relatório CDTN

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS 
ESCOLA DE ENGENHARIA 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DAS ESTRUTURAS 
Programa de Pós-Graduação em Engenharia das Estruturas 
 
 
 
 
 
 
 
RELATÓRIO- ensaios de caracterização de metais executados no CDTN 
 
 
 
 
 
 
Relatório apresentado ao docente Rodrigo 
Barreto Caldas, pela discente Priscila 
Alves S. Machado como requisito parcial 
da disciplina Análise Estrutural das 
Estruturas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Belo Horizonte 
Junho de 2023 
 
2 
 
1 INTRODUÇÃO 
 
 
O Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear (CDTN) é uma das 
Unidades de Pesquisa da Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN), 
autarquia vinculada ao Ministério da Ciência, Tecnologia, Inovações e 
Comunicações (MCTIC). Localizado no campus universitário da Universidade 
Federal de Minas Gerais - UFMG, bairro Pampulha, em Belo Horizonte, o 
CDTN atua na pesquisa e desenvolvimento, ensino (pós-graduação) e 
prestação de serviços na área nuclear e em áreas correlatas. 
Um dos serviços tecnológicos disponíveis no CBTN é o núcleo de apoio 
a Inovação em Estudos de Materiais, Minerais e Componentes Estruturais, que 
visa utilizar tecnologias avançados em análise e caracterização de materiais; 
avaliação da integridade estrutural de componentes mecânicos e 
beneficiamento de minerais, fortalecendo os setores onde as tecnologias 
convencionais não conseguem dar respostas satisfatórias. 
O Laboratório de ensaios mecânicos realiza ensaios padronizados em 
conformidade com Normas Técnicas para caracterização de propriedades 
mecânicas e avaliação do seu comportamento em função de diferentes tipos de 
solicitações mecânicas. São realizados ensaios de tração, compressão, fadiga 
flexo-rotativa, flexão, impacto, dureza, fluência, usinagem de entalhes em 
corpos de prova tipo Charpy e preparação de corpos de prova de chapas de 
até ¼”. 
A execução de ensaios realizados em materiais apresenta grande 
importância, pois servem para averiguação de suas propriedades, realização 
de análises de risco, analisar possíveis falhas, verificar o comportamento do 
material sob condições de trabalho, entre muitas outras características. 
Os conceitos de mecânica da fratura como parâmetros de tenacidade à 
fratura e modelos de crescimento de trinca por fadiga são utilizados na 
avaliação de integridade estrutural. 
 
. 
 
 
 
3 
 
 
2 OBJETIVOS 
 
O presente relatório tem como objetivo elucidar ensaios acompanhados 
em visita ao CDTN no dia 19 de maio de 2023. 
Os ensaios demonstrados foram: 
a) fadiga flexo-rotativa 
b) ensaio de impacto 
c) ensaio de tração 
d) ensaio de nucleação e propagação de trincas 
 
3 ENSAIOS ACOMPANHADOS 
 
3.1 Ensaio de Fadiga flexo-rotativa 
3.1.1 Referencial teórico sobre o ensaio 
 
O termo fadiga é determinado por ASTM E 1823-2000, como um 
fenômeno de ruptura no material, alterando sua estrutura na localidade de 
forma irreversível e progressiva, como consequência de tensões dinâmicas e 
variáveis, que podem ser responsáveis pelo aparecimento de trincas e por sua 
propagação, gerando fraturas de maneira lenta e gradativa em detrimento de 
um número de ciclos. Como resultado, tem-se o rompimento do material e/ou 
componente mecânico. 
Budynas e Nisbett (2011) explica que há três fatores básicos 
necessários para o fenômeno da fadiga estar presente: 
a) uma tensão máxima de valor consideravelmente elevado, 
b) uma grande oscilação entre tensões mínima e máxima, 
c) e um número de ciclos alto. 
A falha por fadiga em um material tem aparência semelhante a uma 
falha frágil. Considerando os estágios até a falha de um componente, tem-se: 
a) Estágio 1 – Início de uma ou mais microtrincas, como consequência de 
deformações plásticas cíclicas seguidas da propagação cristalográfica 
que se estende por cinco grãos a partir da origem. 
 
4 
 
b) Estágio 2 – Propagação da ou das microtrincas, originando a superfície 
de fratura como platôs paralelos separados por sulcos. 
c) Estágio 3 – Fratura rápida e repentina que ocorre no ciclo final de 
tensão, quando o material restante não consegue suportar as cargas 
aplicadas (BUDYNAS e NISBETT, 2011). 
Nesse sentido, o ensaio de fadiga é utilizado para estimar os limites de 
tensão e tempo de uso a que um produto, peça ou elemento de máquina pode 
ser submetido, sendo que a partir destes é possível determinar o melhor 
material para composição de um produto. 
Existem diversas maneiras de realizar a análise da fadiga em materiais, 
de acordo com o tipo de solicitação a qual será aplicada, elas podem ser: 
Torção, Tração-Compressão, Flexão e Flexão-Rotativa. 
O ensaio Flexo rotativo é um método muito usado para determinar o 
efeito de variações no material, geometria, condição da superfície, tensão e 
definir a expectativa de vida de um determinado componente ou material que 
está sujeito a tensão direta em números relativamente grandes de ciclos. Este 
método consiste em submeter um corpo de prova a solicitações de flexão 
enquanto é rotacionado em seu próprio eixo por um motor de alta rotação e 
conectado a um contador de giros, caracterizando assim uma aplicação de 
tensões cíclicas, conforme apresentado na Figura 1. 
 
Figura 1- Tensões que variam com o período 
 
Fonte: Takahashi (2014) 
 
 
 
O ensaio em materiais é realizado através de corpos de provas (CPs’) 
padronizados com superfícies cuidadosamente usinadas e polidas em uma 
direção axial para evitar interferências por parte de acabamentos superficiais e 
não podendo haver tratamentos térmicos. O CP possui formato de Ampulheta 
 
5 
 
(Figura 2), para que a fratura ocorra na superfície com menor diâmetro (região 
desejada). 
 
 
Figura 2- Corpo de prova usado nos ensaios por flexão rotativa 
 
Fonte: Takahashi (2014) 
 
 
A amostra é rotacionada até o seu rompimento, na qual o momento 
Fletor que o mesmo está sujeito é uniforme em toda a sua extensão. Após o 
rompimento, é gerado um Gráfico de curvas S-N para cada carga aplicada, em 
que para se obter um curva completa, ao todo são utilizados dez corpos de 
provas do mesmo material, sendo que o ensaio se inicia com a carga máxima 
utilizada, porém abaixo do limite de Escoamento do aço estudado e se reduz a 
cada CP rompido, obtendo desta forma quantos ciclos o material suporta para 
cada solicitação. 
 
Figura 3- Modelo de curva S-N de materiais distintos. Aço 1045 e Alumínio 2014-T6 
 
Fonte: Nogueira et. al (2014) 
 
 
As curvas S-N (Stress-Number of cycles) também conhecida como curva 
de Wöhler, caracterizam a Força aplicada, ou seja, caracteriza a magnitude da 
 
6 
 
forças aplicada sobre o CP pelo número de ciclos até o rompimento. Este 
método serve para prever e controlar o número de ciclos com uma determinada 
carga até o rompimento. Um material possui vida infinita a partir de 105 
números de ciclos. 
Segundo Turatti (2017) quanto ao número de ciclos, classifica-se a 
fadiga em: fadiga de baixo ciclo (FBC) com número de até 10³ ciclos, ou ainda 
fadiga de alto ciclo (FAC), que corresponde a números de ciclos superiores a 
10³ ciclos. 
Machado (2005) explica que quanto maior a intensidade da amplitude de 
tensão empregada ao corpo de prova, menor será a quantidade de ciclos que o 
material conseguirá suportar até sua fratura. O limite de fadiga do material 
representa o valor mais elevado de amplitude de tensão, o que não acarreta na 
fratura do material, mesmo considerando uma quantidade de ciclos infinito. 
 
3.1.2 Normas Técnicas 
 
• E466 : Ensaios axiais sob controle de força; 
• E606 : Ensaios controlados pela deformação; 
• E739 : Análise estatística de dados de fadiga; 
• E647 : Medida da taxa de propagação da trinca; 
• E1049 : Contagem de ciclos em fadiga; 
• E2789 : Ensaio de fadiga por fretting; 
• ASTM-E 466: ensaio de Fadiga para a obtenção da Curva S-N; 
• DIN 50113; 
• ISO 1143; 
• STP 566 Manual de Ensaios deFadiga; 
• STP 588 Manual de Planejamento Estatístico e Análise de Experiências 
de Fadiga; 
• STP 731 Tabelas para Estimativa dos Limites Medianos de Fadiga. 
 
Para preparação dos corpos de provas metálicos, são levadas em 
consideração as seguintes normas: 
 
• E467 Prática para Verificação de Forças Dinâmicas de Amplitude 
Constante em um Sistema de Teste de Fadiga Axial; 
• E468 Prática para Apresentação de Resultados do Teste de Fadiga de 
Amplitude Constante para Materiais Metálicos; 
• Método de Teste E606 / E606M para Teste de Fadiga Controlada por 
Tensão; 
• E1823 Terminologia relativa ao teste de fadiga e fratura. 
 
 
7 
 
3.1.3 Metodologia do Ensaio 
 
 
O ensaio é de natureza destrutiva e é baseado no princípio de um eixo 
giratório, em que se utiliza um corpo de prova (CP) com entalhe (apresentado 
na Figura 1) que funciona como uma viga simples sofrendo carregamento 
simétrico em dois pontos. Quando girado metade da revolução, as tensões nas 
fibras originalmente abaixo da linha neutra do CP são revertidas de tração para 
compressão e vice-versa. Ao completar a revolução, as tensões são 
novamente revertidas para que, durante uma revolução, o corpo de prova 
passe por um ciclo completo de esforço fletor (tração e compressão). 
O equipamento utilizado para realização do ensaio é similar a um braço 
de alavanca. Em um lado da alavanca existe um peso de compensação e no 
outro se aplicam pesos mortos, de acordo com a tensão que se deseja aplicar 
no corpo de prova. O fator de multiplicação dessa máquina é 10, portanto, a 
força aplicada no corpo de prova equivale a dez vezes a força do peso morto. 
O motor elétrico da máquina transmite diretamente essas rotações ao corpo de 
prova através de uma mola. O equipamento possui, acoplada a ela, um 
contador eletrônico que registra o número de ciclos no corpo de prova. O 
equipamento e a esquematização são mostrados nas Figuras 5 e 6. 
 
Figura 4- Equipamento utilizado 
 
Fonte: Acervo Pessoal (2023) 
 
 
8 
 
Figura 5- Esquematização 
 
 
 
 
 
 
Os corpos de prova utilizados para o ensaio foram produzidos do aço 
ABNT 1020. As características desse material são apresentadas na Tabela 1 e 
Tabela 2. 
 
Tabela 1- Composição do alo ABNT 1020 
Aço Carbono (C) Manganês (Mn) Fósforo (P) Enxofre (S) 
1020 0,18-0,23% 0,30-0,60% 0,040% 0,050% 
Fonte: NBR NM 87 (ABNT, 200, p.5). 
 
Tabela 2- Propriedades mecânicas do aço ABNT 1020 
Resistência a 
tração 
Módulo de 
elasticidade 
Coeficiente de 
Poisson 
Dureza Densidade 
380 MPa 205 GPa 0,291 111Hb 7870kg/m³ 
Fonte: Budynas e Nisbett, 2011. 
 
 
O ensaio é interrompido no momento da ruptura do corpo de prova, 
porém a visita ao CDTN se encerrou antes que ocorresse a ruptura. 
Após o término do ensaio, os dados fornecidos (carga aplicada x número 
de ciclos) serão plotados no gráfico SxN (Tensão x Número de ciclos), e a 
partir deste gráfico será possível estimar o limite de fadiga do material, ou seja 
poderemos estimar a vida útil de um componente feito a partir deste material e 
submetido a uma carga determinada. 
 
 
9 
 
3.2 Ensaio de Impacto 
 
3.2.1 Referencial teórico sobre o ensaio 
 
A Fratura consiste na separação de um corpo em dois em resposta a 
uma tensão imposta. A ductilidade é uma indicação de quanto uma estrutura irá 
se deformar antes da fratura. 
O ensaio de impacto possui natureza destrutiva, tem como objetivo, 
medir a quantidade de energia absorvida (tenacidade) por uma amostra de 
material (corpo de prova) quando submetido a um esforço de choque 
(dinâmico) conhecido. Dessa forma, também faz parte da definição do objetivo 
desse ensaio a análise e estudo da fratura frágil e a transição dúctil/frágil dessa 
fratura em metais. 
No Quadro 1 é apresentado a diferença entre fratura frágil e fratura 
dúctil. 
Quadro 1- Diferenças entre a fratura frágil e a fratura dúctil 
Fratura frágil Fratura dúctil 
• Trincas se espalham de maneira 
extremamente rápida com muita 
pouca deformação plástica (trinca 
instável) 
• Ocorre repentinamente e 
catastroficamente, consequência da 
espontânea propagação de trincas 
• Extensa deformação plástica na 
vizinhança da trinca. Processo 
prossegue de maneira lenta (trinca 
estável) 
• Presença de deformação plástica dá 
um alerta de que uma fratura é 
iminente 
• Mais energia de deformação é 
necessária pois geralmente são mais 
tenazes 
 
O ensaio é importante, pois em certos metais e ligas que possuem 
comportamento dúctil de fratura em ensaios estáticos (ensaio de tração, por 
exemplo) passam a ter comportamento frágil de fratura a depender da 
temperatura (primeiro fator que influencia na fratura e no ensaio). 
 
3.2.2 Normas Técnicas 
 
• ASTM E23–16- Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing 
of Metallic Materials 
 
 
 
10 
 
3.2.3 Metodologia do Ensaio 
 
O método mais comum para para ensaiar metais é o do golpe, desferido 
por um peso em oscilação. Basicamente é utilizado um aparelho, composto por 
um pêndulo a qual é elevado a uma certa posição e adquire uma energia 
potencial conhecida pela altura h atingida. Quando ele despenca, essa energia 
se transforma em energia cinética também conhecida quando atinge o corpo de 
prova que absorve parte dessa energia. A posição final, temos uma energia 
potencial conhecida pela altura h’ (necessariamente, menor que a inicial). 
Justamente essa diferença de energia entre a final e a inicial é a 
quantidade absorvida pelo material do corpo de prova, representada em 
“Joules”. Dessa forma, a altura final é inversamente proporcional à energia 
absorvida para deformar e romper o corpo de prova 
Para o ensaio de impacto, podem ser utilizados dois tipos de corpos de 
provas, do tipo Charpy e do tipo Izod. No Ensaio utilizando o corpo de prova 
Charpy, comumente denominado “ensaio de impacto Charpy”, o golpe do 
martelo acontece na face oposta ao entalhe, e no “ensaio Izod” na mesma face 
do entalhe (Figura 6). 
Figura 6- Diferença entre os tipos de ensaio 
 
. 
O corpo de prova possui em um entalhe, que pode ser de três tipos: 
Charpy tipo A, Charpy tipo B e Charpy tipo C 
 
 
11 
 
Figura 7- Corpos de provas para o ensaio de Charpy 
 
 
A demonstração realizado no CDTN foi de corpos de prova tipo Charpy 
tipo A. 
 Na Figura 8 é apresentado a esquematização do equipamento utilizado 
para realização do ensaio e a imagem do equipamento 
 
Figura 8- Esquematização do equipamento utilizado 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
12 
 
Os corpos de prova utilizados para o ensaio foram produzidos do aço 
ABNT 1020 e aço ABNT 1045. Na Tabela 3 é apresentado algumas 
características do aço SAE 1045. 
 
Tabela 3- Características do aço ABNT 1045 
Tipo de 
aço 
Teor de 
carbono 
Limite de 
elasticidade 
(GPa) 
Limite de 
escoamento 
(MPa) 
Limite de 
resistência 
à tração 
(MPa) 
Alongamento 
(%) 
ABNT 
1045 
0,45 250 310 560 17 
 
O aço ABNT 1020 é um aço de baixo-carbono, sendo ele mais dúctil quando 
comparado com o aço ABNT 1045 que é um aço médio-carbono, tal situação 
foi demonstrada após ensaio pela análise da aparência da fratura. Na Figura 9 
é apresentado a ruptura do aço ABNT 1020 e do aço ABNT 1045. 
 
Figura 9- Tipos de ruptura dos aços ensaiados 
 
 
Além da composição, principalmente se tratando da taxa de carbono, foi 
explicado que Três fatores contribuem para o surgimento da fratura frágil, em 
materiais que são normalmente dúcteis à temperatura ambiente: 
• existência de um estado triaxial de tensões, 
• Baixa temperatura e 
 
13 
 
• taxa ou velocidade de deformação elevada. Esses três fatores não 
precisam atuar necessariamente ao mesmo tempo para produzira fratura 
frágil. 
 
3.3 Ensaio de tração 
 
3.3.1 Referencial teórico sobre o ensaio 
 
O Ensaio de Tração é amplamente utilizado para o levantamento de 
informações básicas sobre a resistência dos materiaise como um teste de 
aceitação de materiais que se faz pelo confronto das propriedades 
determinadas pelo ensaio e ajustes especificados em projeto. O ensaio 
consiste na aplicação de uma carga uniaxial crescente a um corpo de prova 
especificado, ao mesmo tempo em que são medidas as variações no 
comprimento. Apesar de não ser necessariamente capaz de fornecer 
informações para prever o comportamento dos materiais quando sujeitos a 
carregamentos em condições de serviço, o ensaio de tração permite avaliar 
características de resistência e de ductilidade que podem ser usadas para 
estabelecer critérios de controle de qualidade que assegurem desempenho 
satisfatório em determinadas aplicações. 
 
3.3.2 Normas Técnicas 
 
• ABNT ISO 6892 
 
3.3.3 Metodologia do ensaio 
 
A metodologia do ensaio consiste na fixação do corpo de prova pelas 
suas extremidades nas garras de fixação da máquina universal de ensaios. 
São aplicadas cargas crescentes na direção axial e as deformações 
correspondentes são medidas com auxílio de um extensômetro. 
Os corpos de provas são solicitados, geralmente até a ruptura, com o 
proposito de determinar uma ou mais propriedades mecânicas do material. 
 
14 
 
Os dados obtidos com o teste permitem construir as curvas de 
tensão versus deformação que geram muitos dados para caracterização 
quantitativa, qualitativa, controle de qualidade e pesquisas. 
Na demonstração no CDTN foi ensaiado um aço ABNT 1020. Como 
mencionado anteriormente, o aço possui característica dúctil, dessa maneira o 
gráfico tensão x deformação é marcado por um patamar de escoamento e com 
evidente marco da passagem da deformação elástica para a plástica (Figura 
10) denominado limite de escoamento. 
Figura 10- Diagrama tensão x deformação aço dúctil típico 
 
 
 
 
 
Na Figura 11 é apresentado a captura da tela referente aos dados 
coletados e gerados para execução do ensaio de tração. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
15 
 
Figura 11- Tela capturada do ensaio de tração 
 
 
 
 
Através das dimensões iniciais e finais do corpo de prova é possível 
determinar a redução da área da secção transversal ou estricção e o 
alongamento do aço através das seguintes formulações: 
 
 
Redução de área ou estricção (Ra)= 
á𝑟𝑒𝑎 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙−á𝑟𝑒𝑎 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙
á𝑟𝑒𝑎 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙
𝑥 100 
 
 
 
Alongamento= 
𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙−𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙
𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 
𝑥 100 
 
 
Na Tabela 4 é apresentado os valores referentes a estricção e ao 
alongamento que ocorreram no corpo de prova ensaiado. 
 
Tabela 4- Valores estricção e alongamento 
Estricção 67,31% 
Alongamento 39,55% 
 
 
 
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5 CONCLUSÕES 
 
O estudo da fadiga é de extrema importância para mecânica, pois 
através dele é possível determinar qual o melhor material para construção de 
um componente, peça ou produto, estimar a vida útil deste componente, 
verificar seu comportamento quando em utilização. Com esses dados é 
possível, por exemplo, programar manutenções antes de uma falha catastrófica 
que pode levar a perdas de produção e por consequência perdas econômicas. 
Além do fator econômico, o estudo da fadiga é também importante para 
redução de acidentes, pois muitos destes são causados devido a falhas 
geradas pela perda das propriedades do material devido a fadiga.] O 
comportamento dúctil dos materiais pode ser mais amplamente caracterizado 
por ensaios de impacto 
O ensaio de impacto, pela sua facilidade de ensaio e baixo custo de 
confecção dos CPs fez dele um dos primeiros e mais empregados para o 
estudo de fratura frágil nos metais. Pode-se determinar a tendência de um 
material a se comportar de maneira frágil. 
O ensaio de tração é um dos ensaios mecânicos mais importantes para 
determinar as propriedades mecânicas de um material, como a resistência, 
ductilidade, tenacidade e elasticidade. É amplamente utilizado na engenharia e 
na indústria para testar a qualidade dos materiais e garantir sua adequação 
para aplicações específicas. 
O ensaio de tração permite determinar a resistência à tração de um 
material, ou seja, a quantidade máxima de carga que o material pode suportar 
antes de se romper. Além disso, também fornece informações sobre a 
ductilidade do material, que é a capacidade de deformar plástica e 
permanentemente antes da ruptura. Essas informações são essenciais para 
projetar estruturas que devem suportar cargas e tensões específicas. 
A análise executada nos materiais é uma forma de garantir a 
conformidade com normas e padrões, s, verificando se os materiais atendem 
aos requisitos mínimos tecnológicos esperados. 
 
 
 
17 
 
6 REFERÊNCIAS 
 
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Terminology Relating to Fatigue and Fracture Testing. 2000. 
 
BANATINE, J.A, Ph.D., COMER, J.J. Ph.D & HANDROCK, J.L. Ph.D. 
Fundamentals Of Metal Fatigue Analysis. Pratice Hall. Englewood Cliffs, New 
Jersey 07632. 1990. 
 
BUDYNAS, Richard G.; NISBETT, J. Keith. Elementos de máquinas de 
Shigley: 
projeto de engenharia mecânica. Tradução de João Batista de Aguiar, José 
Manoel de 
Aguiar. 8. ed. rev. Porto Alegre: AMGH, 2011. 1084 p., il. ISBN 
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CAZAUD, R. Fadiga de los Metales. Aguilar, Madrid. 1957. 
MACHADO. F.A. Influência do Grau de Deformação e do Tratamento Térmico 
de bake hardening na Propagação de Trinca Por Fadiga em Dois Aços 
Bifásicos Usados em Rodas Automobilísticas. 2005. 129 f. Dissertação 
(Mestrado em Engenahria de Materiais) – Universidade Federal do Ouro Preto. 
Ouro Preto, 2005 
 
TAKAHASH. B.X. Metodologia Moderna para Análise de Fadiga Baseada em 
Elementos Finitos de Componentes Sujeitos a Fadiga Uni e Multiaxial. 2014. 
374 f. Tese (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Escola Politécnica da 
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Túlio César Nogueira; Vitor Pereira Alves; Geraldo Lúcio de Godefroid; Geraldo 
Lúcio de Faria; Paulo José Modenesi. INFLUÊNCIA DO APORTE TÉRMICO 
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In: 69° Congresso Anual da ABM - Internacional, São Paulo - Brasil, 2014. 
 
TURATTI. E. Avaliação do comportamento do Aço SAE 4140 submetido a 
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Centro Universitário Univates. Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas. 
Curso de engenharia mecânica. 2017.