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].

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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.

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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).