ICTM Aula Cap 08

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Introdução à Ciência e Tecnologia 
dos Materiais
Falhas – Capítulo 8
Cursos de Graduação em Engenharia de 
Produção, Mecânica , Civil e Elétrica
 Internet
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Por que estudar?
 O projeto de uma estrutura ou componente exige que o
engenheiro minimize a possibilidade de ocorrer uma falha.
 Isto exige o conhecimento das diferentes modalidades de falha
(fratura, fadiga e fluência) e dos princípios apropriados de
projeto que podem ser empregados para prevenir estas falhas
durante o serviço.
Uma das hipóteses para a causa do naufrágio do navio Titanic, que 
colidiu com um iceberg durante sua viagem inaugural entre a Europa e 
os Estados Unidos em 1912, seria a fragilidade do seu aço nas águas 
frias do atlântico norte.
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Introdução
 A falha é quase sempre um evento indesejável por diversos
motivos: vidas humanas colocadas em risco, perdas
econômicas e interferência com a disponibilidade de produtos
e serviços.
 Causas usuais: seleção e processamento não apropriados e
projeto inadequado do componente ou sua má utilização.
 É responsabilidade do engenheiro antecipar e planejar,
considerando possíveis falhas e, no caso de uma falha ocorrer,
avaliar a causa e tomar as providências apropriadas contra
futuros incidentes.
Fratura
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Fundamentos da fratura
 Fratura simples: separação de um corpo em duas ou mais
partes em resposta à aplicação de uma tensão de natureza
estática (constante ou que varia lentamente com o tempo) e
em temperaturas baixas em relação à temperatura absoluta
de fusão do material.
 Natureza da tensão aplicada: tração, compressão,
cisalhamento ou torção.
 Classificação da fratura em dúctil ou frágil: baseada na
habilidade de um material se deformar plasticamente.
Fundamentos da fratura
Dúctil
Frágil
Deformação
T
e
n
s
ã
o
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Fundamentos da fratura
Perfis de fratura em tração: (a) Fratura altamente dúctil, onde a amostra tem 
estricção até um único ponto; (b) Fratura moderadamente dúctil após alguma 
estricção e (c) Fratura frágil sem qualquer deformação plástica.
Ex.: Metais 
extremamente 
macios a 
temperatura 
ambiente (Au, Pb)
Situação mais 
comum para 
metais dúcteis
Fundamentos da fratura
 Qualquer processo de fratura envolve duas etapas: formação
e propagação de trincas. OO modomodo dada fraturafratura éé altamentealtamente
dependentedependente dodo mecanismomecanismo dede propagaçãopropagação dada trincatrinca.
 A fratura dúctil é quase sempre preferível por 2 motivos:
1 – A presença de deformação plástica dá um alerta de que a
fratura é iminente, permitindo a tomada de medidas
preventivas;
2 – É necessária mais energia para induzir a fratura dúctil, uma
vez que os materiais dúcteis são, em geral, mais tenazes.
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Comportamento Geral
Os polímeros, por sua vez, podem exibir ambos os tipos de fratura.
Material Metálico
(comportamento 
dúctil)
Material Cerâmico
(comportamento 
frágil)
Fratura dúctil
 É caracterizada por uma extensa deformação plástica na
vizinhança de uma trinca que está avançando.
 Trincas estáveis: resistem ao crescimento adicional, a menos
que exista aumento na tensão aplicada.
 O processo prossegue de maneira lenta, a medida que o
comprimento da trinca aumenta.
 Normalmente, a superfície da fratura revela uma deformação
generalizada apreciável.
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Fratura dúctil
 Em geral, o processo de fratura
ocorre em vários estágios:
(a) Empescoçamento;
(b) Surgimento de pequenas
cavidades no interior da seção
transversal;
(c) Coalescimento dos vazios com
continuação da deformação,
formando uma trinca elíptica;
(d) Propagação da trinca na direção
paralela ao seu eixo principal
(pelo coalescimento de
microvazios);
(e) A fratura ocorre pela rápida
propagação da trinca ao redor do
pescoço, por cisalhamento.
Fratura dúctil
Início da fratura na região central do corpo de prova.
Fonte: Prof. Marcos Pereira
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Formação e 
coalescimento de 
microcavidades durante 
a deformação.
Fonte: Prof. Marcos Pereira
Fratura dúctil
 Fratura dúctil = fratura taça e cone
 A região central interior da superfície possui aparência irregular e fibrosa.
Microfratografias de 
corpos de prova de 
aço AISI 321 obtidas 
após ensaios de 
corrosão sob tensão.
Fonte:SCHVARTZMAN, M.M.A.M.; MATIAS, Adalberto and CRUZ, J.R.B.. Avaliação da corrosão sob tensão em aço 
inoxidável AISI 321 em ambiente de reator nuclear. Matéria (Rio J.) [online]. 2010, vol.15, n.1, pp. 40-49. ISSN 1517-7076.
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Fratura frágil
 Ocorre sem qualquer deformação apreciável.
 As trincas se propagam de maneira extremamente rápida,
acompanhadas por pouquíssima ou nenhuma deformação plástica,
gerando situações catastróficas.
 Trincas instáveis: Uma vez iniciada, a propagação da trinca irá
continuar espontaneamente sem o aumento da tensão aplicada.
 A direção do movimento da trinca é aproximadamente perpendicular
à direção da tensão aplicada e produz uma superfície relativamente
plana.
Fratura frágil
 Aparência da fratura: granular e brilhosa.
Ensaio de tração: fratura frágil.
Fonte: Laboratórios TORK.
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Transição dúctil-frágil
 A temperatura influencia muito a resistência de alguns materiais,
fazendo com que materiais normalmente dúcteis fraturem de
maneira frágil.
 Ensaio de impacto: uma de suas principais funções é determinar se
um material apresenta ou não uma transição dúctil frágil. Utiliza
condições para representar situações severas em relação à
possibilidade de ocorrer a fratura:
1 – Baixa temperatura de deformação;
2 – Taxa de deformação elevada;
3 – Estado triaxial de tensão (introduzido pela presença do entalhe).
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Corpo de 
prova
Martelo
Posição Inicial
Escala
Final do 
balanço
Bigorna
Ponteiro
(a) Corpo de prova utilizado nos ensaios 
de impacto. (b) Desenho esquemático de 
um equipamento utilizado para ensaios 
de impacto.
O martelo é liberado de 
uma altura (h) e atinge 
o corpo de prova. A 
energia consumida na 
fratura é refletida na 
diferença entre h e a 
altura do balanço (h’).
Transição dúctil-frágil
A transição dúctil-
frágil está relacionada 
à dependência da 
absorção de energia de 
impacto medida em 
relação à temperatura.
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Transição dúctil-frágil
 Para muitas ligas existe uma faixa de temperaturas ao longo da
qual ocorre esta transição. Isto dificulta a determinação de uma
temperatura única de transição.
 Talvez a temperatura de transição mais conservadora seja
aquela para a qual a superfície de fratura se torna 100% fibrosa.
 As estruturas construídas a partir de ligas que exibem este
comportamento devem ser usadas somente em temperaturas
acima da temperatura de transição, a fim de evitar falhas frágeis
e catastróficas.
Transição dúctil-frágil
Metais de baixa resistência (CFC e HC)
Aços de baixa resistência (CCC)
E
n
e
rg
ia
 d
e
 I
m
p
a
c
to
Temperatura
Materiais de alta resistência
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Ruptura de uma ponte metálica no Canadá, ocorrida em 1951. A 
estrutura rompeu de forma frágil numa noite de inverno (-30ºC), 
num momento em que a ponte não estava sequer submetida a 
uma grande solicitação.
Transição dúctil-frágil 
Transição dúctil-frágil
Um navio-tanque que fraturou de maneira frágil pela 
propagação de uma trinca ao redor do seu casco.
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 “No dia 28 de janeiro de 1986, durante sua fase de
decolagem, a nave explodiu e matou sete tripulantes, em
apenas 73 segundos após seu lançamento. A desintegração
começou quando um equipamento do lado direito do foguete
falhou em pleno ar. O defeito permitiu que o gás quente de
dentro do motor alcançasse a parte externa e invadisse um
anexo de ferragens e do tanque de combustível externo. Isso
levou à separação do anexo do lado direito e a uma falha
estrutural no tanque externo. Rapidamente, forças
aerodinâmicas destruíram a nave.”
http://revistagalileu.globo.com/Sociedade/noticia/2014/01/encontradas-fotos-ineditas-do-acidente-do-onibus-espacial-challenger.htmlÔnibus espacial Challenger
Fadiga
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Fadiga
 É uma forma de falha que ocorre em estruturas sujeitas à tensões
dinâmicas e oscilantes (tensões cíclicas), após um tempo considerável de
serviço. Ex: pontes, aeronaves, bombas, hélices, navios e componentes
de máquinas.
 A falha por fadiga ocorre para um nível de tensão substancialmente
inferior ao LRT ou limite de escoamento para uma carga estática.
 A fadiga representa 90% de todas as falhas dos metais. Polímeros e
cerâmicos (com exceção dos vidros) também estão sujeitos a este tipo de
falha.
 Falha catastrófica e traiçoeira: Mesmo nos metais normalmente
dúcteis, a falha por fadiga é de natureza frágil, ou seja, existe pouca ou
nenhuma deformação plástica generalizada antes da falha.
Acidente ocorrido na Áustria em 1875 e provocado por fadiga nas rodas da 
locomotiva. (Fonte: Prof. Marcos Pereira)
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Fadiga em Fuselagem: após 89.000 ciclos de decolagem/pouso: 
pressurização/despressurização
Fadiga: tipos de tensões cíclicas
CICLO DE TENSÕES ALTERNADAS
CICLO DE TENSÕES REPETIDAS
VARIAÇÃO ALEATÓRIA
Tensão média:
Amplitude da tensão:
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Fadiga: tipos de tensões cíclicas
Exemplo de caso onde a tensão varia aleatoriamente com o 
tempo: asas de um avião.
O ensaio de fadiga
 Objetivo: É utilizado para determinar limites de tensão e tempo
de uso de componentes ou peças.
 Aplicações: é extensamente utilizado na indústria
automobilística e, em particular, na indústria aeronáutica,
existindo desde ensaios em pequenos componentes até
estruturas completas, como asas.
 Método da tensão constante: consiste em submeter o corpo de
prova padronizado a um ciclo de tensões, com tensão máxima
relativamente grande (≈2/3 do LRT estático ou ¾ da σesc),
contando-se o número de ciclos até a falha. O mesmo é feito com
outros corpos de prova, empregando-se valores de tensão
máxima progressivamente menores, até níveis em que não
ocorra mais a fratura para ciclos acima do especificado.
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O ensaio de fadiga
 Tensão pode ser de qualquer natureza: tração-compressão,
torção (carga rotativa), flexão (dobramento).
 Resultado: curva σ x N, onde os dados de tensão (σa, σmáx ou
σmín) são plotados em função do logaritmo do número de ciclos
(N) até a falha, para cada um dos corpos de prova de um
mesmo material (com condições idênticas de tratamento
térmico, acabamento superficial e dimensional).
O ensaio de fadiga
Corpos de prova rompidos após os ensaios de fadiga.
Fonte: Bruno Allison Araújo, Antonio Almeida Silva, Marconi Andrade Farias. 
ANÁLISE DE RESULTADOS EXPERIMENTAIS DE ENSAIOS EM CORPOS DE PROVA DE FADIGA EM 
MATERIAIS PARA DUTOS API 5L X60. 4º PDPETRO, Campinas, SP. 21-24 de Outubro de 2007.
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A curva σ-N
 Dois tipos de 
comportamento possíveis;
 ↑tensão ↓número de ciclos 
suportado antes da falha;
Ciclos até a falha (N)
Limite de resistência 
à fadiga
A
m
p
li
tu
d
e
 d
a
 
te
n
s
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o
 (
σ
)
A
m
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tu
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 d
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te
n
s
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o
 (
σ
)
Ciclos até a falha (N)
σ1
Resistência à fadiga 
em N1 ciclos
Vida em fadiga 
para a tensão σ1
1
2
A curva σ-N: Comportamento 1
 Limite de resistência à fadiga: nível de tensão limite abaixo
do qual a falha por fadiga não irá ocorrer.
 Materiais que exibem este comportamento: algumas ligas
ferrosas e ligas de titânio.
 Para muitos aços, o limite de resistência à fadiga varia entre
35% e 60% do LRT.
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A curva σ-N: Comportamento 2
 A curva não exibe limite de resistência a fadiga, ou seja, a
curva continua sua tendência decrescente para maiores
valores de N.
 Maioria das ligas não ferrosas exibe este comportamento: ligas
de alumínio, cobre e magnésio, por exemplo.
 Resistência à fadiga: nível de tensão no qual a falha irá
ocorrer para algum número de ciclos específico.
 Vida em fadiga: número de ciclos necessário para causar a
falha sob um nível de tensão específico.
Iniciação e propagação de trincas
 O processo de falha por fadiga é caracterizado por três etapas distintas:
1 – Iniciação da trinca: ocorre em algum ponto de baixa resistência local
ou de alta concentração de tensão, quase sempre na superfície do
componente. Exemplos: cantos vivos, riscos e trincas superficiais,
degraus de escorregamento, fios de rosca, defeitos (inclusões, contornos
de grão, porosidade acentuada, pontos de corrosão), etc.
2 – Propagação da trinca (fenômeno lento): a trinca avança conforme o
número de ciclos aumenta, como consequência de uma deformação
plástica localizada, resultante da concentração de tensão.
3 – Falha catastrófica (fenômeno rápido): ocorre rapidamente após a
trinca ter atingido um tamanho crítico.
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Iniciação e propagação de trincas
Iniciação e propagação de trincas
Aspecto macroscópico da falha por fadiga.
Região de 
propagação 
estável 
(lenta) da 
trinca
Região de 
falha rápida 
(propagação 
instável da 
trinca)
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Fatores que alteram a vida em fadiga
1 - Tensão média
O aumento do nível médio 
de tensão diminui a vida 
em fadiga.
Fatores que alteram a vida em fadiga
2 - Efeitos da superfície
Em muitas situações comuns de aplicação de carga, a
maioria das trincas que levam à falha por fadiga tem origem
na superfície, que é, em geral, o local do componente ou da
estrutura submetido à tensão máxima.
Sendo assim, a vida em fadiga é sensível às condições e
configurações da superfície do componente.
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Fatores que alteram a vida em fadiga
2 - Efeitos da superfície
Podemos dividir os fatores que afetam a superfície de um
corpo de prova em três categorias:
 Rugosidade da superfície
 Variações na resistência à fadiga na superfície (tratamentos
superficiais)
 Variações na tensão residual na superfície
Fatores que alteram a vida em fadiga
a) Variáveis de projeto: o projeto deve evitar (quando possível)
descontinuidades geométricas (riscos, furos, sulcos, fios de
rosca) ou introduzir modificações para eliminar mudanças
bruscas no contorno (cantos vivos), onde a concentração de
tensão é severa.
Adoçamento
Demonstração de como o projeto pode reduzir a concentração de tensão. (a) Projeto 
ruim: canto vivo. (b) Projeto bom: o tempo de vida em fadiga é melhorado pelo 
adoçamento. 
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Fatores que alteram a vida em fadiga
b) Tratamentos de superfície
Polimento: melhora o acabamento da peça, eliminando pequenos riscos
e sulcos resultantes da usinagem. Aumenta significativamente a vida em
fadiga. Superfícies mal acabadas funcionam como microentalhes.
Endurecimento superficial: aumenta a dureza superficial e a vida em
fadiga das ligas de aço, através de tratamentos termoquímicos. Ex:
carbonetação ou nitretação: aumentam a dureza superficial e induzem
tensões compressivas na superfície.
Fatores que alteram a vida em fadiga
Imposição de tensões residuais compressivas
em uma fina camada da superfície externa, por
meio de deformação plástica localizada, a fim de
compensar parcialmente as tensões trativas de
origem externa e evitar a formação de trincas.
Ex: Jateamento (shot peening). Utiliza projéteis
duros com diâmetro entre 0,1 e 1 mm com alta
velocidade contra a superfície a ser tratada. Induz
tensão compressiva a uma profundidade entre ¼-
½ do diâmetro do projétil.
Aço jateado
Aço normal
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Fatores que alteram a vida em fadiga
c) Fadiga térmica: induzida por temperaturas elevadas, pela
flutuação das tensões térmicas. Estas tensões são originadas
pelas impossibilidades de expansão ou contração dos
componentes estruturais, em função da variação da
temperatura.Tensões mecânicas externas não precisam estar
necessariamente atuando.
Magnitude da tensão resultante de uma mudança de T: σ= E.α.∆T
d) Fadiga associada à corrosão: ruptura que ocorre pela ação
simultânea de tensões mecânicas cíclicas e ataque químico.
Fluência
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Fluência
 É definida como a deformação plástica (permanente) e
dependente do tempo e da temperatura dos materiais quando
eles são submetidos a cargas estáticas.
 É indesejável e diminui o tempo de vida útil de uma peça. Todos os tipos de materiais estão sujeitos a este tipo de falha.
Para os metais, a fluência se torna importante apenas para
temperaturas acima de 0,4 Tf (temperatura absoluta de
fusão).
O ensaio de fluência
 Consiste em submeter o corpo de prova a uma carga constante (tensão
estática), mantendo também uma temperatura constante. O objetivo é
avaliar o comportamento sob essas condições.
 Para os materiais metálicos é aplicada uma carga de tração uniaxial
constante ao longo do tempo. O corpo de prova possui as mesmas
dimensões daquele utilizado no ensaio de tração.
 Para materiais frágeis, os ensaios de compressão uniaxiais oferecem
melhores resultados. Nesse caso, os corpos de prova consistem em
cilindros ou paralelepípedos, com razões diâmetro-comprimento entre 2
e 4, aproximadamente.
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O ensaio de fluência
 Aplicações: materiais empregados em instalações de
refinarias petroquímicas, usinas nucleares, indústria
aeroespacial, tubulações, turbinas, etc.
 O ensaio de fluência não constitui um ensaio de rotina, devido
ao grande tempo necessário para a sua realização. Por esse
motivo, foram desenvolvidas técnicas de extrapolação dos
resultados para longos períodos e ensaios alternativos em
condições severas.
O ensaio de fluência
O tempo de aplicação da carga é principalmente em função da esperada vida útil 
do componente que será fabricado com o material ensaiado.
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Comportamento geral da fluência
 Resultado do ensaio: Curva εxt
Comportamento típico da fluência 
sob carga constante em metais.
1- Fluência primária: a taxa de
fluência decresce continuamente com
o tempo (inclinação diminui), devido ao
encruamento.
2- Fluência secundária (fluência em
regime estacionário): taxa de fluência
constante, devido ao equilíbrio entre os
fenômenos de encruamento e
recuperação.
3- Fluência terciária: aceleração na
taxa de fluência. A ruptura ocorre
como resultado de alterações
microestruturais (separação de
contorno de grão, formação de trincas
e vazios no material). Essencialmente elástica
∆ε/∆t = Taxa mínima de 
fluência
Comportamento geral da fluência
 Principais etapas do processo de fratura a temperaturas
elevadas: formação de microcavidades nos contornos de grão
(principalmente em pontos triplos), aumento das microcavidades e
formação de microtrincas, coalescimento das microtrincas e a
consequente formação de uma macrotrinca.
Micrografias por MEV de uma tubulação de vapor superaquecido que sofreu fluência. 
(ABNT/SAE 1018) 
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Classificação dos ensaios de fluência
 Ensaio de fluência (convencional): utiliza de artifícios para estimar
a vida útil do material. Adequado no projeto de componentes para
aplicações de longa duração (várias décadas). O parâmetro
predominante é a taxa mínima de fluência. Ex.: peças para reatores
nucleares.
 Ensaio de ruptura por fluência: segue até a ruptura do corpo de
prova. Aplicado em situações onde os componentes tem vida
relativamente mais curta. O parâmetro predominante é o tempo de
ruptura. Ex.: lâminas de turbinas para motores a jato.
Influência da tensão e da temperatura
 ↑tensão ou ↑temperatura:
- ↑deformação instantânea;
- ↑ taxa de fluência em 
regime estacionário;
- ↓tempo de vida até a 
ruptura.
D
e
fo
rm
a
ç
ã
o
 p
o
r 
fl
u
ê
n
c
ia
Tempo
 Abaixo de 0,4Tf: após a deformação inicial, a deformação é
independente do tempo.
Influência da tensão (σ) e da temperatura (T) sobre o 
comportamento da fluência.
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Fatores que alteram a vida em fluência
 Temperatura de fusão: em geral, quanto maior a
temperatura de fusão, maior o módulo de elasticidade e
melhor resistência à fluência.
 Tamanho do grão: grãos menores permitem maior
escorregamento dos contornos, o que resulta em maiores
taxas de fluência. Desta forma, quanto maior o tamanho do
grão melhor será a resistência à fluência.
Fatores que alteram a vida em fluência
Influência do tamanho 
de grão cristalino na 
fluência de uma liga 
Zn-22%Al (%massa). 
Temperatura do 
ensaio: 220ºC.
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Referências
 Callister Jr, W.D. (2008) Ciência e Engenharia de Materiais: Uma
Introdução. 7a ed. Rio de Janeiro. LTC Editora. 705 p.
 Van Vlack, Lawrence H. Princípios de ciência dos materiais.
Tradução de Luiz Paulo Camargo Ferrão. São Paulo: Edgard Blücher,
2004. 427p.
 Askeland, D. R.; Fulay, P. P.; Wright, W. J. (2011) The science and
engineering of materials. 6ª ed. USA: Cengage Learning. 949 p.