Unidade 3

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CIÊNCIAS DOS MATERIAISCIÊNCIAS DOS MATERIAIS
PROPRIEDADES MECÂNICASPROPRIEDADES MECÂNICAS
DOS SÓLIDOS E METAISDOS SÓLIDOS E METAIS
Autor: Dr. Gabriel Alves Gomes
Revisor : Luc iano Gald ino
I N I C I A R
introdução
Introdução
Nesta unidade, demonstraremos como as propriedades mecânicas dos
materiais sólidos dependem das características morfológicas e químicas de
cada classe de materiais, nos restringindo, na maior parte do tempo, aos
materiais metálicos. Abordaremos ao longo dos tópicos os conceitos de
tensão e deformação, relacionando estes à interpretação da Lei de Hooke,
além de analisar conceitos importantes como resiliência, tenacidade,
ductilidade, fragilidade e dureza.
Abordaremos os aspectos da difusão nos sólidos, entendendo os fatores que
in�uenciam nos mecanismos de difusão atômica, e entendendo as Leis de
Fick para a difusão. Estudaremos mais profundamente as propriedades dos
materiais, relacionando as estruturas cristalinas às principais propriedades
mecânica, elétrica, magnética entre outras.
Por �m, nos debruçaremos um pouco mais sobre os materiais metálicos,
entendendo os principais aspectos dos metais puros e das ligas metálicas,
dando início a uma abordagem para a interpretação de diagramas de fase em
equilíbrio.
Uma série de materiais de interesse em Engenharia precisam ser submetidos
a esforços ou cargas de solicitação durante sua utilização. É atribuição do
pro�ssional dessa área compreender e interpretar de que forma podem ser
medidas as diversas propriedades mecânicas dos materiais e o que essas
características particulares representam na vida útil do material. Essas
análises fornecem indicadores importantes para que sejam evitadas
eventuais falhas ou níveis alarmantes de deformação, visando preservar a
integridade dos materiais envolvidos em um projeto.
Analisaremos aqui as principais propriedades mecânicas importantes para
um projeto, em que o comportamento mecânico fornecerá a relação entre a
resposta de um material (interpretado como sua deformação) quando da
aplicação de uma força (ou carga de solicitação). Essas propriedades são
veri�cadas usualmente pela realização de experimentos de laboratório que
buscam reproduzir as condições de serviço daquele membro durante seu
uso. Nesse aspecto, as cargas submetidas às amostras podem ser de tração,
compressão ou cisalhamento, e sua magnitude pode ser constante ou variar
ao longo do tempo.
Introdução às PropriedadesIntrodução às Propriedades
Mecânicas dos Materiais SólidosMecânicas dos Materiais Sólidos
As informações do comportamento mecânico do material estudado, como
rigidez e resistência, são analisadas em um grá�co, que relaciona a
quantidade de esforço de solicitação em função das deformações que o
material sofre durante o ensaio. A combinação de diferentes propriedades
mecânicas são determinantes para a escolha de um material para
determinadas aplicações. Ligas leves, por exemplo, são constantemente
selecionadas para integrar peças de aeroplanos, em função das reações
aerodinâmicas de sustentação, enquanto ligas mais robustas normalmente
integram dispositivos estruturais em construção civil.
Neste tópico, concentraremos esforços na discussão do comportamento de
tensão-deformação dos metais e as propriedades mecânicas relacionadas,
fazendo uma breve análise dos ensaios de tração e as conclusões tomadas a
partir de sua interpretação.
Tensão e Deformação
Quando uma carga (estática ou variável) é aplicada uniformemente sobre a
superfície de um elemento, essa interação induz uma deformação do material
e o seu comportamento mecânico pode ser investigado a partir de um ensaio
tensão-deformação.
Dois desses ensaios mais comuns são os ensaios de tração e compressão,
sendo importantes para caracterizar as propriedades mecânica que os
materiais apresentam quando tendem a ser deformados. A cada período de
tempo (que pode variar de milissegundos a horas), o comportamento
mecânico do material é registrado com precisão, com o auxílio de um
computador, em um grá�co relacionando a carga aplicada com a deformação
(alongamento ou achatamento) da amostra, geralmente conformada em um
corpo de prova de seção transversal cilíndrica ou retangular. A Figura 3.1
mostra uma representação esquemática do dispositivo utilizado nos ensaios
de tensão-deformação sob tração e na Figura 3.2 são mostrados alguns
exemplos de corpos de prova padrão para estes ensaios.
Essas características mecânicas dependem das dimensões geométricas do
corpo de prova, onde a tensão de engenharia é de�nida pela equação:
        (1)
onde é a carga instantânea aplicada, em newtons (N) e é a área da seção
transversal original (antes da aplicação da carga), em metros quadrados (m²).
A unidade usual de tensão, no Sistema Internacional de Unidades (SI), é o
megapascal (MPa), onde 1 MPa= N/m².
Por sua vez, a deformação de engenharia é dada pela relação:
Figura 3.1 - Representação ilustrativa de um dispositivo usado na condução
dos ensaios de tração. 
Fonte: Wikimedia Commons/ H.W. Hayden, W.G. Mo�at e J. Wul�.
Figura 3.2 - Exemplos de corpos de prova metálicos (aço e ligas de alumínio)
para ensaios de tração. 
Fonte: Wimedia Commons/ Andrzej Otrebski.
σ = F/A0
F A0
106
                (2)
em que corresponde ao comprimento inicial antes da carga ser aplicada, é
o comprimento no instante de aferição e a diferença entre os
comprimentos instantâneo e original.
Na Figura 3.3 podemos ver como a tensão e a deformação se correlacionam
para corpos de diferentes geometrias nos ensaios de tração.
Perceba que a deformação corresponde a uma razão entre comprimentos,
logo as unidades usualmente adotadas (SI) são o metro por metro (m/m) ou
milímetro por milímetro (mm/mm).
Outros ensaios, como os de compressão, torção e cisalhamento, podem
também ser aplicados em vias de se obter o comportamento de materiais
nessas condições. Os ensaios de compressão, por exemplo, são conduzidos
de forma semelhantes aos de tração, com a força compressiva contraindo o
corpo de prova ao longo da sua direção transversal, produzindo um aumento
da área da seção transversal da amostra. Por convenção, as forças de
compressão serão negativas (no sentido contrários às forças de tração
positivas), e as equações (1) e (2) apresentarão valores negativos. De acordo
com Callister (2018, p. 132), os ensaios de compressão são normalmente
empregados para investigar o comportamento de um material submetido a
ϵ = (l − ) / = Δl/l0 l0 l0
l0 l
Δl
Figura 3.3 - Ilustração esquemática de corpos de seção reta retangular e
circular sob tração, produzindo um aumento de seu comprimento linear. 
Fonte: Elaborado pelo autor.
grandes deformações permanentes, tal como ocorre em operações de
fabricação.
Agora sabemos que o resultado direto da ação de solicitações externas sobre
um material sob tração ou compressão é a mudança nas suas dimensões de
altura (direção vertical, ) e largura (direções horizontais, e ), mutuamente
perpendiculares. Supondo um ensaio de tração, se as tensões forem
aplicadas apenas na direção vertical, teremos deformações laterais
proporcionais à dimensão da amostra, que seguirá um parâmetro chamado
coe�ciente de Poisson ou  razão de Poisson, de�nido por:
        (3)
Se as dimensões laterais forem iguais e o material for, portanto, isotrópico, a
deformação e serão iguais, podendo trabalhar com qualquer destas na
Equação 3. Para a maioria dos materiais, os valores do coe�ciente de Poisson
�cam entre 0,25 e 0,35, sendo os menores valores atribuídos normalmente às
cerâmicas (como os óxidos e carbetos) e valores maiores aos metais e
materiais poliméricos.
Na tabela 3.1 são mostrados os valores dessas razões para algumas classes
de materiais metálicos.
Deformação Elástica
A deformação de uma estrutura depende da magnitude da tensão sobre ela
imposta, onde podemos relacionar uma proporcionalidade entre tensão e
deformação pela Lei de Hooke:
        (4)
em que é o módulo de elasticidade ou módulo de Young, uma constante de
proporcionalidade que afere a rigidezou resistência do material, com
unidades de GPa.
Para a maior parte dos metais típicos, a magnitude desse módulo varia entre
45 GPa (magnésio) e 407 GPa (tungstênio). Outras unidades também são
z x y
v = − /ϵx ϵz
ϵx ϵy
σ = Eϵ
E
admitidas, como a unidade inglesa psi (libras por polegadas quadradas).
Apresentamos na tabela 3.1 os valores de módulo de elasticidade para
algumas ligas metálicas típicas. Perceba que as unidades estão em gigapascal
(GPa) que equivale a 10³ MPa.
Tabela 3.1 - Módulos de elasticidade e coe�ciente de Poisson para diversas ligas
metálicas. 
Fonte: adaptado de Callister (2018)
Liga metálica
Módulo de
elasticidade (GPa)
Coe�ciente de
Poisson
Alumínio 69 0,33
Latão 97 0,34
Cobre 110 0,34
Magnésio 45 0,29
Níquel 207 0,31
Aço 207 0,30
Titânio 107 0,34
Tungstênio 407 0,28
Em Shackelford (2008, p. 500-504) são apresentados outros valores de
módulo de Young e coe�ciente de Poisson, especi�camente por liga ou por
composição de material.
A deformação elástica corresponde à etapa em que a tensão e a deformação
são proporcionais, ou seja, ao traçarmos um grá�co de tensão em função da
deformação, teremos uma relação linear, como ilustra a Figura 3.4.
Neste grá�co, o módulo de elasticidade é obtido pela inclinação da reta;
assim, quanto maior for o módulo, menor a região de deformação elástica
resultante da tensão aplicada. É importante salientar que essa região é
chamada de elástica, já que aqui não existem deformações permanentes.
Logo, com a liberação da carga inicialmente aplicada, a peça volta às suas
dimensões originais.
De acordo com Callister (2018), os valores para os módulos de elasticidade
dos materiais cerâmicos são aproximadamente os mesmos para os metais,
porém menores para os polímeros. Essas diferenças são uma consequência
direta dos diferentes tipos de ligações atômicas que existem nos três tipos de
materiais.
Deformação Plástica
Embora o conhecimento da deformação elástica seja importante para prever
o comportamento do material em condições de operação, a região elástica só
existe, na maioria dos materiais metálicos, até deformações de
aproximadamente 0,005. Além desse ponto, conforme o material vai sendo
deformado, essa deformação passa a não ser mais proporcional à tensão
aplicada.
A partir daqui, a lei de Hooke deixa de ser válida, e o corpo de prova passa a
experimentar uma deformação permanente (irrecuperável) chamada de
deformação plástica. A transição do comportamento elástico para o plástico é
gradual para a maioria dos metais, iniciando por uma curvatura no início da
deformação plástica, que aumenta mais rapidamente com o aumento da
tensão, conforme pode ser visto na Figura 3.5.
Veremos agora algumas propriedades interessantes observadas nos
materiais sólidos enquanto submetidos aos esforços de tração.
Escoamento
Grande parte das estruturas, quando da etapa de projeto, é desenhada para
assegurar que ocorra apenas deformação elástica quando uma tensão for
aplicada. Esse é um dispositivo de con�abilidade que, segundo Callister (2018,
p. 65), visa evitar que uma estrutura ou componente que tenha sido
deformado plasticamente, apresente problemas ou não seja capaz de
funcionar como programado. Dessa maneira, torna-se desejável conhecer a
região de escoamento, que caracteriza o nível de tensão no qual tem início a
deformação plástica.
No caso de metais que apresentam uma transição gradual de deformação
elástica para plástica, a região de escoamento geralmente será determinada
pelo afastamento inicial da linearidade na curva do grá�co tensão-
deformação; o ponto associado à essa fronteira entre comportamentos do
material é chamado de limite de proporcionalidade.
A resistência ao escoamento ( ), ou limite de resistência ao escoamento,
corresponde aproximadamente ao valor da   tensão de�nida por uma linha
paralela à da região linear, para uma deformação de aproximadamente 0,002.
Muitos aços e outros materiais metálicos apresentam um comportamento
Figura 3.5 - Grá�co tensão-deformação, mostrando a divisão entre as regiões
elástica e plástica. 
Fonte: Elaborado pelo autor
σe
tensão-deformação com a região de escoamento bem de�nido, como
mostrado na Figura 3.6.
Para esses materiais, a deformação plástica tem início no ponto de resistência
ao escoamento superior, diminuindo rapidamente em seguida e oscilando
ligeiramente em torno de algum valor de tensão aproximadamente constante,
tornando a aumentar com o aumento da deformação.
Resistência à Tração
Uma vez ultrapassado o limite de resistência ao escoamento, a tensão
necessária para a continuidade da deformação plástica encontra o seu auge
no ponto máximo de tensão da curva tensão-deformação, chamado de limite
de resistência à tração ( ), diminuindo após este ponto até a eventual fratura
do material.
Figura 3.6 - Grá�co tensão-deformação, mostrando os patamares de
resistência ao escoamento superior e inferior. 
Fonte: Elaborado pelo autor
σl
Até este ponto, toda deformação  se encontra uniformemente distribuída pela
região estreita do corpo de prova de tração. Acontece que nessa tensão
máxima, uma pequena constrição, ou pescoço (Figura 3.7), começa a se formar
em algum ponto do corpo de prova, fazendo com que toda deformação
posterior seja con�nada nessa região, conforme demonstrado no ponto P da
Figura 3.8.
Normalmente, quando a resistência de um metal é citada para �ns de projeto,
a resistência ao escoamento é o principal parâmetro utilizado. Isso ocorre
porque, no momento em que a tensão correspondente ao limite de
resistência à tração chega a ser aplicada, com frequência a estrutura já sofreu
tanta deformação plástica que se torna inviável a sua utilização. “Os limites de
Figura 3.8 - Diagrama tensão-deformação, com o ponto de início da estricção
no corpo de prova. 
Fonte: Adaptado de Machado (2013).
resistência à tração podem variar desde cerca de 50 MPa, para um alumínio,
até um valor tão elevado quanto 3000 MPa, para aços de alta resistência”
(CALLISTER, 2018, p. 141).
Ductilidade
Outra propriedade mecânica de interesse, a ductilidade é uma medida do grau
de deformação plástica desenvolvida até a fratura. Podemos entender que
um metal que sofre uma deformação plástica muito pequena, ou mesmo
nenhuma deformação plástica até a fratura, é denominado frágil, enquanto
materiais que progressivamente se deformam mais até a fratura, são
denominados dúcteis.
A ductilidade pode ser expressa tanto como um alongamento percentual
(%AL) quanto como uma redução percentual na área (%RA).
O alongamento percentual é a porcentagem de deformação plástica na
fratura, expresso matematicamente por:
                (5)
em que é o comprimento no momento da fratura e é o comprimento útil
original.
A redução percentual na área é de�nida como
        (6)
em que é a área da seção transversal original e é a área da seção
transversal no ponto de fratura.
A magnitude do alongamento e da redução na área são, em geral, diferentes.
O valor de alongamento percentual está relacionado à concentração da
deformação plástica na região do pescoço, tendo relação direta com o
comprimento útil do corpo de prova. Além disso, a maioria dos metais possui
um grau de ductilidade moderado à temperatura ambiente, podendo se
tornar frágeis conforme a temperatura é reduzida.
%AL = ( ) × 100l−l0l0
l l0
%RA = ( ) × 100−AA0A0
A0 A
Resiliência
De acordo com Callister (2018), um conhecimento da ductilidade dos
materiais é importante por pelo menos duas razões: em primeiro lugar, essa
utilidade indica ao projetista o grau ao qual uma estrutura irá se deformar
plasticamente antes de fraturar; em segundo lugar, ela especi�ca o grau de
deformação permitido durante as operações de fabricação.
Dessa forma, podemos de�nir a resiliência de um material como a sua
capacidade de absorver energia quando é deformado elasticamente e,
posteriormente com a remoção da carga, permitir a recuperação dessa
energia.
O módulo de resiliência ( ) é a propriedade física que mede
quantitativamente essa energia absorvida/recuperadapor unidade de volume
necessária para tensionar um material desde seu estado sem carga até o
ponto de resistência ao escoamento. Se assumirmos a região elástica linear,
teremos então
                (7)
onde é a deformação no escoamento.
Podemos uni�car essa solução em termos do módulo de elasticidade (dado
pela Equação 4), �cando com
                (8)
Em unidades do SI, o módulo de resiliência é de�nido pela unidade J/m³,
equivalente ao pascal (Pa). Assim, os materiais resilientes são aqueles que
possuem resistências ao escoamento elevadas e módulos de elasticidade
baixos, tais quais os corpos elásticos e as molas
Tenacidade
De�niremos aqui a propriedade mecânica chamada de tenacidade de duas
formas: a primeira, chamada de tenacidade à fratura, é uma propriedade que
Ur
=Ur 12σlϵl
ϵl
= = ( ) =Ur 12σlϵl
1
2σl
σl
E
σl2
2E
indica a resistência de um material à fratura quando um defeito (como uma
trinca, por exemplo) está presente. Em outro aspecto, podemos entender
tenacidade como a habilidade de um material absorver energia, deformando-
se plasticamente antes de fraturar.
Nestes aspectos, a tenacidade é uma das principais considerações para
qualquer material estrutural e pode ser inferida a partir a área sob a curva
tensão-deformação até o ponto de fratura. Consequentemente, para que um
metal seja tenaz, ele precisa exibir tanto resistência quanto ductilidade,
característica mais presente nos materiais dúcteis em relação aos frágeis.
Dureza
Outra propriedade mecânica importante na de�nição de projetos é a dureza,
que simboliza uma medida da resistência do material a uma deformação
plástica localizada. Historicamente, os primeiros ensaios de dureza foram
baseados em minerais naturais, sendo   construída uma escala que avalia
visualmente a  capacidade de um material riscar outro material mais macio.
Segundo Shackelford (2008, p. 140), o ensaio de dureza está disponível
normalmente como uma alternativa relativamente simples para o ensaio de
tração, e costumam ser realizados com maior frequência que qualquer outro
ensaio mecânico. São mais simples porque não é preciso preparar os corpos
de prova, e os equipamentos são relativamente mais baratos.
Dessa forma, segundo Callister (2018, p. 175) um sistema qualitativo de
indexação da dureza (chamado de escala Mohs) foi assim concebida visando
avaliar essas capacidades. , Esse sistema é bem simples, e varia de 1, para o
talco, na extremidade de menor dureza da escala, até 10, para o diamante.
Ao longo dos anos técnicas quantitativas para análise da dureza foram
desenvolvidas, nas quais um pequeno indentador é forçado, sob condições
minuciosamente controladas de carga, contra a superfície de um material a
ser testado, e a profundidade resultante dessa indentação é medida e
posteriormente relacionada com um número de dureza. Assim, quanto mais
macio for o material, maior e mais profunda será a indentação, e menor será
o índice de dureza.
praticar
Vamos Praticar
O comportamento mecânico dos materiais depende de diversos fatores, tais quais
as condições de operação, temperatura, umidade etc. A respeito das propriedades
mecânicas dos materiais sólidos, mais especi�camente dos metais, é possível
a�rmar que:
a) O ensaio de tração é normalmente utilizado para analisar as propriedades químicas de um
material.
b) A deformação de engenharia tem a ver com a variação da composição do material em um
determinado instante.
c) O módulo de elasticidade pode ser interpretado como a resistência de um material à
deformação elástica.
d) A deformação plástica e irreversível só ocorre após o patamar chamado de limite de
resistência à tração.
e) Um material que sofre pouca ou nenhuma deformação plástica até a fratura é chamado de
material dúctil.
De modo geral, o fenômeno da difusão signi�ca que uma quantidade de
matéria é transportada ao longo de um tratamento térmico, por exemplo, por
ocasião do movimento atômico.
A difusão pode ser observada a partir do movimento de “troca” dos átomos
de uma composição de liga metálica, como por exemplo uma liga de cobre-
níquel. Ao se aquecer essa liga, sem contudo deixar que o material atinja sua
temperatura de fusão, os átomos de cobre ocuparão posições intersticiais ou
de lacunas nos sítios de níquel, e vice-versa, de forma que a concentração de
níquel em uma região do material diminua, dando lugar ao aumento da
concentração de cobre.
Portanto, de uma perspectiva atômica, a difusão consiste simplesmente na
migração passo a passo dos átomos de uma posição para outra na rede
cristalina. Segundo Callister (2018), como os átomos em uma rede cristalina se
movimentam constantemente, mudando rapidamente suas posições, a
difusão deve obedecer a duas condições importantes: uma posição adjacente
deve estar vazia, pronta para ser ocupada pelos átomos e o átomos deve
Difusão em SólidosDifusão em Sólidos
possuir energia vibracional su�ciente para quebrar as ligações atômicas com
seus vizinhos, causando certa distorção na rede durante esse deslocamento.
Além disso, a fração do número total de átomos que se move por difusão é
fortemente dependente da temperatura, com a entropia do meio
aumentando com o aquecimento.
A Figura 3.9 ilustra as interações de trocas atômicas em um processo
difusional de longo alcance. 
Podemos já intuir que o processo de difusão depende de como os átomos,
enquanto porção de matéria, se deslocam no elemento. Veremos a seguir as
de�nições das leis que governam os processos difusionais, entendendo como
estas se relacionam com a concentração de matéria no meio.
Primeira Lei de Fick
A análise de como os átomos de um material migram suas posições em torno
de uma região deste material é um processo que envolve certo tempo. Logo,
ao se investigar a rapidez desse processo, estamos interessados em descobrir
a taxa de transferência de massa, que representa a forma como a quantidade
de átomos (ou, alternativamente, a massa) é transportada, por unidade de
tempo, através de uma seção transversal de área unitária do sólido.
Escrevemos esse processo como um �uxo de difusão ( ) pela equação:
        (9)
em que representa a área através da qual a difusão ocorre e é o tempo
decorrido. O �uxo de difusão é expresso na unidade quilograma (ou átomos)
por metro quadrado por segundo (kg/m².s).
Se analisarmos esse �uxo constante ao longo do tempo, ou seja, em um
processo difusional em que as concentrações do componente de difusão em
ambas as regiões sejam mantidas constantes, a massa também não irá variar,
fazendo com que a difusão ocorra no que é chamado de regime estacionário.
Neste caso, o �uxo de difusão será proporcional ao gradiente de
concentração em uma direção, �cando
        (10)
onde é o gradiente de concentração, a taxa in�nitesimal com que a
concentração de átomos varia em relação a cada região do elemento, e é o
coe�ciente de difusão, uma constante de proporcionalidade expressa em
metros quadrados por segundo (m²/s).
Essa expressão é conhecida como primeira Lei de Fick e o sinal negativo no
valor de indica que a direção da difusão se dá contra o gradiente de
concentração, isto é, da concentração mais alta para a mais baixa.
Segunda Lei de Fick
Embora a interpretação estacionária do regime de difusão seja importante
para entendermos o mecanismo, a maioria das situações práticas envolvendo
difusão ocorre em regime não-estacionário, onde o �uxo difusional e o
gradiente de concentração em um ponto especí�co do elemento sólido
variam com o tempo.
J
J = MAt
A t
J = −D dCdx
dC/dx
D
D
Como o per�l de concentração dependerá do tempo e da distância de
difusão, resolvemos a relação da segunda Lei de Fick como a equação
diferencial parcial:
        (11)
onde o coe�ciente de difusão é independente da composição.
Ao serem especi�cadas as condições de contorno para o problema, é possível
obter soluções de concentração em termos tanto da posição quanto do
tempo.
Fatores que In�uenciam a Difusão
Uma das grandezas que tem profunda in�uência sobre os parâmetros de
difusão é a temperatura,potencializando o aumento da taxa de difusão com a
alteração do estado térmico do meio.
A dependência dos coe�cientes de difusão em relação a temperatura é
matematicamente escrita como uma função exponencial:
        (12)
onde é uma constante inicial  (em m²/s), é a energia de ativação para a
difusão, considerada como a energia necessária para produzir o movimento
difusional dos átomos, (em J/mol), é a constante dos gases
(aproximadamente 8,31 J/mol.K) e   é a temperatura absoluta (em kelvin, K).
Essa constante inicial de difusão é um parâmetro dependente unicamente das
formas de ligações moleculares do sólido, e não depende da temperatura.
Esse é o valor de "entrada"; os valores de "saída", ou resultados do processo,
�cam vinculados à constante �nal de difusão ( ), que depende
exponencialmente da temperatura.
Como a magnitude do coe�ciente de difusão é um indicador do modo como
os átomos se deslocam, é possível avaliar que a espécie em difusão (bem
= D ∂C∂t
C∂2
∂x2
D
D = D0e
(− )QdRT
D0 Qd
R
D
como o material hospedeiro) também in�uencia, de certa forma, na taxa
temporal e, portanto, no coe�ciente de difusão.
Por exemplo, existe uma diferença signi�cativa na magnitude entre a
autodifusão (mecanismo de lacunas) e a interdifusão (intersticial) do carbono
no ferro α a 500ºC, sendo o valor de D cerca de um bilhão de vezes ( m²/s)
maior para a interdifusão do carbono.
praticar
Vamos Praticar
Com frequência, materiais de todos os tipos são submetidos a tratamentos térmicos
para melhorar suas propriedades. Os fenômenos que ocorrem durante um
tratamento térmico envolvem quase sempre difusão atômica. De modo geral,
deseja-se aumentar a taxa de difusão; ocasionalmente, no entanto, são tomadas
medidas para reduzi-la. As temperaturas e os tempos de duração dos tratamentos
térmicos e/ou as taxas de resfriamento podem ser estimados aplicando a
matemática da difusão e constantes de difusão apropriadas (CALLISTER, 2018, p.
145).
Das alternativas abaixo, assinale a que corresponde corretamente um processo
difusional.
a) A difusão atômica sempre ocorre no mesmo sentido do gradiente de concentração.
b) Dois mecanismos possíveis para a difusão nos metais são a difusão por colunas e a difusão
intersticial.
c) A primeira Lei de Fick define o fluxo difusional para um regime não-estacionário.
d) A segunda Lei de Fick só pode ser usada se o coeficiente de difusão for dependente da
composição.
109
e) O processo de difusão pode não ser dependente do tempo, mas é sempre dependente do
gradiente de concentração.
Todo material, independente de sua composição, possui características que
os distinguem para determinadas aplicações especí�cas. Esse conjunto de
características físicas, químicas e biológicas, chamados de propriedades,
tornam determinado material ótimo para integrar certos produtos ou
inviáveis em outros usos.
Discutiremos agora neste tópico um pouco das propriedades mecânica,
elétrica, térmica, magnética, óptica e deteriorativa, distinguindo as classes de
materiais em torno dessas características.
Propriedades Mecânicas
A extensa análise do comportamento mecânico de um material constitui uma
das principais etapas de projeto para fabricação de um produto ou
conformação de aços e ligas de aplicações estruturais. É imperativo que
qualquer material seja minimamente resistente (tanto à solicitação por cargas
quanto às ações do tempo), o que faz das propriedades de comportamento
mecânico do material se relacionar com todas as outras.
Propriedades dos MateriaisPropriedades dos Materiais
No caso dos metais, principalmente aqueles utilizados para a construção de
utensílios (como automóveis, portas e fechaduras, entre outros) e para usos
em construções (como vigas de fundações, estruturas de aço para pontes etc.)
que suas características de resistência às ações mecânicas superem as
demais, tendo em vista que os impactos físicos diários podem potencializar a
degradação mais rapidamente que outros agentes, tornando o material
imprestável ao uso.
A distribuição de tensões ao longo de concentradores de tensão (rachaduras
ou pontos de descontinuidade no material) também são um ponto que
merece cuidado. Nestes casos, materiais que sofram com alguma trinca ou
buraco (resultado de capacidade de carga acima do permitido ou impactos
que ultrapassem a tensão de resistência do material) terão como tendência a
falha catastró�ca a partir do alastramento contínuo dessas rachaduras,
reduzindo signi�cativamente a perspectiva da sua função por um longo
período.
Perceba como é comum descartamos materiais que ainda sejam úteis ao uso
mas que, por estarem com alguma região prejudicada, trincada ou rachada,
não sejam tão seguros para continuarem a ser usados. Muitas vezes, tais
materiais nem sequer podem ser reparados, com o dano permanente sendo
tão grave que se torna não usual qualquer tipo de conserto. 
Propriedades Elétricas, Térmicas e Ópticas
As propriedades elétricas, térmicas e ópticas são três grupos de fundamental
importância na de�nição dos materiais em um projeto. Muitas vezes, deseja-
se que estas sejam propriedades combinadas; por outras vezes, devido à
performance requerida em determinado composto, seja por isolamento
térmico ou resistência mecânica, o material pode apresentar ótima
performance em uma propriedade e não ser viável para aplicações que
envolvam outras possibilidades.
O cobre e o alumínio, por exemplo, são amplamente utilizados como
condutores elétricos, apresentam níveis de impurezas razoavelmente baixos,
e possuem custos não muito elevados, fazendo com que sejam usados
constantemente em dispositivos elétricos e eletrônicos (circuitos
microeletrônicos). Os materiais semicondutores são frequentemente usados
em dispositivos microeletrônicos para executarem tarefas especí�cas, sendo
preferenciais por possuírem pequenas dimensões, baixo consumo de energia
e resistentes a aquecimentos locais constantes.
Os transistores, por exemplo, são dispositivos semicondutores fundamentais
nos circuitos microeletrônicos atuais, possuindo a função básica de ampli�car
um sinal elétrico, servindo também como dispositivos interruptores nos
computadores para o processamento e armazenamento de informações.
Outra tecnologia que usa semicondutores e que está em alta no momento
são as memórias �ash, utilizadas para um rápido armazenamento de
informações. Essa tecnologia se difere dos tradicionais hard drives (HDDs) por
não ser volátil, não sendo necessária energia elétrica para reter a informação
armazenada, não existirem partes móveis, além de serem extremamente
duráveis e capazes de suportar oscilações de temperatura, assim como
imersão em água. Pela sua praticidade e rápida taxa de leitura de dados, as
memórias �ash tem ganhado terreno entre os dispositivos portáteis, como
câmeras digitais, smartphones, computadores portáteis e consoles de jogos.
Alguns materiais podem ser utilizados ao combinar suas propriedades
elétricas e térmicas com aplicações ópticas de importância. Nesses casos, a
condutividade dos materiais semicondutores é aumentada de acordo com a
iluminação do material, devido a um efeito chamado de fotocondutividade.
Um material que exibe esse efeito são os diodos emissores de luz (LEDs),
onde ocorre a conversão de energia elétrica em energia luminosa através da
emissão de radiação em uma frequência especí�ca (radiação infravermelha).
As diversas aplicações dos LEDs semicondutores incluem os mostradores de
relógios digitais (ou smartwatches), mouses ópticos para computadores e os
scanners, sendo ainda usados como fontes de luz em lâmpadas
convencionais e sinais de trânsito, mais e�cientes e econômicas que as
lâmpadas incandescentes pois geram pouco calor e possuem um tempo de
vida útil mais longo devido a não existência de �lamentos.
Outras aplicações interessantes incluem as �bras ópticas em
telecomunicações, em vez dos tradicionais �os eletrocondutores de cobre,
que transmite o sinal através de fótons de radiação eletromagnética
(luminosa), o que permite um aumento de velocidadede transmissão, maior
densidade de informações e distância de transmissão, além de reduzir a taxa
de erros por não existir interferência eletromagnética com as �bras.
Propriedades Magnéticas
Muitos dos dispositivos tecnológicos que utilizamos atualmente dependem,
de maneira direta ou indireta, dos fenômenos magnéticos. Além disso, o
ferro, alguns aços e certos minerais naturais (como a magnetita) exibem
comportamento magnético, tendo sido cruciais na formação da sociedade
moderna. Podemos dizer, por extensão, que todas as substâncias são
in�uenciadas, em algum grau, pela presença de um campo magnético
circundante, como esse em que estamos agora.
O magnetismo em materiais, geralmente metálicos, pode se apresentar de
algumas formas bem distintas: o material pode ser intrinsecamente
magnético (magneto permanente), apresentando um alinhamento
preferencial dos elétrons com o campo externo (chamados de
ferromagnéticos), ou possuir uma tendência de magnetização (magnetização
não permanente) quando um campo magnético a ele é aplicado, sendo
induzido por uma mudança no movimento dos elétrons orbitais devido à
aplicação de um campo magnético (chamados de diamagnéticos e
paramagnéticos).
São classi�cados como materiais magnéticos moles aqueles que podem ser
facilmente magnetizados ou desmagnetizados, encontrando aplicações em
geradores, motores e núcleos de transformadores. Por sua vez, os materiais
magnéticos duros são empregados em imãs permanentes, que devem
possuir alta resistência à desmagnetização, além de serem mais vantajosos
que os eletroímãs convencionais, sem consumo excedente de energia elétrica
devido aos seus campos magnéticos serem mantidos constantemente.
Algumas aplicações desses materiais são nos ímãs neodímio-ferro-boro, mais
baratos que os ímãs samário-cobalto, e empregados usualmente em
dispositivos motores, como nas partidas, vidros elétricos e limpador de para-
brisas automotivos, motores de ventiladores, alto-falantes em sistemas de
áudio, aparelhos auditivos e periféricos de computador.
Os materiais magnéticos são ainda importantes na área de armazenamento
de informações eletrônicas, com diversos dispositivos sendo desenvolvidos.
Conforme vimos, há uma tendência crescente dos elementos semicondutores
servirem como memória principal nos computadores, principalmente devido
à estabilidade e rapidez de leitura e armazenamento; contudo, os discos
rígidos magnéticos ainda continuarão sendo usados como memória
secundária, já que são capazes de armazenar um maior volume de
informações a um menor custo. Além disso, de acordo com Callister (2018) as
indústrias de telecomunicações e informação dependem, em larga escala, das
�tas magnéticas para o armazenamento de dados em grandes sistemas de
computadores, arquivamento de cópias de segurança e a reprodução de
sequências de áudio e vídeo.
Alguns materiais cerâmicos também exibem magnetização permanente e
possuem propriedades interessantes devido à sua natureza, sendo chamados
de ferrimagnéticos. As ferritas cúbicas, de fórmula estrutural , onde M
representa um elemento metálico, possuem características ferrimagnéticas.
Um protótipo deste material é o mineral magnetita ( ), chamado de pedra-
imã. As magnetizações destes materiais não se apresentam tão elevadas
como os materiais ferromagnéticos, contudo estes materiais são ótimos
isolantes elétricos e servem à aplicações destinadas à baixas taxas de
condutividade elétrica, como em transformadores de alta frequência.
Propriedades Degradativas
A maioria dos materiais, em alguma escala, costuma interagir com uma
diversidade de ambientes, o que pode comprometer sua utilidade em função
da deterioração das suas propriedades mecânicas ou físicas, ou mesmo da
aparência do material.
Os mecanismos de deterioração são diferentes para os tipos de materiais que
consideramos aqui. Nos metais, uma efetiva perda do material pode ocorrer
por efeitos de corrosão (dissolução da matéria) ou pela formação de uma
incrustação não metálica, processo chamado de oxidação. Por sua vez, os
materiais cerâmicos são relativamente resistentes à deterioração por
MFe2O4
Fe3O4
corrosão, levando as ocorrências se apresentarem em condições extremas,
quando em temperaturas elevadas ou ambientes. A degradação nos
polímeros ocorre de forma bem distinta daquelas experimentadas pelos
metais e cerâmicos. Esses materiais podem se dissolver quando expostos a
um solvente líquido, sendo também in�uenciados em suas estruturas
moleculares pelo calor e radiação eletromagnética.
praticar
Vamos Praticar
As diferentes propriedades dos materiais os distinguem entre si, permitindo que
metais, cerâmicos e polímeros possam ser utilizados em aplicações de interesses
comuns à diversas indústrias. Sobre este assunto, é possível a�rmar que:
a) As propriedades mecânicas, térmicas e ópticas não podem se apresentar em um mesmo
material.
b) As memórias flash, utilizadas nos dispositivos portáteis, são menos vantajosas que os discos
magnéticos.
c) As fibras ópticas podem ser utilizadas em telecomunicações, porém apresentam erros devido
à interferência eletromagnética entre as fibras.
d) Um material diamagnético possui potencial de magnetização permanente, como os ímãs
convencionais.
e) Os materiais metálicos são suscetíveis à degradação por corrosão ou oxidação, enquanto os
cerâmicos são resistentes à corrosão.
Neste ponto, você já deve ter percebido que muito certamente nenhum
material está mais associado à pro�ssão do engenheiro do que os metais,
como os metais de ligas estruturais, por exemplo. Neste tópico, abordaremos
mais amplamente a diversidade desta classe de material em engenharia,
desde os processos de obtenção do minério até as próprias ligas ferrosas,
baseadas em ferro, e não-ferrosas, como as ligas de alumínio e cobre, além
dos metais preciosos.
A Extração do Minério
Os metais podem aparecer na natureza em estado livre ou, mais
frequentemente, como compostos metálicos. Geralmente esses materiais
existem na superfície em jazidas, concentrados como uma massa de
substâncias minerais ou fósseis, para a exploração.
No estado livre ou em formato de compostos, di�cilmente essas substâncias
são encontradas puras na natureza, o que faz com que as pepitas (pedras
puras de minério) de ouro ou prata, por exemplo, sejam tão valiosas
Os Materiais MetálicosOs Materiais Metálicos
economicamente. Normalmente, juntamente com as substâncias portadoras
encontram-se impurezas, que se juntam ao metal principal formando
compostos metálicos não puros: o minério, a forma como o metal é
encontrado naturalmente.
A mineração é a fase de extração do minério, normalmente compreendendo
a etapa de prospecção e colheita e a etapa de concentração. Já a metalurgia
tem por �nalidade a obtenção do metal puro, seja por redução via fusão ou
re�namento via precipitação química.
Segundo Bauer (2019), a concentração tem por �nalidade separar os minérios
utilizáveis dos economicamente pobres e eliminar as impurezas que não
fazem parte da constituição do mesmo (tais como areia, argila, organismos
etc.). Em linhas mais gerais, é uma puri�cação do minério, que pode ser
executada por processos mecânicos (como trituração do minério em pedaços
menores ou separação magnética) ou químicos.
Veremos a seguir as principais classi�cações dos materiais metálicos em ligas
ferrosas e não-ferrosas, analisando como esses materiais estão distribuídos
nas mais comuns aplicações industriais.
Ligas Ferrosas
A grande maioria dos materiais metálicos usados pelos seres humanos (cerca
de mais de 90% em peso) são da família de ligas ferrosas, o que representa
uma importante classe de materiais de engenharia, usados principalmente
em projetos que demandem suporte de cargas estruturais.
Essas ligas normalmente são classi�cadas em relação à quantidade de
carbono presente na sua composição: os aços (divididos entre aços de baixa
liga e de alta liga) geralmente contém entre 0,05 e 2% em peso de carbono,
enquanto os ferros fundidos possuem composição entre 2 e 4% em peso de
carbono.Esses elementos de liga muitas vezes acrescentam melhorias às propriedades
mecânicas e degradativas, o que acaba por justi�car seus custos mais
elevados.
Os ferros fundidos são uma classe de ligas ferrosas que possuem teor de
carbono acima de 2% (na prática, entre 3 e 4% em peso de carbono), além de
silício e outros elementos de liga, importantes na formação de carbetos.
Devido a apresentarem baixo ponto de fusão em comparação com os aços,
entre 1150 e 1300°C, essas ligas são apropriadas para fundição e
conformação, embora geralmente sejam muito frágeis devido à alta
porosidade decorrente do processo de conformação.
De acordo com Callister (2018) e Shackelford (2008), existem quatro tipos
comuns de ferros fundidos:
Ferro fundido cinzento: apresenta superfície de fratura cinzenta, com
�ocos de gra�ta a�ados sendo formados na sua microestrutura, o
que contribui para sua fragilidade e baixa resistência em tração.
Contudo, são extremamente baratos e podem ser usados na
conformação de peças complexas.
saiba mais
Saiba mais
A maioria das ligas ferrosas é de aço-carbono e aços de baixa liga devido ao preço
mais moderado, menos elementos de liga e altamente duráveis e mecanicamente
resistentes. Por sua vez, os aços de alta liga (ou somente aços-liga) são fabricados
com requisitos de elementos ligados maiores que 5%, o que os classi�ca como
mais resistentes à corrosão (no caso dos aços inoxidáveis), maior dureza (nos
aços ferramenta para usinagem) ou estabilidade em aplicações de alta
temperatura (como as superligas). Acompanhe no link alguns exemplos dos tipos
de aços que podem ser encontrados em projetos de acordo com sua classi�cação,
estrutura ou aplicação.
Fonte: Elaborado pelo autor
ACESSAR
https://www.infomet.com.br/site/acos-e-ligas-conteudo-ler.php?codConteudo=13
Ferro fundido branco: a superfície de fratura possui uma aparência
clara devido às rápidas taxas de resfriamento e formação de grandes
quantidades de cementita ( ), gerando um material frágil de alta
dureza.
Ferro dúctil ou nodular: possui propriedades mecânicas melhoradas
devido ao acréscimo de uma pequena quantidade de magnésio ao
ferro cinzento antes da fundição. Neste caso, ainda temos a
formação de gra�ta, porém em nódulos esféricos em vez de �ocos, o
que confere uma maior resistência e ductilidade em relação ao ferro
cinzento, comparável a alguns aços.
Ferro maleável: é uma forma mais tradicional de ferro fundido com
ductilidade razoável. Primeiramente ocorre a fusão do ferro branco
sendo, em seguida, tratado termicamente para produzir
precipitações de gra�ta nodular, produzindo um material de
resistência relativamente elevada e maleabilidade considerável.
Veremos a seguir as ligas que não apresentam o componente ferro em sua
estrutura, as ligas não ferrosas.
Ligas não Ferrosas
Embora as ligas ferrosas constituam a base de materiais metálicos na maioria
das aplicações de engenharia, estas possuem algumas restrições como massa
especí�ca elevada, condutividade elétrica baixa e susceptibilidade à corrosão
em ambientes comuns. Assim, em muitos casos é necessário se designar
outras ligas com combinações de propriedades mas adequadas.
Neste grupo estão as ligas de alumínio, magnésio, titânio, cobre, níquel, zinco
e chumbo, as superligas, além dos metais refratários e metais preciosos.
As Ligas de Cobre
O cobre e as ligas à base de cobre têm sido utilizados desde a antiguidade,
devida à combinação desejável de propriedades. Possuem excelente
condutividade elétrica e térmica, alta ductilidade e resistência à corrosão,
F Ce3
além de serem facilmente moldáveis e trabalhados a frio, o que faz esse
material ser preferencial em instalações elétricas e radiadores.
As ligas mais comuns de cobre são os latões, onde o zinco é o elemento de
liga predominante, relativamente dúcteis e macios, sendo amplamente
utilizados em bijuterias, instrumentos musicais, placas de componentes
eletrônicos e moedas.
Os bronzes são ligas de cobre e diversos outros elementos, como estanho,
alumínio e níquel, relativamente mais resistentes que os latões, com alto grau
de resistência à corrosão. Essas ligas são utilizadas geralmente quando são
necessárias boas propriedades de tração, além de resistência à corrosão.
As Ligas de Alumínio
As ligas de alumínio são conhecidas em geral por sua baixa densidade,
resistência à corrosão e condutividades elétrica e térmica elevadas. A
combinação dessas interessantes propriedades foram determinantes na
busca por produção de peças automotivas mais leves, onde, entre as décadas
de 1970 e 1980, começaram a serem utilizadas em substituição dos aços
convencionais de alguns componentes.
Muitas dessas ligas são conformadas com facilidade em virtude de suas
elevadas taxas de ductilidade, o que pode ser visualizado nas espessuras das
folhas de alumínio, nas quais o material relativamente puro pode ser
laminado.
Algumas das principais aplicações das ligas de alumínio incluem ainda peças
estruturais de aeronaves, latas de bebidas e carrocerias de ônibus.
Metais Refratários, Superligas e os Metais Nobres
Os metais refratários são aqueles que possuem temperaturas de fusão
extremamente elevadas, variando entre 2468°C para o nióbio (Nb) e 3410°C, o
mais alto ponto de fusão entre todos os metais, para o tungstênio (Wb). A
ligação interatômica nesses metais é extremamente forte, o que confere altas
temperaturas de fusão, além de elevados módulos de elasticidade e altas
durezas, tanto na temperatura ambiente quanto em temperaturas elevadas.
As ligas de molibdênio são exemplos comuns de materiais refratários, sendo
usadas em �lamentos de lâmpadas incandescentes, tubos de raios X e até em
peças estruturais de veículos espaciais.
As superligas são materiais que possuem como elementos predominantes o
ferro-níquel, níquel e cobalto, podendo ser usados outros elementos, como os
metais refratários, cromo e titânio. A maioria das superligas é utilizada em
componentes de turbinas de aeronaves, que devem suportar a exposição a
ambientes altamente oxidantes e temperaturas elevadas durante razoáveis
períodos de tempo. Além das turbinas, essas ligas também são empregadas
em reatores nucleares, muito em função da manutenção de sua integridade
mecânica em condições extremas.
O último grupo que estudaremos aqui são os metais nobres ou preciosos.
Eles são chamados preciosos por serem extremamente raros na natureza (e,
portanto, caros) e apresentarem propriedades superiores como baixa dureza,
razoavelmente dúcteis e resistentes à oxidação. Os metais nobres mais
comuns, usados com frequência em itens de joalheria, são o ouro, a prata e a
platina. Além desse uso estético, as ligas de ouro e prata são empregadas
como materiais para restauração dentária e a platina é utilizada em
equipamentos de laboratórios químicos e em termopares para aferição de
temperaturas elevadas.
praticar
Vamos Praticar
Os materiais metálicos compõem um dos mais importantes grupos de matéria
prima nas aplicações de projetos em engenharia. A respeito das características e
propriedades dos metais e suas ligas, pode-se a�rmar que:
a) Os metais sempre ocorrem naturalmente, não sendo possível a formação de compostos
metálicos mistos.
b) A mineração é a fase de extração do minério, normalmente compreendendo as etapas de
prospecção e separação.
c) A maioria dos materiais metálicos usados pelo homem são da família de ligas não-ferrosas,
como as ligas de aço-carbono.
d) Os ferros fundidos são uma classe de ligas ferrosas que apresenta alta ductilidade e elevada
resistência à corrosão. D.
e) Como ligas não ferrosas de zinco, temos os bronzes, altamente resistentes à corrosão e mais
frágeis que os latões.
indicações
Material Complementar
FILME
Wolverine - Imortal
Ano: 2013
Comentário: O �lme de �cção e fantasia da Marvel
retrata o início do surgimento do super-herói mutante
Wolverine, que possui um esqueleto feito de
Adamantium, uma liga metálica �ctícia supostamente
indestrutível. O �lme retrata conceitos cientí�cos
interessantes no seu enredo, como ostrens bala e
eletromecânica, na �gura de vilões do personagem
principal.
T R A I L E R
LIVRO
A magia da realidade: Como sabemos o que
é verdade
Richard Dawkins
Editora: Companhia das Letras
ISBN: 8535920544
Comentário: O livro aborda diversos aspectos da
ciência, criando ilustrações que ajudam o leitor a
desvendar mistérios e curiosidades em um trabalho de
investigação voltado ao público em geral. No capítulo 4
procura responder à pergunta “Do que são feitas as
coisas?”, analisando a formação das partículas
fundamentais a partir do fenômeno da difusão,
exempli�cando as substâncias (como os metais e o
carbono) a partir de uma perspectiva atômica
qualitativa.
conclusão
Conclusão
Nesta unidade, estudamos com mais a�nco as propriedades mecânicas dos
materiais metálicos, buscando ampliar os conceitos de tensão e deformação
do ponto de vista dos efeitos sobre o corpo de prova. Analisamos os
diagramas de ensaios de tração (os grá�cos tensão-deformação), analisando
parâmetros como resistência ao escoamento, limite de resistência à tração,
ductilidade, resiliência e tenacidade. Estudamos a difusão atômica e como os
arranjos cristalinos dependem fortemente da temperatura e condições de
operação. Observamos ainda as principais propriedades dos materiais de
interesse, como as propriedades mecânicas, térmicas, ópticas e magnéticas.
Por �m, apresentamos brevemente os materiais metálicos e suas
classi�cações, como os metais puros e as ligas metálicas, buscando fornecer
exemplos que pudesse dar ao aluno uma visão mais generalista do assunto.
referências
Referências Bibliográ�cas
BAUER, L. A. Materiais de construção. Coord: João Fernando Dias. 6 ed. Rio
de Janeiro: LTC, 2019.
CALLISTER, Willian D. Jr., RETHWISCH, David G. Ciência e engenharia dos
materiais: uma introdução. 9 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2018.
HIBBELER, Russel C. Resistência dos materiais. 7 ed. São Paulo: Pearson
Prentice Hall, 2010.
MACHADO, Ivan Guerra. Falhas de Estruturas de Aço Soldadas Devido a
Reduzida Ductilidade. Soldagem & Inspeção, São Paulo, vol. 18, número 4, p.
391-403, outubro de 2013.
SHACKELFORD, James F. Introdução à ciência e engenharia dos materiais
para engenheiros. 6 ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2008. ano de
publicação.
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ensaio_de_tra%C3%A7%C3%A3o.PNG
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Proba_rozciagania_probki_2.jpg
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