Caracterização experimental e modelagem numérica do efeito da corrosão simulada nas propriedades mecânicas da liga de magnésio biodegradável WE43 para aplicações ortopédicas - Saconi, Felipe (2021)
Magnésio e suas ligas são considerados candidatos promissores a substituírem os materiais metálicos bioinertes, como por exemplo ligas de titânio e aços inoxidáveis, utilizados atualmente na fabricação de implantes temporários para trauma. Ligas de magnésio são totalmente biodegradáveis no corpo humano, tornando desnecessária uma segunda cirurgia para explantação. Além disso, possuem módulo elástico similar ao do osso, minimizando o fenômeno de blindagem de tensões, e possuem propriedades osteocondutoras, que contribuem para a regeneração óssea. A maior barreira para a popularização da utilização das ligas de magnésio como material biodegradável para aplicações ortopédicas está relacionada ao controle das taxas de biodegradação e ao pouco conhecimento referente aos efeitos da biodegradação na integridade estrutural do material. A modelagem computacional possui papel importante no projeto de implantes ortopédicos para osteossíntese. No caso de metais biodegradáveis, uma abordagem computacional se faz necessária para auxiliar na previsão dos efeitos da degradação na integridade estrutural do implante e em sua capacidade de estabilizar a estrutura óssea fraturada. No presente trabalho, o comportamento mecânico da liga de magnésio WE43 é simulado por meio da utilização de um modelo elastoplástico de von Mises com endurecimento isotrópico, acoplado a um modelo de dano contínuo para simular, de maneira fenomenológica, a corrosão e seus impactos nas características estruturais do material. O modelo de corrosão fenomenológico é implementado através do desenvolvimento de uma sub-rotina de material do usuário (VUMAT) para utilização com o programa comercial de elementos finitos Abaqus/Explicit. A corrosão é considerada como sendo multi mecanismo, englobando os mecanismos de corrosão localizada (pitting) e o mecanismo de corrosão sob tensão. Ambos os mecanismos de corrosão são implementados utilizando uma formulação não-local média, visando reduzir a influência da geometria da malha. O modelo de corrosão localizada é calibrado com base em dados obtidos de ensaios de caracterização mecânica e de degradação in vitro de fios de magnésio WE43, e consegue, de maneira precisa, capturar tanto a redução linear da resistência mecânica do corpo de prova, assim como o a taxa de degradação não-linear, observados experimentalmente. A influência da corrosão sob tensão no padrão de corrosão e seu efeito na integridade do material foi investigado através do modelo multi mecanismo e mostrou possuir relevância secundária, quando comparada ao mecanismo de corrosão localizada, mesmo para carregamentos da ordem de 75% da tensão de escoamento do material. O modelo de corrosão foi aplicado a um estudo de caso envolvendo o ensaio de arrancamento de parafusos ortopédicos e foi capaz de capturar a perda de poder de fixação do parafuso deem razão da corrosão. O modelo numérico proposto se mostrou uma ferramenta eficiente na avaliação da integridade estrutural de ligas de magnésio biodegradáveis, podendo ser utilizado em trabalhos futuros no projeto de implantes ortopédicos.