A metalografia do titânio distingue as famílias de ligas alfa, alfa-beta e beta com base no conteúdo de fases, tamanho dos grãos, morfologia e distribuição. Este guia explica as estruturas alfa equiaxiais, lamelares, aciculares e de Widmanstatten; a fase ômega de transição; e as estruturas estáveis, metaestáveis e quase beta. Ele também mostra como o recozimento acima das temperaturas de transição de fase, o tratamento de solução, o resfriamento rápido, o resfriamento em forno ou ao ar e o envelhecimento alteram microestruturas representativas. Nomes internacionalizados de ligas são aplicados de forma consistente ao texto e aos espaços reservados para imagens, enquanto a relação aproximada para a TC21 é mantida explicitamente. O resultado é uma referência prática para identificação de fases na análise metalográfica.
O titânio e as ligas de titânio combinam baixa densidade, alta resistência específica, resistência à corrosão, capacidade de operar em altas temperaturas, comportamento não magnético e atoxicidade. São amplamente utilizados nos setores aeroespacial, de engenharia naval, petrolífero, de processamento químico, da indústria leve, da metalurgia, de maquinário, da medicina e da energia.
As ligas de titânio são comumente classificadas em ligas alfa, alfa-beta e beta. Suas fases básicas são relativamente simples, mas as condições de processamento podem gerar diversas morfologias e distribuições, bem como fases de transição e de impurezas.
O titânio comercialmente puro (titânio CP) pertence à família alfa. Outras ligas alfa geralmente contêm cerca de 6% de alumínio, além de pequenas quantidades de elementos neutros, e apresentam uma estrutura quase inteiramente alfa após o recozimento. Essa classificação coletiva inclui o titânio CP e as ligas de titânio alfa. As ligas quase alfa, além disso, contêm no máximo cerca de 4% de elementos estabilizadores beta; exemplos incluem Ti-8Al-1Mo-1V (Ti-811) e Ti-4Al-2V.
As ligas de titânio alfa consistem quase inteiramente na fase alfa, embora possam surgir traços da fase beta quando os teores de ferro ou manganês são relativamente elevados. A fase alfa ocorre em duas formas principais: equiaxial e lamelar ou acicular. A transformação plástica e o recozimento na região de alfa pura produzem grãos alfa equiaxiais semelhantes aos encontrados no titânio CP.
Se o recozimento ultrapassar a transição alfa/alfa-beta, em aproximadamente 955 °C, ou a transição alfa-beta/beta, em aproximadamente 1040 °C, a beta de alta temperatura se transforma, durante o resfriamento subsequente no forno ou ao ar, em alfa lamelar ou acicular com caráter de Widmanstatten. O resfriamento no forno produz placas maiores e arredondadas; o resfriamento ao ar produz agulhas mais finas e pontiagudas. Em comparação com a fase alfa equiaxial, essas morfologias têm pouco efeito sobre a resistência à tração, mas reduzem a ductilidade.
As ligas alfa-beta contêm menos de 6% em massa de alumínio, juntamente com diversos estabilizadores beta e elementos neutros. Após o recozimento, elas apresentam diferentes proporções de alfa e beta. Geralmente, são facilmente soldáveis e podem ser reforçadas por tratamento térmico, mas sua formabilidade a frio e sua usinabilidade a frio são insatisfatórias. Exemplos incluem Ti-6Al-4V, Ti-6,5Al-3,5Mo-1,5Zr-0,3Si e TC21 (aproximadamente comparável ao Ti-62222).
O Ti-6Al-4V é a liga de titânio alfa-beta mais utilizada. É comumente submetida a trabalho a quente e recozida, mas também pode ser submetida a têmpera e envelhecimento. Sua relação alfa-beta, bem como a morfologia, o tamanho e a distribuição de ambas as fases, são altamente sensíveis às condições do trabalho a quente.
Durante o têmpera ou o tratamento isotérmico, a precipitação da fase alfa a partir da fase beta pode ser acompanhada pela fase ômega de transição, uma fase submicroscópica fora do equilíbrio formada por meio de nucleação e crescimento.
As ligas beta são subdivididas em ligas beta estáveis, beta metaestáveis e quase beta. Entre as variáveis metalográficas importantes estão o tamanho dos grãos beta, a quantidade e a morfologia das fases alfa primárias e secundárias, e a distribuição da fase alfa ao longo dos limites dos grãos.
As ligas beta estáveis contêm estabilizadores beta em quantidade suficiente para suprimir a transformação martensítica durante o resfriamento rápido até a temperatura ambiente. Suas matrizes recozidas e temperadas são beta equiaxiais, e a fluência em alta temperatura pode formar gêmeos. Elas apresentam resistência relativamente baixa à temperatura ambiente, boa formabilidade a frio e boa resistência à corrosão em meios redutores.
As ligas beta metaestáveis contêm uma concentração de estabilizadores beta superior à crítica, com um equivalente em molibdênio de cerca de 10%, não mais do que 3% de alumínio e pequenas quantidades de elementos neutros. O tratamento de solução na fase beta resulta em uma estrutura quase inteiramente beta metaestável; o envelhecimento precipita a fase alfa. Essas ligas combinam boa usinabilidade a frio com alta resistência após envelhecimento. As composições representativas incluem Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al, Ti-10Mo-8V-1Fe-3,5Al e Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al (Ti-15-3).
As ligas “near-beta” contêm estabilizadores beta próximos à concentração crítica, juntamente com elementos neutros e alumínio. O tratamento de solução em campo beta produz uma quantidade abundante de beta metaestável e outros constituintes metaestáveis, como alfa ou ômega; após o envelhecimento, predominam as fases alfa e beta. Essas ligas são ideais para peças forjadas e oferecem um excelente equilíbrio entre resistência e tenacidade. A Ti-10V-2Fe-3Al (Ti-10-2-3) é uma liga representativa.
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