Ciência dos Materiais UFC Aula 8 = Falha Machado, A.daS (1)

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Prof. André da S. Machado
Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
Centro de Tecnologia
Universidade Federal do Ceará
DEMT-UFC - 2018 
Ciência dos Materiais
Aula 8 - Falha
Ciência dos Materiais Prof. André da S. Machado 1
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Ciêencia dos Materiais Prof. André da S. Machado - 2DEMET-UFC - 2018 
● Sumário
■ Introdução
■ Fratura
■ Fadiga
■ Fluência
■ Exercícios
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Falha
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Falha
■ Introdução
• Falha de materiais de engenharia → evento indesejável 
← Vidas humanas
← Perdas econômicas
← Interferência na disponibilidade de produtos e serviços
• Causas de falhas e comportamento dos materiais podem ser conhecidos 
× é difícil garantir a prevenção de falhas
• Causas comuns:
─ Seleção e processamento inadequado de materiais
─ Projeto inadequado
─ Má utilização de um componente
─ Danos durante o serviço
• Inspeção regular e reparo ou substituição são críticos → projeto seguro
• Eng° → antecipar, planejar levando em consideração possíveis falhas
← na ocorrência de falhas, avaliar causas, tomar medidas preventivas
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Falha ─ Fratura
■ Fundamentos da Fratura
 Fratura simples → separação de um corpo em duas ou mais partes em 
resposta 
→ à imposição de uma tensão estática e em Tbaixas em relação a Tf do material.
→ fadiga (tensões cíclicas)
→ fluência: deformação que ~ com t e que ocorre normalmente sobre ↑T
 Qualquer processo de fratura envolve duas etapas em resposta a aplicação de 
uma tensão:
→ formação de trincas;
→ propagação de trincas.
 A fratura, em resposta à uma carga de traçãoa e em T relativamente baixas, 
pode ocorrer de modo dúctil e frágilb,c.
a: Cargas de tração uniaxiais; b: Metais dúcteis exibem tipicamente uma deformação plástica substancial com grande 
absorção de energia antes da fratura. Metais frágeis apresentam pouca ou nenhuma deformação plástica e baixa absorção 
de energia; c: Ductilidade é uma função da T do material, da taxa de deformação e do estado de tensão. Este parâmetro 
pode ser quantificado em termos do alongamento percentual (AL%) e da redução percentual na área (%RA). 
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Falha ─ Fratura
 O tipo de fratura é altamente dependente do tipo de mecanismos de propagação de 
trincas.
 Fratura dúctil: as trincas nos materiais dúcteis são ditas estáveis → resistem ao 
crescimento sem um aumento na tensão aplicada. 
 Fratura frágil: nos materiais frágeis, as trincas são instáveis → a propagação de 
trinca, uma vez iniciada, continuará espontaneamente sem aumento no nível de 
tensão.
 A fratura dúctil é normalmente preferida, pois
→ Podem ser tomadas medidas preventivas ← evidências de deformação 
plástica indicam que a fratura é iminente;
→ É necessário mais energia para induzir fratura dúctila do que fratura frágil.
a: materiais dúcteis são geralmente mais tenazes. Sob aplicação de uma tensão de tração aplicada, muitas ligas metálicas 
são dúcteis, materiais cerâmicos são tipicamente frágeis, e os polímeros podem exibir uma gama de comportamentos; b: 
tenacidade à fratura é uma propriedade indicativa da resistência de um material à fratura quando uma trinca (ou outro 
defeito concentrador de tensões) está presente.
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Falha ─ Fundamentos da Fratura
■ Fratura Dúctil
 Para metais dúcteis, dois perfis de fratura de tração são possíveis: 
→ Um empescoçamento até uma fratura pontual quando a ductilidade é alta (a) 
• Au e Pb puros a TA, outros metais, polímeros e vidros inorgânicos a ↑T (a)
→ Empescoçamento moderado, com perfil de fratura de copo e cone (b) quando 
o material é menos dúctil.
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Falha ─ Fratura
Figura 8.1 
(a) Fratura altamente dúctil na qual a 
amostra se prende em um ponto.
(b) Fratura moderadamente dúctil 
após alguma contração (comum). 
(c) Fratura frágil sem deformação 
plástica.
 Processo da fratura em múltiplos estágios
a: coalescência: termo originário no vocábulo latino coalescens, é a propriedade de as coisas se fundirem ou unirem.
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Falha ─ Fratura Dúctil
Figura 8.2. Estágios de uma fratura 
tipo taça e cone. 
(a) Empescoçamento inicial. 
(b) Formação de pequenas cavidades. 
(c) Coalescênciaa de cavidades para 
formar uma trinca (elíptica). 
(d) Propagação rápida da trinca.
(e) Fratura final do cisalhamento em 
um ângulo de 45° em relação à 
direção de tração
 Fratura taça e cone x Fratura frágil
Figura 8.3
(a) Fratura do tipo taça e cone num corpo de alumínio.
(b) Fratura frágil em um aço doce.
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Falha ─ Fratura Dúctil
 Estudos fractográficos - MEV
Figura 8.4
(a) Fractografia eletrônica de varredura mostrando microcavidades esféricas características de fratura 
dúctil resultante de cargas de tração uniaxial (M = 3300X). 
(b) Fractografia eletrônica de varredura mostrando microcavidades com formato parabólico característicos 
de fratura dúctil resultante de uma carga cisalhante (M = 5000X).
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Falha ─ Fratura Dúctil
■ Fratura Frágil
 Ocorre sem deformação apreciável e por meio de uma rápida propagação de 
uma trinca.
 A superfície da fratura é relativamente plana e perpendicular à direção da 
tensão de tração aplicada (Fig. c).
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Falha ─ Fratura
Figura 8.1(c) Fratura frágil sem deformação 
plástica.
 Superfícies de fratura de materiais que falharam de maneira frágil terão seus 
próprios padrões característicos. 
→ Quaisquer sinais de deformação plástica bruta estarão ausentes. 
→ Padrões suficientemente grosseiros para serem discernidos a olho nu. 
→ Para metais muito duros e de grãos finos, não haverá padrão de fratura 
discernível. 
→ Fratura frágil em materiais amorfos, como vidros cerâmicos produz superfície 
relativamente brilhante e lisa.
Figura 8.5
(a) Fotografia mostrando “marcas de sargento” em “V”, características de fratura frágil em certas peças de 
aço. Setas indicam a origem da trinca (M = 1X).
(b) Fotografia de uma superfície de fratura frágil mostrando linhas ou nervuras radiais em formato de leque. A 
seta indica origem da trinca (M = 2X).
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Falha ─ Fratura Frágil
 Para a maioria dos materiais cristalinos frágeis, a propagação de trincas 
corresponde à ruptura sucessiva e repetida de ligações atômicas ao longo de planos 
cristalográficos específicos → clivagem (Fig. 6a) 
→ Fratura transgranular (ou transcristalino) ─ através dos grãos
→ Textura granulada ou facetada ← planos de clivagem de cada grão
→ Macroscopicamente, a superfície da fratura pode ter uma textura granulosa ou 
facetada (aço doce), como resultado de mudanças na
orientação dos planos de clivagem de 
grão para grão (Fig. 6b).
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Falha ─ Fratura Frágil
Figura 8.6
(a) Perfil esquemático de uma 
seção transversal mostrando 
a propagação de uma trinca 
através do interior dos grãos 
em uma fratura transgranular
(b) Fractografia electrônica de 
varredura de um ferro 
fundido dúctil mostrando 
uma superfície de fratura 
transgranular (M=?)
 Em algumas ligas a fratura ocorre ao longo dos contornos de grão
→ Fratura intergranular
→ Resulta após processos que reduzem a resistência ou fragilizam as regiões de 
contornos de grão.
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Falha ─ Fratura Frágil
Figura 8.7
(a) Perfil esquemático de uma 
seção transversal 
mostrando a propagação 
de uma trinca ao longo dos 
contornos de grãos em 
uma fratura intergranular
(b) Fractografia electrônica de 
varredura mostrando uma 
superfície de fratura 
intergranular (M=50X)
■ Princípios da Mecânica da Fratura
 Concentração de Tensões
 Tenacidade a Fratura
 Projetos Utilizando a mecânica da Fratura
■ Ensaios de Tenacidade a Fratura
 Técnicas de Ensaio por Impacto
 Transição Dúctil-Frágil
 Projetos Utilizando a mecânica da Fratura
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Falha ─ Fratura
■ FADIGA
• Falha que ocorre em estruturas submetidas a tensões dinâmicas e variáveis.
e.g. pontes, aeronaves, componentes de máquinas
→ A falha pode ocorrer a σ < LRT ou σl (l. escoamento) para uma carga estática
• n. → falha após um longo período sob σ repetitivas ou ciclos de deformação. 
• Importância → maior causa individual de falha em metais, ~ 90%
• Ocorre também em polímeros e cerâmicas (exceto vidros). 
• A fadiga é catastrófica e traiçoeira → repentina e sem aviso prévio.
• A falha de natureza frágil, mesmo em metais normalmente dúcteis 
← muito pouca, se alguma, deformação plástica generalizada associada à falha. 
• O processo ocorre pela iniciação e propagação de trincas
• A superfície da fratura é perpendicular à direção σ tração aplicada
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Falha ─ Fadiga
♦ Tensões Cíclicas
• A tensão aplicada pode ser:
─ Axial (tensão-compressão)
─ Flexão (dobramento)
─ Torção
• É possível haver três modos diferentes de tensão variável × tempo. 
─ Senoidal simétrica → A = simétricas, σm = 0 → Ciclo de tensões alternadas
─ Senoidal assimétrica → A = assimétrica, σm  0 → Ciclo de tensões repetidas
─ Aleatória → A e f = variáveis, σm ~ → Ciclo de tensões repetidas
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Falha ─ Fadiga
♦ Tensões Cíclicas ─ Figura 8.17
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Falha ─ Fadiga
• σm para um carregamento cíclico –
dependência em relação aos níveis de σmax e σmín
• Cálculo do intervalo de σ para um 
carregamento cíclico
• Cálculo da amplitude da tensão para um 
carregamento cíclico
• Cálculo da razão de tensões
(R = ─ 1 → ciclo de tensões alternadas
♦ A Curva S-N ─ Ensaio
• Propriedades de fadiga dos materiais ← testes de simulação de laboratório
• Aparato de teste deve simular as condições de tensão em serviço
→ nível de tensão, frequência temporal, padrão de tensões, etc.
• Teste típico em laboratório emprega um eixo com rotação e flexão
→ Ensaios giratórios com dobramento: R = ─ 1, (+) tração, (─) compressão
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Falha ─ Fadiga
cp barra cilíndrica:
�
�
=
16��
��0
�
N = fator de segurança
♦ A Curva S-N ─ Tipos
• Inicial σmáx 2/3 LRT (estático) 
→ ciclos até a falha
→ σ progressivamente menores
• σmáx ou σa - S × N - nº de ciclos
• Limite de resistência à fadiga 
─ Limite de durabilidade 
─ Muitos aços → 35 ─ 60 % do LRT
• Resistência à fadiga
→ Maioria das ligas ñ-ferrosas
• Vida em fadiga
→ Maioria das ligas ñ-ferrosas
• 2 domínios: 
─ σ↑ → deformação elástica + plástica
→ fadiga de baixo ciclo 104 a 105 ciclos
─ σ↓ → deformação elástica
→ fadiga de alto ciclo > 104 a 105 ciclos
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Falha ─ Fadiga
♦ A Curva S-N ─ Resultados
• Figura 8.20 Log S─N
─ Ligas metálicas 
─ Testes de flexão rotativa (R = ─1)
─ Ti, Mg e aço, e Fofo → *LRFa
─ Latão e ligas de alumínio → ñ LRFa
• Dispersão de resultados
→ Incertezas de projeto (#VFa e LRFa))) 
← dependência da fadiga a parâmetros
de ensaio e do material:
─ corpos de provas – superfície
─ ~ metalúrgicas, 
─ alinhamento do cp no equipamento
─ σm e f dos destes
• Curvas S─N → melhor ajuste (estatístico)
#VFa – vida em fadiga 
*LRFa – Limite de resistência à fadiga (resistência à fadiga)
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Falha ─ Fadiga
♦ A Curva S-N ─ Resultados
• Figura 8.21 Log S─N → Valores probabilísticos
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Falha ─ Fadiga
♦ Problema-Exemplo 8.2
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Falha ─ Fadiga
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Falha ─ Fadiga
♦ Problema-Exemplo 8.3
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Falha ─ Fadiga
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Falha ─ Fadiga
■ Iniciação E Propagação De Trincas
■ Fatores que Afetam a Vida em Fadiga
 Tensão Média
 Efeitos de Superfície
■ Efeitos do Ambiente
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Falha ─ Fadiga
■ Fluência
 Materiais empregados ↑T sob tensões mecânicas estáticas → Fluência
→ Rotores de turbinas de motores a jato e geradores a vapor ← tensões 
centrífugas 
→ Linhas de vapor de ↑p
Figura 8.S1
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Falha ─ Fluência
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 Fluência → deformação permanente e dependente do tempo de materiais 
submetidos a uma carga ou tensão constante.
Metais → a fluência é importante para temperaturas superiores a cerca de 0,4Tf
→ Fenômeno indesejável
→ Fator limitante na vida útil de uma peça
→ Presente em todos os materiais
→ Nos metais é importante para T > 0,4Tf
→ Polímeros amorfos, que incluem os termoplásticos e as borrachas, são 
especialmente sensíveis à deformação por fluência.
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Falha ─ Fluência
■ Comportamento Geral em Fluência
 Ensaio típico:
→ Submeter um corpo de provas a uma carga ou tensão constante a Tcte
→ O alongamento é medido e traçado em função do tempo decorrido
→ Ensaios (maioria) do tipo com carga constante ─ Engª
→ Ensaios do tipo com tensão constante ─ compreensão dos mecanismos de 
fluência
 Materiais metálicos → ensaios de fluência sob tração uniaxial
 Materiais frágeis → ensaios de fluência sob compressão uniaxial
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Falha ─ Fluência
 Figura 8.29 Comportamento típico de metais para fluência sob uma carga cte.
• DI – totalmente elástica
• 3 Regiões
• Fluência primária ou transiente → encruamento
• Fluência secundária ou estacionária 
→ cte; maior duração
→ encruamento x recuperação
→ + importante parâmetro (∆ε/∆t)
Taxa de fluência mínima ou estacionária ��̇
→ parâmetro para aplicações de longo prazo
O truptura ou t de vida até a ruptura
→ aplicações com vidas relativamente curtas
→ ensaios de ruptura por fluência
• Fluência terciária 
→ aceleração da taxa e falha
→ ruptura
alterações microestruturais (metalúrgicas) 
grãos, trincas, cavidades, vazios internos
Recuperação: processo pelo qual um material tem a dureza reduzida e retem sua habilidade de sofrer deformação
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Falha ─ Fluência • Comportamento Geral 
■ Efeitos da Tensão e da Temperatura
• T < 0,4 Tf → após def. inicial é const.
• ↑ σ ou ↑T: (1) ε inst. na aplicação da σ; (2) taxa de fluência estacionária ↑; (3) o tempo de 
vida até a ruptura ↓
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Falha ─ Fluência 
Figura 8.30 T e nível de σ
aplicada influenciam as 
característica da fluência
 Apresentação logarítmica – relações lineares (# certas ligas ↑t) 
• Equações empíricas (8.24, 8.25):
Dependência da taxa de deformação em fluência em relação à σ:
onde K1 e n são constantes do material
aLiga S-590 (%p): 20,0 Cr, 19,4 Ni, 19,3 Co, 4,0 W, 4,0 Nb, 3,8 Mo, 1,35 Mn, 0,43 C, e o restante Fe.
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Falha ─ Fluência • Efeitos da σ e T
Figura 8.31 Gráfico da tensão 
(escala log.) versus tempo de vida 
até a ruptura (escala log.) para uma 
liga S-590a em quatro temperaturas.
• Figura 8.32 Gráfico da tensão (escala log.) em função da taxa de fluência 
estacionária (escala log.) para uma liga S-590 em quatro temperaturas.
Dependência da taxa de deformação em fluência em relação à σ (1), σ e T (2) 
onde K2, n e Qf são constantes; Qf é a energia de ativação para o processo de fluência
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Falha ─ Fluência • Efeitos da σ e T
• Exemplo 8.4
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Falha ─ Fluência • Efeitos da σ e T
• Solução:
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Falha ─ Fluência • Efeitos da σ e T
• Solução:
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Falha ─ Fluência • Efeitos da σ e T
■ Mecanismos teóricos × Comportamento de fluência
 Mecanismos teóricos propostos:
→ Difusão de lacunas induzidas pela fusão
→ Difusão nos contornos de grão
→ Movimentos das discordâncias
→ Escorregamento do contorno de grão
 Elucidar fluência:
→ n ↔ mecanismos teóricos
→ correlações Qf ↔ Qd
 Diagramas tensão-temperatura → mapas de mecanismos de deformação 
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Falha ─ Fluência • Efeitos da σ e T
■ Métodos de Extrapolação de Dados
 Obter dados de fluência para uso práticos em Engª cuja obtenção em 
laboratório é impraticável.
→ Exposições prolongadas ~ anos
← Ensaios de fluência (ruptura) sob ↑T, ↓t, ═ σ
← Extrapolação de dados
 Parâmetro de Larson-Miller, m
onde C é uma constante (~20), para T [K] e o tempo de vida até a ruptura tr [h]
← tr irá variar com a T, em um nível de σ específico.
← Gráfico log σ × m
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Falha ─ Fluência 
� = �(� + log ��)
 Parâmetro de Larson-Miller, 
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Falha ─ Fluência • Extrapolação de Dados 
� = �(� + log ��)
Figura 8.33 Gráfico do logaritmo da tensão 
em função do parâmetro de Larson-Miller 
para uma liga S-590.
• Exemplo de Projeto 18.2
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Falha ─ Fluência • Extrapolação de Dados
• Exemplo 2:
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Falha ─ Fluência • Extrapolação de Dados
■ Ligas para Uso em Altas Temperaturas
 Fatores que afetam as características de fluência dos metais:
↑ Tf, E, tamanho de grão → melhor a resistência do material a fluência
• Grão menores permitem maior escorregamento dos contornos de grão 
→ Maiores taxas de fluência (↑T) × Maior resistência e tenacidade (↓T)
 Aços inoxidáveis e as superligas → especialmente resistentes a fluência
↑ Solução solida
↑ Fases precipitadas 
↑ Técnicas de processamento
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Falha ─ Fluência
• Figura 8.34
(a) Palheta de turbina policristalina produzida pela técnica de fundição convencional.
(b) A resistência à fluência a alta temperatura é melhorada em função da estrutura colunar e 
orientada dos grãos produzida por uma técnica sofisticada de solidificação direcional.
(c) A resistência à fluência é acentuada quando são usadas palhetas monocristalinas.
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Falha ─ Fluência • Ligas para Uso em HT
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Falha — Exercícios
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Falha — Exercícios
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Falha — Exercícios
DEMET-UFC - 2018 Ciência dos Materiais Prof. André da S. Machado - 49
Falha — Exercícios
DEMET-UFC - 2018 Ciência dos Materiais Prof. André da S. Machado - 50
Falha — Exercícios
DEMET-UFC - 2018 Ciência dos Materiais Prof. André da S. Machado - 51
Falha — Exercícios
DEMET-UFC - 2018 Ciência dos Materiais Prof. André da S. Machado - 52
Falha — Exercícios
DEMET-UFC - 2018 Ciência dos Materiais Prof. André da S. Machado - 53
Falha — Exercícios
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Falha — Exercícios • Soluções
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Equações
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Equações — Símbolos
Sharpy impact test: https://youtu.be/tpGhqQvftAo
Fatigue test: https://youtu.be/LhUclxBUV_E
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Falha — Multimídia
Carga do elétron: −1,602 × 10����
Joule: 1�� = 6,242 × 10�� ��
Constante (Número) de Avogadro NA: 6,022 × 10
�� �
���
Constante dos gases ideais R: 8,314
�
�����
Constante de Boltzmann k: 1,381 × 10���
�
�����
; 8,620 × 10��
��
�����
Constante de Coulomb K0: 8,987 × 10
� � �
��
���
Massa do elétron em repouso me: 9,109 × 10
��� ��
Massa do nêutron em repouso mn: 1,679 × 10
��� ��
Massa do proton mp: 1,673 × 10
��� ��
Permitividade do vácuo E0: 8,854 × 10
��� �
�
Raio de Bohr a0: 5,292 × 10
��� � 
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Constantes
1. Callister Jr, William D, Rethwisch, David G. Ciência e engenharia 
de materiais, uma introdução – 5ª ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e 
Científicos; 2002. (Livro Texto)
2. Callister Jr, William D, Rethwisch, David G. Ciência e engenharia 
de materiais, uma introdução – 9ª ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e 
Científicos; 2016. 
3. SMITH, William F. Princípios de Ciência e Engenharia dos 
Materiais – 3ª ed. Lisboa: MacGraw-Hill, 1998.
DEMET-UFC - 2017 Ciência dos Materiais Prof. André da S. Machado - 59
Bibliografia