular em Canal, geralmente direcionada ao processamento de

metais sólidos, pode também ser aplicada na consolidação de pós metálicos, oferecendo

igualmente bons resultados na obtenção de estruturas de tamanhos de grão reduzidos.

Além disso, na consolidação por ECAP as ligações são construídas pela deformação do

material geralmente à temperatura ambiente o que torna esta opção atraente face a

processos convencionais de consolidação da Metalurgia do Pó, onde a união entre

partículas ocorre por difusão envolvendo altas temperaturas e propiciando a formação

de defeitos como poros (XIA, 2010).

A desvantagem de se trabalhar com amostras pré compactadas, oriundas da

Metalurgia do Pó, reside na forte propensão de ocorrência de trincas nas superfícies

destas quando processadas (VALIEV e LANGDON, 2006). Ainda sim, o ECAP se

revela um processo útil na consolidação de pós metálicos para obtenção de estruturas de

grãos ultra finos.

II.2. Caracterização mecânica

Seja no projeto de um componente mecânico, ou no desenvolvimento de novos

materiais, de novos processos de fabricação e de novos tratamentos, é necessário um

vasto conhecimento das características, propriedades e comportamento mecânico dos

materiais. Para tal, torna-se incontornável a realização de ensaios mecânicos a partir

métodos normalizados que objetivam levantar as propriedades mecânicas de um

material e seu comportamento sob determinadas condições de esforços.

Existem diferentes tipos de ensaios de materiais, sendo alguns deles o ensaio de

tração, o ensaio de compressão, o ensaio de flexão, o ensaio de torção, etc. Eles são

padronizados, definidos por normas, de forma que seus resultados sejam significativos e

confiáveis para cada material e possam ser facilmente comparados. Os ensaios são de

grande importância para o conhecimento e comparação dos materiais, sendo necessário

para garantir segurança e eficiência durate a aplicação dos mesmos.

8

Por razões práticas o ensaio de flexão é de particular interesse para este trabalho.

Existem dois tipos principais deste ensaio: o ensaio de flexão em três pontos e o ensaio

de flexão em quatro pontos. Ambos consistem na aplicação de uma carga crescente em

determinado(s) ponto(s) de uma barra de geometria padronizada, medindo-se o valor da

carga versus a deflexão do corpo de prova. A sua grande vantagem é a utilização de

corpos de prova de geometria mais simples e, consequentemente, mais fáceis de serem

produzidos do que corpos de prova para ensaio de tração, por exemplo.

II.2.1. Ensaio de flexão em 3 pontos

O ensaio de flexão foi desenvolvido com o objetivo de determinar a resistência à

ruptura e a flecha máxima para materiais tipicamente frágeis, além de permitir avaliar

outras propriedades mecânicas, como o módulo de elasticidade em flexão. Já os

materiais dúteis, quando sujeitos a esse tipo de solicitação mecânica, são capazes de

absorver grandes deformações, ou dobramento, não fornecendo resultados quantitativos

confiáveis.

Os resultados fornecidos pelo ensaio de flexão podem variar com a temperatura,

com a velocidade da aplicação da carga, com os defeitos superficiais, com as

características microscópicas e, principalmente, com a geometria da seção transversal da

amostra.

O ensaio de flexão tem a particularidade de gerar um gradiente de tensão ao

longo espessura da amostra. Assim sendo, o corpo solicitado experimenta uma tensão

máxima positiva sob a face superior em compressão e uma tensão máxima negativa sob

a face inferior em tração. Sob a fibra neutra, no centro da amostra, a tensão é nula. Esta

distribuição de tensões trativas e compressivas está ilustrada na figura 2.

Figura 2. Forças compressiva e trativa sobre um corpo de prova durante ensaio de flexão em 3 pontos (adaptado de WOLFF et al., 2013)

A montagem de um ensaio de flexão em 3 pontos

especial adaptado à uma máquina universal de ensaios. D

apoios, afastados entre si

terceiro rolete, ajustado à parte superior da máquina de ensaios

da força exercida pela célula de carga

posicionado sobre os dois roletes de apoio e o rolete superior desce na direção z à

velocidade constante aplicando uma carga concentrada no ponto médio entre os apoios

até a falha da amostra.

Figura 3. Esquema ilustrativo de

Utilizando o modelo de viga bi apoiada sujeita à carga concentrada a meia

distância entre os apoios, tem

carga aplicada (�) é dada pela equação 1 e a deformação em flexão

face inferior no centro do corpo de prova é dada pela equação 2.

onde � é a distância entre os apoios,

e � é a máxima deflexão do corpo de prova.

A montagem de um ensaio de flexão em 3 pontos requer um dispositivo de teste

especial adaptado à uma máquina universal de ensaios. Dois roletes funcion

apoios, afastados entre si a uma distância preestabelecida – chamada “span”.

, ajustado à parte superior da máquina de ensaios, funciona como atuador

da força exercida pela célula de carga (vide figura 3). O corpo de prova é, entã



. Esquema ilustrativo de um dispositivo de ensaio de flexão em 3 pontos (adaptado de CRANDALL et al., 1978)


distância entre os apoios, tem-se que a tensão normal máxima (��á�

é dada pela equação 1 e a deformação em flexão experimentada pela

no centro do corpo de prova é dada pela equação 2.

��á� �3

2��

� ��1�

��á� �6 �

��2�

é a distância entre os apoios, � é a largura e a altura do corpo de prova

é a máxima deflexão do corpo de prova.

9

requer um dispositivo de teste

funcionam como

chamada “span”. Um

, funciona como atuador

O corpo de prova é, então,



ão em 3 pontos (adaptado de


�) em função da

experimentada pela

a altura do corpo de prova

10

O módulo de elasticidade do material também pode ser obtido de acordo com a

teoria de vigas de Bernoulli-Euler conforme equação 3, que corresponde graficamente a

tangente da curva tensão deformação no domínio elástico de deformação.

� � ��

4� ��

��3)

Sendo assim, o ensaio de flexão em 3 pontos permite a obtenção de valores do

módulo de elasticidade, tensão e deformação do corpo de prova a partir da força

aplicada e da deflexão do corpo de prova caracterizando a resposta tensão-deformação

em flexão do material.

II.3. Usinagem do Titânio

II.3.1. Usinabilidade do titânio e suas ligas

O titânio e suas ligas são conhecidos como materiais difíceis de serem usinados,

ou de má usinabilidade (RAHMAN, 2006). Entende-se por usinabilidade o grau de

dificuldade de se usinar um determinado material, que depende não somente das suas

propriedades mecânicas mas também do estado metalúrgico da peça, das condições de

usinagem, entre outros (DINIZ, 2010).

Certas características, como a alta reatividade do metal, a baixa condutividade

térmica e módulo de elasticidade reduzido, levam certos autores (ANTONIALLI et al.,

2012) a afirmarem que o titânio e suas ligas estão entre os piores materiais a serem

usinados. Apesar de não ser uma grandeza exclusivamente ligada às propriedades

intrínsecas do material, cabe neste momento apresentar as principais propriedades do

titânio e como elas influenciam a usinabilidade do mesmo.

A baixa condutividade térmica implica que o calor gerado pelo corte não é

rapidamente dispersado para o interior da peça. Ao contrário, o calor permanece

concentrado na região de corte aquecendo excessivamente a ferramenta. Observa-se

também uma diminuição da resistência ao cisalhamento localizada, e uma consequente

propensão à deformação, devido a esta retenção de calor na zona de corte

(VENUGOPAL et al., 2007).

11

O elevado grau de afinidade química do titânio com a maioria dos materiais

usados para ferramentas de corte, especialmente em altas temperaturas, propicia

abrasão, microsolda e desgaste por difusão (WANG e ZHANG, 1988 apud DINIZ,

2010).

O baixo módulo de elasticidade – desejável no produto final para ser compatível

com o módulo de elasticidade do osso humano – aliado com a baixa condutividade

térmica pode acarretar dificuldades no processo de usinagem. Sob pressão da aresta de

corte, o material elástico tende a se distanciar da zona de corte e porções mais finas do

material tendem a defletir. Ao invés de cortar, a ferramenta desliza sobre a peça criando

vibrações e mais geração de calor (RAHMAN et al., 2003).

Duas grandezas igualmente importantes ainda não foram mencionadas. As ligas

de titânio apresentam em média alta dureza a quente e elevada resistência mecânica. E é

graças à ótima razão entre resistência mecânica e peso que elas são amplamente

utilizadas nas mais diversas indústrias. Cabe mencionar que os valores dessas duas

propriedades, assim como da ductilidade, variam bastante desde o titânio

comercialmente puro até as ligas β mais resistentes.

Os valores mais baixos de dureza e resistência mecânica do Ti CP favorecem a

usinabilidade contrariamente às demais propriedades já citadas. No entanto, a maior

ductilidade que acompanha estes valores mais baixos de dureza e resistência mecânica

facilita por sua vez a formação indesejável de aresta postiça de corte (DINIZ, 2010).

Tendo em vista as características supracitadas, recomendam-se velocidades de

corte baixas – 5 a 6 vezes menores do que aquelas adotadas para o corte de aços –

evitando, assim, o aumento excessivo e a acumulação do calor. A mesma preocupação

não é pertinente para a velocidade de avanço, que influencia bem menos no aumento da

temperatura, e por isso pode adquirir valores mais elevados compatíveis com a

eficiência desejada para o processo (BYRNE et al., 2003).

Com relação à ferramenta de corte, revestimento de nanocompósitos tem se

mostrado eficientes para a usinagem de ligas de titânio favorecendo altas velocidades e

alta performance, assunto explorado em LIU et al. (2013). O mesmo trabalho também

aborda a utilização de fluido de corte e compara a usinagem a seco e a técnica de

Minimum Quantity Lubrification (MQL), amplamente aplicadas ao titânio e suas ligas.

12

II.3.2. Usinagem do titânio processado por ECAP

Como mencionado previamente, o ECAP revela-se um processo eficiente no

refino do tamanho de grãos e, consequentemente, aumento da resistência mecânica do

material entre outros ganhos. Melhorias sobre as propriedades mecânicas dos materiais

graças ao refinamento dos grãos são amplamente discutidas na literatura, mas poucos

são os trabalhos voltados à discussão sobre a usinabilidade de materiais de estrutura

granular ultrafina. Em contra partida, a usinagem das amostras submetidas a tal

processo é claramente uma etapa indispensável para a posterior aplicação do material.

Em ANTONIALLI et al. (2012), a usinabilidade do Ti CP (grau 2) severamente

deformado foi estudada através do torneamento de amostras previamente submetidas ao

processo de Extrusão Angular em Canal. Constataram-se maiores forças de corte

durante a usinagem de amostras de Ti CP processadas do que amostras não processadas,

indicando assim que o processamento por ECAP degrada a usinabilidade do material. A

rugosidade superficial das amostras e desgaste da ferramenta também considerados no

estudo citado para avaliação da usinabilidade, mas não são alvo deste projeto de

graduação.

O resultado está evidente na figura 4 onde pode-se verificar que todas as

componentes da força de usinagem da amostra processada por ECAP (4XH) são

superiores às componentes da força necessária para usinar a amostra de titânio

comercialmente puro (0X), em particular a força principal de corte (Fc), que teve seu

valor praticamente duplicado. Pode-se observar também que as forças de usinagem da

amostra 4XH equiparam-se às forças de usinagem da amostra da liga Ti-6Al-4V (#5),

sendo ainda ligeiramente superiores.

13

Figura 4. Forças de corte no torneamento para as amostras 0X, 4XH e #5 (Fonte: ANTONIALLI et al., 2012)

O trabalho de ANTONIALLI et al. (2012) se aproxima bastante da etapa

relacionada a usinagem de corpos de provas deste projeto. No entanto, cabe ressaltar

que será empregado o fresamento e não o torneamento. Além disso, enquanto o referido

trabalho só estudou o titânio comercialmente puro adquirido diretamente sob a forma de

sólido metálico, neste projeto trabalha-se também com titânio puro oriundo da

Metalurgia do Pó, ou seja, amostras de pó metálico pré-compactado que são

consolidadas por ECAP e, em seguida, usinadas. Apesar dessas duas diferenças,

ANTONIALLI et al. (2012) fornece uma antecipação dos resultados esperadosna

usinagem dos corpos de prova deste projeto.

14

III. Materiais e Métodos

Este capítulo se destina a apresentação dos materiais que foram trabalhados ao

longo do projeto, bem como os métodos empregados. A primeira seção explica a

proveniência dos materiais utilizados na obtenção das amostras de titânio, bem como os

tratamentos prévios aos quais foram submetidas. A três seções seguintes do capítulo

apresentam os procedimentos experimentais adotados na fabricação dos corpos de

prova, no ensaio mecânico de flexão e na medição das forças de usinagem.

III.1. Material dos corpos de prova

Ao longo do projeto, trabalhou-se com duas amostras de titânio puro grau 2,

intituladas Ti CP e Ti 2X, que se distinguem conforme explicado nos parágrafos a

seguir.

A amostra Ti CP, tomada como referência de material de estrutura granular não

refinada, provém de uma chapa detitânio comercialmente puro grau 2 laminado e

posteriormente recozido. Sua composição química encontra-se na tabela 2. Ademais,

verifica-se através da metalografia do material (figura 5) uma microestrutura

homogênea constituída por grãos (cristais) poligonais, aproximadamente equiaxiais,

típica de um material puro.

Tabela 2. Composição química do titânio maciço comercialmente puro grau 2

Elemento Fe O C N H

% em massa 0.30 0.25 0.08 0.03 0.015

15

Figura 5. Microestrutura da chapa de titânio observada em microscópio ótico. Aumento: 200 X.

Além da microestrutura com grãos grosseiros de aproximadamente 30 µm em

média, é conhecido sua dureza de 161 HV. Conforme já mencionado, este material deu

origem à amostra controle servindo de referencial comparativo para a análise da amostra

subsequente, produzida pela Metalurgia do Pó e processada por ECAP.

A preparação da amostra Ti 2X iniciou-se com a compactação uniaxial à

temperatura ambiente com pressão de 730 Mpa de pó metálico de titânio puro grau 2 no

Instituto Nacional de Tecnologia (INT). A tabela 3 apresenta a composição química do

pó de titânio com granulometria inferior a 149 µm. Verifica-se que os teores de

nitrogênio e de hidrogênio encontrados na amostra excedem os limites máximos de 0.03

e 0.015 % em massa, respectivamente, especificados pela norma ASTM F67-89.

Tabela 3. Composição química do pó de titânio comercialmente puro grau 2

Elemento Fe O C N H Mn

% em massa 0.189 0.097 0.018 0.517 0.195 0.07

Cabe ressaltar neste momento que a pastilha compactada resultante do processo

de metalurgia do pó mencionado no parágrafo anterior possui aproximadamente ¼ de

16

polegada de diâmetro e uma altura máxima de ½ polegada devido ao limite de

capacidade da prensa de compactação de pós.

Uma vez que o material a ser processado por Extrusão Angular em Canal não

era maciço, um invólucro de aço 1020 com seção quadrada de 12.7 mm e furo interno

central de 6.3 mm de diâmetro foi preenchido com uma pastilha de pó compactado de

aproximadamente 12.7 mm de altura e outras duas com aproximadamente 6.3 mm de

altura, conforme esquema ilustrativo da figura 6.

Figura 6. Ilustração do conjunto invólucro + pastilhasutilizado para o processamento do pó de titânio compactado na matriz de ECAP

O material de estrutura granular refinada foi, finalmente, concebido através dois

passes em uma matriz de ECAP, cuja angulação do canal era de 90°, a 375ºC segundo a

rota C, na qual o corpo de provasofre rotação de 180° entre os passes. Esta etapa da

obtenção da amostra Ti 2X foi realizada no Laboratório de Processamento

Termomecânico – Bio Matriais, da COPPE – UFRJ.

Após as duas etapas de processamento – metalurgia do pó e conformação

mecânica – a amostra Ti 2X apresentou um tamanho médio de grão reduzido para 1.32

µm e uma dureza elevada para 264 HV. Já a porosidade relativa foi diminuída de 4%,

referente ao material compactado, para 0.82% após o ECAP. A microestrutura final da

amostra após as etapas de processamento pode ser vista na figura 7.

17

Figura 7. Microscopia ótica (ataque com reagente de Kroll) da amostra de pó de titânio puro grau 2 compactado após os 2 passes de ECAP (adaptado de CARVALHO et al., 2014).

III.2. Fabricação de corpos de prova

Esta etapa do trabalho se dedicou à obtenção de corpos de prova para ensaio de

flexão, a fim de avaliar as melhorias das propriedades mecânicas em decorrência do

refinamento de tamanho médio dos grão proporcionado pelo ECAP.

O desafio desta parte experimental reside nas dimensões diminutas dos corpos

de provas a serem usinados com a preocupação de evitar a introdução de deformações

internas desnecessárias na microestrutura do material. Para tal, a usinagem das amostras

foi realizada em uma microfresadora CNC, Mini-Mill/GX da Minitech Machinery

Corporation, nas instalações do Centro de Estudos em Fabricação e Comando

Numérico (CEFCON) da COPPE/UFRJ. As principais características da máquina-

ferramenta em questão estão resumidas na tabela 4.

Tabela 4. Especificações técnicas da micro fresadora CNC Mini-Mill/GX

Rotação máxima 60000 rpm

Curso máximo longitudinal (eixo x) 300 mm

Curso máximo transversal (eixo y) 228 mm

Curso máximo vertical (eixo z)Superfície da mesa de fixação

A opção de trabalhar em uma micro

reduzido dos corpos de provas, mas também pelas

excelente controle do acabamento superficial, mesmo se este não é um ponto crítico

neste trabalho, proporciona resultados precisos e produtos de alta qualidade e permite

valores bem pequenos para o avanço por rotação, o que é e

material potencialmente frágil.

A ferramenta escolhida foi uma fresa de topo de 3 mm de diâmetro, 2 dentes,

inteiriça de metal duro, fabricada pela

2-1250-S. Demais parâmetros da fer

é recomendada tanto para materiais ferrosos como não

Figura 8. Representação esquemática e parâmetros da ferramenta de corte (a) e imagem da fresa inserida no porta

A amostra de Ti CP fornecida

diâmetro e 12,70 mm de comprimento. Esta geom

de pré-compactado de titânio que são inseridas

forçadas a passar através do canal da matriz de ECAP

anterior. Desta forma, a primeira amostra a ser usinada

demais.

Tomou-se como referência a norma

corpos de prova para ensaio de flexão, a saber, uma barra de

4.2 mm de espessura e 2.1 mm de altura

Curso máximo vertical (eixo z) 228 mm

Superfície da mesa de fixação 152.4 x 444.5 mm

opção de trabalhar em uma microfresadora se deu não apenas pelo tamanho

reduzido dos corpos de provas, mas também pelas seguintes razões: permite um



valores bem pequenos para o avanço por rotação, o que é essencial quando se usina um

material potencialmente frágil.


inteiriça de metal duro, fabricada pela Performance Micro Tool e cuja referência é SR

Demais parâmetros da ferramenta são apresentados na figura 8.

é recomendada tanto para materiais ferrosos como não-ferrosos.

Representação esquemática e parâmetros da ferramenta de corte (a) e imagem da fresa inserida no porta-ferramenta da micro fresadora (b)

A amostra de Ti CP fornecida possuía a forma de um cilindro

diâmetro e 12,70 mm de comprimento. Esta geometria reproduz a forma das amostras

compactado de titânio que são inseridas no invólucro de aço e, em seguida,

forçadas a passar através do canal da matriz de ECAP, conforme descrito na sessão

. Desta forma, a primeira amostra a ser usinada já apresenta a geometria das

se como referência a norma ASTM B 925-08 para a geometria dos

corpos de prova para ensaio de flexão, a saber, uma barra de 10 mm de comprimento,

4.2 mm de espessura e 2.1 mm de altura aproximadamente. Essas dimensões

18

152.4 x 444.5 mm

fresadora se deu não apenas pelo tamanho

seguintes razões: permite um



ssencial quando se usina um


e cuja referência é SR-

ramenta são apresentados na figura 8. Sua aplicação

Representação esquemática e parâmetros da ferramenta de corte (a) e imagem da fresa

cilindro de 6,25 mm de

etria reproduz a forma das amostras

de aço e, em seguida,

, conforme descrito na sessão

presenta a geometria das

para a geometria dos

10 mm de comprimento,

Essas dimensões

19

correspondem a 1/3 daquelas preconizadas pela referida norma devido à limitação de

tamanho das amostras de material em decorrência da capacidade da prensa de

compactação, conforme já mencionado.

Para obter a geometria supracitada, optou-se por utilizar um quarto eixo rotativo

(vide figura 9) para fixar a peça. Este dispositivo, cujo acionamento também era feito

pelo software de comando da micro fresadora, permitiu a rotação automática da peça

possibilitando o fresamento de topo das quatro faces da geometria final da amostra. Em

seguida, o material restante que estava preso nas castanhas do quarto eixo para

fixaçãoda peça foi removido também por fresamento de topo estando, desta vez, a

amostra fixa em uma morsa.

Antes de iniciar a usinagem da amostra foi preciso alinhá-la com relação ao

plano de trabalho da máquina, etapa fundamental a fim de evitar desvios das dimensões

finais desejadas. Para verificar a inclinação da amostra utilizou-se um relógio

comparador. Com este último fixo, fazia-se o quarto eixo girar e registrava-se a

oscilação do ponteiro do relógio. Com as castanhas ligeiramente afrouxadas, a

inclinação era corrigida com leves toques na peça até o ponteiro do relógio voltar à

posição inicial. O procedimento foi, então, repetido inúmeras vezes. Ao final, o relógio

comparador percorria longitudinalmente a peça e a verificação se deu por concluída

quando a inclinação da amostra era da ordem de centésimos de milímetro.

Figura 9. Verificação da inclinação da amostra de Ti CP

20

Com relação aos parâmetros de corte, optou-se por valores conservadores de

velocidade de avanço e inversamente para velocidade de corte a fim de evitar a

formação de aresta postiça de corte, que ocorre em baixas velocidades de corte, mas

também buscando um compromisso a fim de evitar a acumulação excessiva de calor no

contato peça ferramenta. Com o intuito de estabelecer parâmetros já adaptados ao

próximo material, potencialmente frágil e com trincas superficiais, foi escolhido um

avanço por dente pequeno. A tabela 5 apresenta os parâmetros de corte selecionados.

Tabela 5. Parâmetros de corte utilizados na fabricação de corpos de prova

Rotação 5000 rpm

Velocidade de corte 47,12 m/min

Velocidade de avanço 120 mm/min

Avanço por dente 0,012 mm

Com relação ao fluido de corte, segundo a literatura é interessante o uso de

fluido de corte para usinagem do titânio, tanto para não superaquecer a amostra e

garantir a integridade da sua estrutura quanto para preservar a ferramenta. Sendo assim,

não sendo possível dispor de jorro contínuo, foi utilizado fluido de corte com jatos

intermitentes. Para isso, empregou-se uma pequena quantidade de fluido emulsionante

diluído em água e um borrifador, conforme mostrado na figura 10.

Figura 10. Usinagem de corpo de prova para ensaio de flexão

21

III.3. Ensaios de Flexão

Esta seção do capítulo 3 apresenta o ensaio mecânico voltado para a

caracterização da resposta em flexão do material de estritura granular refinada. Devido

às dimensões diminutas dos corpos de provas, ao invés de ensaio de tração uniaxial

optou-se pelo teste de flexão em três pontos para a comparação da resistência mecânica

das amostras Ti CP e Ti 2X.

Os ensaios foram realizados nas instalações do INT segundo a norma ASTM B

528-12, a qual fornece o método de teste para obtenção da resistência à ruptura

transversal de espécimes oriundos da Metalurgia do Pó. Esta é, portanto, a norma que

mais se aproxima do nosso objetivo de testar amostras de pó de titânio compactado e

posteriormente consolidado por ECAP. Além disso, também foi tomada como

referência a norma ASTM B 925-08, citada na seção precedente sobre fabricação dos

corpos de prova.

Foi utilizada uma máquina universal de ensaios Instron 3382 com capacidade de

100 kN. A resolução da medida do deslocamento do punção é de 0.001 mm e a

resolução da medida de força é de 0.001 kN. Além disso, o software Bluehill foi

utilizado para captação e tratamento dos dados. O dispositivo de apoio e o punção

mostrados na figura 11 foi fabricado em aço 4340 especialmente para os ensaios. Mais

uma vez adotou-se uma proporção de 3:1 com relação às dimensões preconizadas pela

norma, adaptando-se às restrições de tamanho das amostras.

22

Figura 11. Dispositivo de apoio e punção utilizados nos ensaios de flexão em 3 pontos

Seguindo a norma ASTM B 528-12, a velocidade de deslocamento do punção

foi de 5 mm/min, o span (distância entre os apoios) é de 10 mm e o limite para a

deflexão da amostra (flecha máxima admitida) antes de sofrer fratura é de 0.5 mm.Este

limite leva em consideração materiais produzidos por metalurgia do pó, tipicamente

frágeis, e garante a confiabilidade dos resultados do teste. No caso da amostra Ti CP,

tida como referência, foi estipulado um deslocamento máximo de 1 mm para o término

do ensaio tendo em vista a maior ductilidade do material maciço.

A máquina de ensaio fornece o diagrama Força x Deslocamento, a partir do qual

é construído o diagrama Tensão x Deformação convencional. Cabe destacar que a

deflexão da amostra é, portanto, aproximada pelo deslocamento medido do punção.

Além disso, são também calculados o módulo de elasticidade em flexão, a tensão limite

de ruptura e deformação ou flecha máxima. Tais resultados serão apresentados no

capítulo IV.

23

III.4. Medição das forças de usinagem

O foco desta etapa do projeto reside na comparação das forças de usinagem

visando a constatar a influência do ECAP

Esta etapa do trabalho se dedicou à usinagem de duas amostras de titânio puro

de grau 2, tendo uma delas sido submetida à Extrusão Angular em canal após sua

produção por metalurgia do pó. Além da obtenção de um corpo de prova para o ensaio

de flexão, o foco principal desta etapa reside na mediçãodas forças de usinagem visando

constatar os impactos do referido processo na usinabilidade do titânio.

A medição das forças de corte na usinagem das amostras foi realizada por um

dinamômetro modelo 9256C2 da Kistler, recomendado para utilização em máquinas de

usinagem de ultraprecisão permitindo a aquisição de forças extremamente pequenas

numa faixa de medição na direção x, y e z de – 250 a 250N. Possui uma superfície para

fixação dos corpos de prova com área de 55 x 80 mm com furos M3 que permitem o

posicionamento e fixação da amostra.

O sinal elétrico do dinamômetro é inicialmente amplificado em um amplificador

de sinais 5070A10100, também da Kistler. Em seguida é transformado em uma placa de

aquisição da National Instruments, NI USB-6551, que realiza a conversão analógica-

digital. Por fim o sinal é enviado para o computador onde será tratado pelo software

LabView Signal Express 2012. Este sistema de aquisição – ilustrado na figura 12 –

fornece, então, um arquivo digital composto de uma matriz com três colunas referentes

às componentes da força de corte nas direções X, Y e Z.

Figura 12. Esquema

Sendo assim, para garantir uma melhor aquisição das forças de corte

experimentais, uma nova amostra do mesmo material, proveniente da mesma chapa de

titânio maciço, foi fornecida para este fim. A nov

fixação da amostra no dinamômetro, como pode ser visto na figura

referencial do dinamômetro, a direção do avanço coincide com a direção X.

Além disso, as mesmas condições de corte anteriores da tabela 5

fabricação de corpos de prova

medição das forças experimentais realizados todos com uma profundidade de corte de

0.1 mm. Uma vez obtidas as forças de corte experimentais para a amostra controle T

CP, que servirá de referencial comparativo para o estudo da usinabilidade do titânio

puro produzido por metalurgia do pó e ECAP, deu

experimental através da aquisição dos esforços de corte envolvidos no processo de

usinagem da amostra Ti 2X.

. Esquema ilustrativo do sistema de aquisição das forças de corte



titânio maciço, foi fornecida para este fim. A nova geometria e tamanho facilitou a

fixação da amostra no dinamômetro, como pode ser visto na figura


Além disso, as mesmas condições de corte anteriores da tabela 5

fabricação de corpos de prova foram mantidas para os passes de nivelamento e de


0.1 mm. Uma vez obtidas as forças de corte experimentais para a amostra controle T


puro produzido por metalurgia do pó e ECAP, deu-se prosseguimento a parte

a aquisição dos esforços de corte envolvidos no processo de

mostra Ti 2X.

24

ção das forças de corte



a geometria e tamanho facilitou a

fixação da amostra no dinamômetro, como pode ser visto na figura 13. Segundo o


Além disso, as mesmas condições de corte anteriores da tabela 5 utlizadas para

foram mantidas para os passes de nivelamento e de


0.1 mm. Uma vez obtidas as forças de corte experimentais para a amostra controle Ti


se prosseguimento a parte

a aquisição dos esforços de corte envolvidos no processo de

25

Figura 13. Posicionamento do dinamômetro em relação à direção de avanço – usinagem Ti CP

Como foi mencionado anteriormente, as pastilhas de pó de titânio consolidadas

após o ECAP não se soltaram do invólucro de aço mostrado na figura 6. Sendo assim, o

corpo de prova disponibilizado para a usinagem não mais possui uma forma cilíndrica

como era esperado. A utilização do quarto eixo foi então abandonada e a peça pode ser

posicionada diretamente sob o dinamômetro.

Note que o referencial do dinamômetro permanece o mesmo e a direção do

avanço continua coincidindo com a direção de Fx (vide figura 14). Sendo assim, o corte

foi realizado na direção normal à direção de extrusão na matriz de ECAP. Todas as

demais condições de corte (tabela 5) permaneceram invariáveis e a mesma ferramenta

foi utilizada, tendo sido constatado com auxílio de um microscópio ótico que não havia

sinais de desgastes significativos da mesma. Sendo assim, não foi introduzido nenhum

novo fator passível de influenciar os esforços de corte além do material usinado.

26

Figura 14. Posicionamento do dinamômetro em relação à direção de avanço – usinagem Ti 2X

Antes de ser disponibilizado para medição das forças experimentais de

usinagem, o material foi submetido a uma preparação que consistiu no desbaste das

faces superior e inferior até serem atingidos os limites das pastilhas e no desbaste das

faces laterais de maneira a restar uma parte do aço para dar sustentação ao conjunto.

Inicialmente foram realizados três nivelamentos da superfície do material com

0.2 mm de profundidade de corte cada garantindo, assim, que os próximos passes da

ferramenta atingiriam uma camada mais interna do titânio. Em seguida, as forças

experimentais foram registradas em três experimentos, i.e., três canais usinados em

cheio no mesmo plano.

Além disso, foi levada em consideração a parcela de aço nas faces laterais da

amostra. As primeiras e últimas rotações, em que a ferramenta estaria cortando o aço

remanescente do invólucro, foram desconsideradas na análise dos dados mais a frente.

27

IV. Resultados e Discussões

Este capítulo está dividido em duas seções. A primeira apresenta os resultados

dos ensaios de flexão em 3 pontos. A segunda seção se volta para os resultados da

medição das forças de usinagem. Em ambas, busca-se sempre realizar um estudo

comparativo entre as amostras de titânio maciço (Ti CP) e de pó de titânio consolidado

por ECAP (Ti 2X).

IV.1. Ensaios de flexão

O resultado dos ensaios de flexão em 3 pontos está registrado na figura 15.

Pode-se, então, observar na figura 15a a amostra de Ti CP fletida, porém não fraturada,

ao término do ensaio. Na figura 15b, observa-se que o ensaio de flexão da amostra de Ti

2X, por sua vez, terminou com a fratura da mesma.

Figura 15. Amostras de Ti CP (a) e de Ti 2X (b) ao término do ensaio de flexão em 3 pontos

Como era esperado, a amostra de titânio comercial puro maciço não sofreu

ruptura devido a sua maior ductilidade. Sendo assim, admitiu-se uma deflexão máxima

de 1 mm para o encerramento do ensaio, que ocorreu após 12,1 segundos. O gráfico

tensão versus deformação resultante do ensaio da amostra Ti CP é apresentado na figura

16. Observa-se que este material apresenta uma comportamento elástico bem definido

28

seguido de um comportamento plástico. A reta vermelha traçada ainda na figura 16

corresponde a 0.2% de deformação com a mesma inclinação da curva tensão-

deformação na zona elástica do material. Ela permite estimar o limite de escoamento do

material em aproximadamente 852 MPa. Através desse método gráfico pode-se também

obter o módulo de elasticidade aparente do material, em torno de 74 GPa.

Figura 16. Tensão e deformação resultante do ensaio de flexão em 3 pontos do titânio maciço comercialmente puro

De forma análoga, a figura 17 apresenta o gráfico tensão versus deformação

resultante do ensaio de flexão em 3 pontos da amostra de titânio processado por ECAP.

É possível observar que este material sofre ruptura ainda no domínio de deformação

elástica. Sendo assim, não apresenta limite de escoamento e a tensão no ponto de

máxima deflexão, isto é, seu limite de resistência à fratura é de aproximadamente 350

MPa. A partir da inclinação da curva tensão-deformação no domínio elástico obtem-se o

valor de 45 GPa para o módulo de elasticidade aparente do material.

Cabe ressaltar que no início de ambos os ensaios existe um período de tempo de

acomodação do sistema punção – corpo de prova – roletes de apoio. Por isso, percebe-se

nos gráficos das figuras 16 e 17 um período inicial em que há uma ligeira deformação

praticamente sem aumento da tensão.

29

Figura 17. Tensão e deformação resultante do ensaio de flexão em 3 pontos do pó de titânio comercialmente puro consolidado por ECAP

Após o ECAP o material se tornou mais denso, compactado e mais duro. No

entanto, a amostra se revelou, bastante frágil. Apesar do aumento de aproximadamente

40% da dureza, o que poderia indicar um aumento da resistência mecânica do material,

o Ti 2X suportou uma carga mais de 2 vezes menor que a amostra de referência (Ti CP)

antes de sofrer ruptura ainda no regime de deformação elástica. O comportamento

elástico do material também foi afetado, tendo em vista a diminuição do valor do

módulo de elasticidade aparente.

Havia de se pensar também que a porosidade do material, oriundo da metalurgia

do pó, teria influência no módulo de elasticidade do Ti 2X. No entanto, o ECAP se

mostrou um processo eficiente na consolidação do pó metálico reduzindo a porosidade

de 4.02% a 0.82%. Esta porosidade considerada residual é até mesmo desejável, do

ponto de vista biológico, por favorecer a osteointegração.

Sendo assim, levando em consideração a Lei das Misturas, equação 4, em que �

indica uma dada propriedade, como módulo de elasticidade e porosidade, e V indica a

fração volumétrica de cada componente da mistura ou poros (MICHELENA et al.,

2013), verifica-se que a porosidade do material processado não impactou o módulo

elástico do mesmo. Além disso, a porosidade é muito baixa para se afirmar que ela teve

influência na fragilização do material, que não chegou a apresentar limite de

escoamento.

A acentuada fragilidade do material Ti 2X pode, então, ser

indesejável de hidretos de titânio, cuja formação foi provavelmente favorecida pelo

elevado teor de H no pó de titânio, conforme mencionado anteriormente (tabela 3). A

imagem da figura 18, cedida p

titânio submetido à metalurgia do pó e Extrusão Angular em Canal. Ela mostra um

mapa de distribuição de fases da amostra em questão.

Este mapa de fases, obtido pela técnica de

conhecida pela sua sigla em inglês EBSD

presença de duas fases bem distintas. Uma predominante de cor vermelha que

representa as partículas de titânio tratando

outra fase de cor amarela que representa os hidretos de titânio formados nos interstícios

das partículas de titânio consolidadas pelo ECAP.

Figura 18. Mapa de distribuição de fases: amostra submetida a 1 passe EAC à 37

Esta segunda fase na interface das partículas de titânio formada por hidretos e,

portanto, mais frágil e quebradiça é provavelmente responsável por prejudicar


�� 4)

idade do material Ti 2X pode, então, ser devida à presença

de titânio, cuja formação foi provavelmente favorecida pelo


, cedida pelo INT, é resultado de um trabalho de caracterização do


mapa de distribuição de fases da amostra em questão.

Este mapa de fases, obtido pela técnica de difração de elétrons re

conhecida pela sua sigla em inglês EBSD (Electron back scatter diffraction


representa as partículas de titânio tratando-se, assim, de uma zona tenaz e mac


das partículas de titânio consolidadas pelo ECAP.

. Mapa de distribuição de fases: amostra submetida a 1 passe EAC à 375°C (Fonte: CARVALHO et al., 2014)



30


devida à presença

de titânio, cuja formação foi provavelmente favorecida pelo


um trabalho de caracterização do


difração de elétrons retroespalhados,

diffraction), ilustra a


se, assim, de uma zona tenaz e macia. E


. Mapa de distribuição de fases: amostra submetida a 1 passe EAC à temperatura de



31

propriedades mecânicas como a ductilidade e a tenacidade da amostra Ti 2X. No

entanto, considerando novamente a Lei das Misturas (equação 4) não é possivel atribuir

a diminuição do módulo de elasticidade do material à presença de hidretos de titânio

devido a sua pequena fração em volume.

IV.2. Usinagem das amostras de titânio

Inicia-se esta seção com uma visão geral das forças experimentais. Neste

sentido, as figuras 10 e 20 apresentam os sinais das forças experimentais de usinagem

das amostras Ti CP e Ti 2X, sem manipulação dos dados. A janela de tempo escolhida

de 3 a 5 segundos para análise contempla o fresamento em cheio da amostra

desconsiderando o tempo em que a ferramenta realizava movimentos de aproximação e

afastamento.

Figura 19. Forças experimentais de usinagem da amostra Ti CP

32

Figura 20. Forças experimentais de usinagem da amostra Ti 2X

O sinal bruto foi, então, tratado a fim de eliminar ruídos de alta frequência. Com

este fim, foi empregado um filtro passa baixa. As próximas figuras mostram os sinais

das forças experimentais, tratados e não tratados, para quatro rotações da ferramenta

escolhidas aleatoriamente dentro da janela de tempo considerada válida. Essas imagens

permitem realizar uma análise qualitativa das forças experimentais através do

comportamento que o sinal assume para cada rotação da ferramenta.

As figuras 21 e 22 apresentam o sinal bruto e filtrado, respectivamente, das

componentes de forças em X (Fx), Y (Fy) e Z (Fz). Observa-se, portanto, um sinal bem

regular para as três componentes da força de usinagem da amostra Ti CP. Esta

regularidade já esperada é característica do material maciço cujas propriedades são

uniformes, isto é, não variam ao longo do material.

33

Figura 21. Forças experimentais não filtradas de usinagem da amostra Ti CP para 4 rotações da ferramenta

Figura 22. Forças experimentais filtradas de usinagem da amostra Ti CP para 4 rotações da ferramenta

34

De forma análoga as figuras 23 e 24 representam os sinais não tratado e tratado

das componentes da força de corte da amostra Ti 2X. Contrariamente ao que foi

constatado no parágrafo anterior, a evolução das forças experimentais neste caso é

menos regular apresentando amplitudes variáveis. Essa irregularidade nos sinais das

forças experimentais, verificada para as demais réplicas do experimento, provavelmente

decorrem das descontinuidades da micro estrutura do material. A distribuição

granulométrica do material é da ordem de grandeza do avanço por dente o pode

influenciar a resistência mecânica local no contato cavaco ferramenta.

Figura 23. Forças experimentais não filtradas de usinagem da amostra Ti 2X para 4 rotações da ferramenta

35

Figura 24. Forças experimentais filtradas de usinagem da amostra Ti 2X para 4 rotações da ferramenta

Em um segundo momento, realizou-se uma análise quantitativa do

comportamento dos esforços de corte envolvidos no processo de fresamento das

amostras de titânio maciço e pó de titânio consolidado por ECAP. Para tal, leva-se em

consideração a força na direção vertical Z, Fz, e a resultante das forças no plano XY,

Fxy. Esta última é, portanto, a resultante da força de avanço (Fx) e da força

perpendicular à direção de avanço (Fy). Seu perfil para 4 rotações da ferramenta durante

a usinagem de cada amostra pode ser visualizado nas figuras 25 e 26.

36

Figura 25. Evolução da resultante no plano XY das forças experimentais de usinagem da amostra Ti CP para 4 rotações da ferramenta

Figura 26. Evolução da resultante no plano XY das forças experimentais de usinagem da amostra Ti 2X para 4 rotações da ferramenta

37

A partir dos dados apresentados nos gráficos anteriores, foi possível computar os

valores máximos de Fz e Fxy atingidos por rotação da ferramenta. A média desses

valores e o desvio padrão foram, então, calculados para ambas as amostras. Cabe

mencionar que a barra de erro exibida nos próximos gráficos corresponde a 3 vezes o

devio padrão, que contempla mais 99% dos valores considerando uma distribuição

normal. Os resultados encontram-se registrados na tabela 6 e deram origem ao

comparativo da figura 27 entre os esforços necessários para a usinagem do titânio

maciço comercialmente puro e o pó de titânio comercialmente puro processado por

ECAP.

Figura 27. Forças de corte máximas alcançadas por rotação na usinagem das amostras Ti CP e Ti 2X. A barra de erro corresponde a três vezes o valor do desvio padrão das medidas.

É possível observar na figura 27 o ligeiro aumento das forças médias de corte

para a amostra de pó de titânio consolidado por ECAP. É igualmente importante

observar o aumento considerável do desvio padrão das medidas para a mesma amostra.

Voltando-se para os valores reportados na tabela seguinte, o aumento percentual de Fz

foi de aproximadamente 41%, enquanto que para Fxy foi menos expressivo ficando em

38

torno de 23%. Já os valores da dispersão das medidas, σFz e σFxy, sofreram um aumento

superior a 5 e 8 vezes, respectivamente.

Tabela 6. Intervalo de confiança de 99% dos valores máximos de Fz e Fxy por rotação

Fz (N) Fxy (N)

Ti CP 11.4783 ± 0.7861 13.4764 ± 0.7755

Ti 2X 16.2497 ± 4.2573 16.5793 ± 6.7429

Novamente a partir dos resultados da força na direção Z e da resultante das

forças no plano XY, foi feita mais uma análise com relação à amplitude entre os picos

de máximo e mínimo por dente da ferramenta. Esta análise se justifica pela

irregularidade do perfil das forças para a amostra Ti 2X conforme já havia sido

observado nas figuras 24 e 26. Enquanto que para a amostra Ti CP os máximos e

mínimos atingidos por dente a cada rotação da ferramenta variavam pouco, para a

amostra Ti 2X esses mesmos valores apresentam uma maior variação de um dente para

outro.

Figura 28. Amplitudes das forças de corte por dente na usinagem das amostras Ti CP e Ti 2X. A barra de erro corresponde a três vezes o valor do desvio padrão das medidas.

39

A figura 28 evidencia que as amplitudes de Fz e Fxy para a amostra Ti 2X são

superiores às amplitudes de Fz e Fxy para a amostra Ti CP. Os valores aumentaram em

média pouco mais de 46% para Fz e 16% para Fxy segundo os dados fornecidos na

tabela 7. Não obstante, cabe chamar atenção à dispersão desses valores, conforme

mencionado no parágrafo anterior. Os desvios padrões das amplitudes de Fz e Fxy por

dente da ferramenta referentes à amostra Ti 2X são ainda mais elevados que os desvios

encontrados para os valores máximos das forças.

Tabela 7. Intervalo de confiança de 99% das amplitudes de Fz e Fxy por dente

Amplitude Fz (N) Amplitude Fxy (N)

Ti CP 8.3266 ± 4.5930 10.6918 ± 2.0229

Ti 2X 12.2317 ± 6.6047 12.4325 ± 8.8965

Por último, dada esta variabilidade encontrada para os valores da amplitude da

força registrada a cada vez que um dente da ferramenta remove material, foi feito um

comparativo entre as amplitudes atingidas por cada um dos dois dentes da fresa. Sendo

assim, a figura 29 mostra uma comparação da amplitude média da força no plano XY

alcançada por rotação para cada um dos dentes da ferramenta. Os valores para

amplitude média e desvio padrão encontram-se na tabela 8.

Uma primeira observação pode ser feita com relação ao aumento da amplitude

média do dente 1 para o dente 2 que ocorreu para ambas as amostras. Pode-se pensar,

então, que a origem estivesse relacionada à ferramenta e não ao material. Assim, talvez

segundo dente estivesse mais desgastado que o primeiro implicando maiores esforços

para o dente 2 com relação ao dente 1 durante o corte do mesmo material.

Voltando-se agora para a variabilidade das medidas de ambos os dentes para

cada amostra, percebe-se um grande aumento – em torno de 3 a 4 vezes – dos valores do

desvio padrão da amostra Ti CP para a amostra Ti 2X. Enquanto que para a amostra Ti

CP três vezes o valor do desvio padrão das amplitudes registradas ficou em torno de 2

N, para a amostra Ti 2X este mesmo parâmetro aumentou para mais de 6 N no caso do

dente 1 e mais de 8 N no caso do dente 2. Mais uma vez, esse resultado sobre a

dispersão das medidas para a amostra Ti 2X pode ser decorrente da micro estrutura

deste material particulado.

Figura 29. Amplitudes da resultante no plano XY por rotaçãoTi 2X para cada dente da ferramenta

Tabela 8. Intervalo de confiança de 99%

Ti CP Ti 2X


resultante no plano XY por rotação na usinagem das amostras Ti CP e para cada dente da ferramenta. A barra de erro corresponde a três vezes o valor do desvio

padrão das medidas.

Intervalo de confiança de 99% das amplitudes de Fxy alcançadas por cada dente da ferramenta

Amplitude dente 1 (N) Amplitude dente 2 (N)

9.9719 ± 2.1158 11.4539 ± 1.9990

11.7709 ± 6.2668 13.9118 ± 8.8187

40


na usinagem das amostras Ti CP e . A barra de erro corresponde a três vezes o valor do desvio

por rotação para

Amplitude dente 2 (N)

11.4539 ± 1.9990

13.9118 ± 8.8187

41

V. Conclusões

Este trabalho buscava estudar o comportamento mecânico e a usinabilidade do

titânio nano estruturado resultante do processamento em duas etapas: compactação do

pó de titânio (metalurgia do pó) e Extrusão Angular em Canal (conformação mecânica).

Portanto, foi realizado um estudo comparativo da resistência mecânica e das forças de

usinagem de amostras de titânio puro grau 2 nano estruturado e titânio maciço

comercialmente puro grau 2, sendo este último referência de material com estrutura

granular não refinada.

O comportamento mecânico dos dois materiais foi analisado segundo ensaios de

flexão em 3 pontos. A resposta em flexão do titânio submetido à metalurgia do pó e

consolidado por ECAP não foi conforme esperado. Foi constatada uma acentuada

fragilidade do material provavelmente em decorrência da presença de hidretos nas

interfaces das partículas de titânio consolidadas por ECAP, que seriam responsáveis

pela degradação da ductilidade e tenacidade do material. Sendo assim, a fratura foi

totalmente frágil, pois o material sofreu ruptura ainda no domínio elástico de

deformação, muito provavelmente devido àconstatada concentração de hidretos de

titânio nos interstícios das partículas de pó de titânio que representaria uma zona mais

dura e quebradiça.

Os resultados mostrados para as forças de corte indicam que não houve aumento

significativo dos esforços necessários para a usinagem do titânio puro produzido por

metalurgia do pó e ECAP quando comparado aos esforços necessários para a usinagem

do titânio puro comercial. O comportamento das forças de usinagem do titânio nano

estruturado mostrou-se apenas irregular, provavelmente por se tratar de um material

particulado cuja própria microestrutura apresenta descontinuidades.

No trabalho de ANTONIALLI et al. (2012), mostrou-se a degradação da

usinabilidade do titânio maciço processado por ECAP que requeria forças de corte

praticamente duas vezes maiores do que o titânio maciço não processado. No entanto,

no presente trabalho, não é possível concluir sobre a influência da técnica de Extrusão

Angular em Canal na usinabilidade do pó metálico de titânio consolidado, tendo em

42

vista que não foi observado aumento da resistência mecânica do mesmo em decorrência

deste processo de refinamento dos grãos.

Com exceção dessa contaminação indesejável por hidretos na amostra titânio

nano estruturado, os resultados foram positivos com relação à eficiência da técnica de

Extrusão Angular em Canal para consolidação do pó metálico e obtenção de titânio com

estrutura granular refinada. No entanto, as conclusões sobre a usinabilidade deste

material foram frustradas pelo não atingimento de um comportamento mecânico que

tornaria o titânio puro apto para aplicações biomédicas. Torna-se necessário um novo

estudo comparativo das forças de usinagem, uma vez eliminada a presença de hidretos

que fragilizaram a amostra de titânio nano estruturado.

Este trabalho mostra, assim, a necessidade de se caminhar junto em estudos

referentes à síntese de novos materiais e estudos sobre a usinagem dos mesmos. É de

suma importância o desenvolvimento de novos trabalhos com relação à usinagem do

titânio submetido a processos de deformação severa e também do pó de titânio

consolidado por estas técnicas. A usinagem de precisão de corpos de prova desse

material é uma etapa crucial para a posterior aplicação do material, ou seja, para que ele

se torne um produto final. Futuros trabalhos sobre a usinabilidade ou sobre a

conformação do titânio severamente deformados por ECAP ou outro processo serão de

grande valia para a evolução das tecnologias de deformação severa do laboratório ao

cenário comercial.

43

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46

Apêndice

Neste apêndice são apresentadas as forças máximas de corte e as amplitudes

adquiridas de todas as réplicas dos experimentos. Como pode ser observado, foram

realizados 2 passos de usinagem sobre a amostra Ti CP e 3 passos de usinagem sobre a

amostra Ti 2X para aquisição das forças de corte experimentais.

Figura 30. Forças de corte máximas alcançadas por rotação em cada passe da usinagem da

amostra Ti CP

Figura 31. Amplitudes das forças de corte por dente na usinagem da amostra Ti CP

47

Figura 32. Amplitudes da resultante no plano XY por rotação na usinagem da amostra Ti CP

para cada dente da ferramenta

Figura 33. Forças de corte máximas alcançadas por rotação em cada passe da usinagem da

amostra Ti 2X

48

Figura 34. Amplitudes das forças de corte por dente na usinagem da amostra Ti 2X

Figura 35. Amplitudes da resultante no plano XY por rotação na usinagem da amostra Ti 2X para

cada dente da ferramenta

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