Desenvolvimento microestrutural, resistências mecânica e à corrosão de ligas Mg-Si e Mg-Si-Zn para aplicações biomédicas
| Ano de defesa: | 2024 |
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Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos |
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Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEM
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| Link de acesso: | https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/19801 |
Resumo: | The absorbable alloys, especially those based on Mg, have stood out in biomedical applications due to the possibility of eliminating the need for implant removal surgeries. In the scope of this PhD study, Mg-0.6%Si, Mg-1.3%Si, Mg-1.7%Si, Mg-0.6%Si-2%Zn, and Mg-0.6%Si-3%Zn alloys were examined using the directional solidification technique. This technique allowed for a wide range of cooling rates, enabling a comprehensive evaluation of microstructural characteristics and tensile mechanical properties. Additionally, the corrosion behavior of two microstructural conditions (2 of 11 and 41 μm) of the Mg-0.6%Si-2%Zn alloy in SBF (simulated body fluid) for 7 days was analyzed. In general terms, microstructures composed of Mg-rich dendrites and eutectic microconstituent (Mg+Mg2Si) were observed in Mg-0.6%Si, Mg-0.6%Si-2%Zn, and Mg-0.6%Si-3%Zn alloys. In ternary alloys, structures composed of the eutectic microconstituent Mg+MgZn were also identified for low cooling rates (below 0.48°C/s for the 2%Zn alloy and 0.44°C/s for the 3%Zn alloy). In the case of the Mg-1.3%Si alloy, predominantly a eutectic cellular microstructure (Mg+Mg2Si) was observed, while the Mg-1.7%Si alloy exhibited a typical structure of hypereutectic alloys in the Mg-Si system. The Mg-0.6%Si alloy showed a higher tensile strength limit compared to the Mg-1.7%Si alloy, due to the increase in the Mg2Si fraction with increasing Si, an effective phase in stress concentration. On the other hand, the Mg-1.3%Si alloy, composed of the eutectic microconstituent, revealed a clear dependence between tensile strength limit and cell spacing, being the worst among the three binary alloys. In the case of ternary alloys, the higher the Zn content, the higher the mechanical strength. Corrosion analysis allowed evaluating the electrochemical characteristics throughout the transient regime and the apparent stabilization during the immersion period. The results obtained in the analysis of the Mg-0.6%Si-2%Zn alloy indicate that the electrochemical response is little influenced by dendritic spacing. |
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Gouveia, Guilherme Lisboa deSpinelli, José Eduardohttp://lattes.cnpq.br/8882038118634925Koga, Guilherme Yuukihttp://lattes.cnpq.br/0933095081175012http://lattes.cnpq.br/9599497476281279https://orcid.org/0000-0003-0611-1038https://orcid.org/0000-0003-0792-11392024-07-04T19:05:18Z2024-07-04T19:05:18Z2024-03-06GOUVEIA, Guilherme Lisboa de. Desenvolvimento microestrutural, resistências mecânica e à corrosão de ligas Mg-Si e Mg-Si-Zn para aplicações biomédicas. 2024. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2024. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/19801.https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/19801The absorbable alloys, especially those based on Mg, have stood out in biomedical applications due to the possibility of eliminating the need for implant removal surgeries. In the scope of this PhD study, Mg-0.6%Si, Mg-1.3%Si, Mg-1.7%Si, Mg-0.6%Si-2%Zn, and Mg-0.6%Si-3%Zn alloys were examined using the directional solidification technique. This technique allowed for a wide range of cooling rates, enabling a comprehensive evaluation of microstructural characteristics and tensile mechanical properties. Additionally, the corrosion behavior of two microstructural conditions (2 of 11 and 41 μm) of the Mg-0.6%Si-2%Zn alloy in SBF (simulated body fluid) for 7 days was analyzed. In general terms, microstructures composed of Mg-rich dendrites and eutectic microconstituent (Mg+Mg2Si) were observed in Mg-0.6%Si, Mg-0.6%Si-2%Zn, and Mg-0.6%Si-3%Zn alloys. In ternary alloys, structures composed of the eutectic microconstituent Mg+MgZn were also identified for low cooling rates (below 0.48°C/s for the 2%Zn alloy and 0.44°C/s for the 3%Zn alloy). In the case of the Mg-1.3%Si alloy, predominantly a eutectic cellular microstructure (Mg+Mg2Si) was observed, while the Mg-1.7%Si alloy exhibited a typical structure of hypereutectic alloys in the Mg-Si system. The Mg-0.6%Si alloy showed a higher tensile strength limit compared to the Mg-1.7%Si alloy, due to the increase in the Mg2Si fraction with increasing Si, an effective phase in stress concentration. On the other hand, the Mg-1.3%Si alloy, composed of the eutectic microconstituent, revealed a clear dependence between tensile strength limit and cell spacing, being the worst among the three binary alloys. In the case of ternary alloys, the higher the Zn content, the higher the mechanical strength. Corrosion analysis allowed evaluating the electrochemical characteristics throughout the transient regime and the apparent stabilization during the immersion period. The results obtained in the analysis of the Mg-0.6%Si-2%Zn alloy indicate that the electrochemical response is little influenced by dendritic spacing.As ligas absorvíveis, especialmente aquelas à base de Mg, têm se destacado em aplicações biomédicas devido à possibilidade de eliminar a necessidade de cirurgias de remoção dos implantes. Neste Doutorado, foram examinadas as ligas Mg-0,6%Si, Mg-1,3%Si, Mg-1,7%Si, Mg-0,6%Si-2%Zn e Mg-0,6%Si-3%Zn, utilizando a técnica de solidificação direcional. Essa técnica permitiu uma ampla variação de taxas de resfriamento, possibilitando uma avaliação abrangente das características microestruturais e das propriedades mecânicas em tração. Além disso, foi analisado o comportamento em corrosão de duas condições microestruturais (2 de 11 e 41 μm) da liga Mg-0,6%Si-2%Zn em SBF (simulated body fluid) por 7 dias. Em termos gerais, foi observada a presença de microestruturas compostas por dendritas ricas em Mg e microconstituinte eutético (Mg+Mg2Si) nas ligas Mg-0,6%Si, Mg-0,6%Si-2%Zn e Mg-0,6%Si-3%Zn. Nas ligas ternárias, foram identificadas também estruturas compostas pelo microconstituinte eutético Mg+MgZn para baixas taxas de resfriamento (inferiores à 0,48°C/s para a liga com 2%Zn e 0,44°C/s para a liga com 3%Zn). No caso da liga Mg-1,3%Si, observou-se predominantemente uma microestrutura celular eutética (Mg+Mg2Si), sendo que a liga Mg-1,7%Si apresentou estrutura típica de ligas hipereutéticas do sistema Mg-Si. A liga Mg-0,6%Si apresentou limite de resistência a tração superior se comparada com a liga Mg-1,7%Si, devido ao aumento na fração de Mg2Si com aumento de Si, fase efetiva na concentração de tensão. Já a liga Mg-1,3%Si, composta pelo microconstituinte eutético revelou uma dependência clara entre o limite de resistência à tração e o espaçamento celular, sendo a pior entre as três ligas binárias. No caso das ligas ternárias, quanto maior o teor de Zn, maior a resistência mecânica. A análise da corrosão possibilitou avaliar as características eletroquímicas ao longo do regime transiente e da aparente estabilização durante o período de imersão. Os resultados obtidos na análise da liga Mg-0,6%Si-2%Zn indicam a resposta eletroquímica é pouco influenciada pelo espaçamento dendrítico.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)Processo n° 2019/01432-8, Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)Processo n° 140351/2019-1, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEMUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessLigas de MgMg-SiMg-Si-ZnSolidificaçãoMorfologiaPropriedades de traçãoCorrosãoMg alloysSolidificationMorphologyTensile propertiesCorrosionENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::METALURGIA FISICADesenvolvimento microestrutural, resistências mecânica e à corrosão de ligas Mg-Si e Mg-Si-Zn para aplicações biomédicasMicrostructural development, tensile properties, and corrosion resistance of Mg-Si and Mg-Si-Zn alloys for biomedical applicationsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARTEXTGuilherme Lisboa de Gouveia - Tese.pdf.txtGuilherme Lisboa de Gouveia - Tese.pdf.txtExtracted texttext/plain103358https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/3ec282c0-5dde-4a96-8385-d3f7301c5c6f/download91f9ea3e284c6616178ead40c7f102e4MD53falseAnonymousREADTHUMBNAILGuilherme Lisboa de Gouveia - Tese.pdf.jpgGuilherme Lisboa de Gouveia - Tese.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg3866https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/1bfb37fc-cd7f-4fe2-b40e-caa5524561a1/download81ec40168b96249af5b16495cc4d021fMD54falseAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8810https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/3dd726f9-dfef-4982-94ce-c7a5e77f4b7f/downloadf337d95da1fce0a22c77480e5e9a7aecMD52falseAnonymousREADORIGINALGuilherme Lisboa de Gouveia - Tese.pdfGuilherme Lisboa de Gouveia - Tese.pdfTese de doutoradoapplication/pdf4333489https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/0158807c-2d11-40da-918b-55156cc804a2/download9135c1e10e6e70329ea8b0b9b61d4712MD51trueAnonymousREAD20.500.14289/198012025-02-06 02:07:22.757http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/19801https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-02-06T05:07:22Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false |
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