Lista 5 - Larissa Jonaly Rodrigues

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS 
Materiais para a Indústria Química 
Professor Dr. Dereck Nills Ferreira Muche 
Aluna: Larissa Jonaly Rodrigues 
 RA: 754239 
 
 
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Lista de exercícios 5 – Propriedades mecânicas 
 
1) Considere o diagrama de fases abaixo. 
 
a. Quais os componentes do sistema acima? 
 O sistema é composto por chumbo (Pb) e estanho (Sn). 
b. Quais são as fases presentes? Indique no gráfico suas posições. 
 Através da imagem abaixo, podemos verificar que existem quatro fases presente: fase I: 
Pb, fase II: L, fase III: βSn, e fase IV: αSn. 
 
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c. Qual é a temperatura e a composição eutética da liga Pb-Sn? 
Pela imagem podemos ver que a temperatura eutética da liga Pb-Sn é de 183°C. Também 
pela imagem, podemos ver que a composição eutética é de 61,9%. É importante ressaltar 
que o ponto eutético ocorre o encontro das três fases. 
 
d. Determine as fases presentes, a composição das fases e suas quantidades relativas em 
uma liga Pb-50%Sn (em peso) à 100 ºC, 200 ºC e 300ºC. 
 Utilizando a regra do inverso do braço da alavanca, podemos determinar as 
composições mássicas de Pb e Sn da seguinte forma: 
 
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300 °C 
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2) Qual é a solubilidade máxima na temperatura de 700°C? 
 
 
a. do cobre em prata 
 Pelo desenho acima, podemos ver que a 700°C, a solubilidade máxima do cobre em 
prata é de 6%. Isso acontece pois no ponto 2 temos 94% da composição sendo de prata e 
6% sendo de cobre. 
 b. da prata em cobre 
 Pelo desenho acima, podemos ver que a 700°C, a solubilidade máxima do cobre em 
prata é de 5%. Isso acontece pois no ponto 1 temos 5% da composição sendo de prata e 
95% sendo de cobre. 
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3) Para uma liga de chumbo contendo 15% em peso de magnésio: 
 
a. Faça desenhos esquemáticos das microestruturas que seriam observadas após resfriamento 
lento até as seguintes temperaturas: 600°C, 500°C, 270°C e 200°C. 
b. Indique nos esquemas as fases presentes. 
 
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c. A composição aproximada e quanto de cada fase tenho em cada instante nas temperaturas 
200, 500 e 600. 
 Utilizando a regra do inverso do braço da alavanca, podemos determinar as composições 
mássicas dos elementos em cada fase da seguinte forma: 
 
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4) Cites as 4 transformações invariantes (eutéticas) discutidas em aula fornecendo suas 
características. Identifique as 04 reações invariantes no diagrama de fases do sistema Al-Cu 
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abaixo.
 
Para o diagrama acima, podemos visualizar as transformações invariantes: 
 
 
Eutético 
Peritético 
Eutectóide 
Peritetóide 
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 Pela Figura acima, podemos verificar que existem quatro transformações invariantes que 
vão acontecendo no sentido do resfriamento do sistema. 
 Eutética: nessa mudança, uma fase líquida ao sofrer um resfriamento, ou seja, diminuir 
sua temperatura, se transforma em duas fases sólidas. Vale comentar que para o caso de 
aumento de temperatura, teremos o inverso dessa situação. A Figura abaixo representa essa 
situação: 
 
 Eutectóide: nessa mudança, uma fase sólida ao sofrer um resfriamento, ou seja, diminuir 
sua temperatura, se transforma em duas fases sólidas. Vale comentar que para o caso de 
aumento de temperatura, teremos o inverso dessa situação A Figura abaixo representa essa 
situação. 
 
 Peritético: nessa mudança, duas fases (uma sólida e uma líquida), ao sofrerem um 
resfriamento, ou seja, diminuir sua temperatura, se transforma em uma fase sólida. Vale 
comentar que para o caso de aumento de temperatura, teremos o inverso dessa situação A 
Figura abaixo representa essa situação. 
 
 Peritetóide: nessa mudança, duas fases (duas sólidas), ao sofrerem um resfriamento, ou 
seja, diminuir sua temperatura, se transforma em apenas uma fase sólida. Vale comentar que 
para o caso de aumento de temperatura, teremos o inverso dessa situação A Figura abaixo 
representa essa situação. 
 
 
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5) O que são aços? Quais são as diferenças de aços carbono, aços ligados e aços inoxidáveis. 
 Os aços é uma liga metálica composta por aproximadamente 98,5% de Fe (ferro), 0,5 a 
1,7% de C (carbono) e traços de Si (silício), S (enxofre) e P (fósforo), note que esses possuem até 
2% de carbono. Aqui vale ressaltar que essa variação gera uma grande variedade de propriedades. 
As fases de equilíbrio do aço são: ferrita (solução sólida instersticial de C no ferro com estrutura 
CCC), austenita (solução sólida instersticial de C no ferro com estrutura CFC) e cementita 
(carboneto de Fe3C com estrutura ortorrômbica, é a mais dura das três). Entre as diferenças dos 
tipos de aços, temos que os aços carbono tem como principal componente o carbono com baixo 
teor de outros elementos) são baratos e mais fabricados. Os aços de liga variam de acordo com os 
elementos e suas quantidades na liga que geralmente são menos que 10%, por exemplo, os aços 
Hadfield (C-Mn), aços Maraging (Fe-Ni, Co-Mo). Os aços inoxidáveis são resistentes a corrosão 
devido à presença do cromo que permite a formação de uma película fina que protege. 
 Sendo assim, aço carbono e o aço inox tem origem em uma liga de ferro e carbono, sendo 
que as suas principais diferenças estão relacionadas a composição, mais especificamente pelo teor 
de carbono e também pela presença do cromo. Ambos possuem excelentes características e são 
largamente utilizados pela indústria. Em alguns casos a opção pelo aço inoxidável é mais 
interessante devido a sua capacidade anticorrosiva e excelente acabamento. Porém em outros 
casos, onde estas características não são tão relevantes a opção se dá pelo aço carbono, devido ao 
seu menor valor de custo. Quando na opção pelo aço carbono, é possível prolongar a sua vida útil 
e contribuir para uma maior resistência a corrosão através de tratamentos de pintura. Já os aços 
liga contêm, além das ligações entre ferro e carbono, outros elementos em proporções 
significativasque podem alterar as propriedades químicas ou mecânicas do material. Geralmente, 
os outros elementos adicionados à composição do aço são: manganês, níquel, cromo, molibdênio, 
vanádio, tungstênio e silício. Isso vai depender da propriedade que querem que o aço atinja. Esses 
elementos normalmente são utilizados para aumentar a dureza e a resistência mecânica ou química 
do aço ou para conferir-lhe outras propriedades que sejam interessantes para sua aplicação. 
 
 
 
 
 
 
 
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6) Sobre o Diagrama Fe-C: 
a. Esboçe um diagrama Fe-C e nomeando todas as fases. 
 
b. Identifique neste diagrama a composição eutetóide e esboce a microestrutura de um aço 
com esta composição um pouco abaixo e acima desta temperatura. Assuma que houve 
um resfriamento lento. 
 No desenho abaixo a primeira estrutura corresponde a composição no ponto eutetóide 
quando temos a temperatura acima (pouco acima) e o segundo desenho corresponde ao 
ponto eutetóide e quando temos a temperatura abaixo (pouco abaixo). 
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c. Quantas e quais fases possuo na temperatura mais baixa? Qual o nome desta 
microestrutura? Como se deu o crescimento desta fase a partir da de alta temperatura? 
 Para a temperatura mais baixa temos duas fases sendo elas a alfa-ferrita e a Fe3C-
cemetita. Na literatura, podemos ver que essa microestrutura é facilmente encontrada e 
recebe o nome de perlita. Primeiramente é importante mencionar que enquanto ocorre o 
resfriamento da liga não ocorrem mudanças até um determinado ponto: o ponto da 
temperatura eutetóide que nesse diagrama está entre 700-750°C e na literatura é dado em 
727°C. Depois de passar dessa temperatura, a estrutura austenita se transforma em uma 
estrutura de ferrita e cementita, essa estrutura é composta por lamelas ou camadas 
altermadas. 
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d. Esboce a microestrutura de um aço carbono com 0.2 e 1.8% de carbono na condição 
recozida. Nomeie os constituintes. 
 
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7) Descreva três características positivas dos seguintes materiais metálicos e liste uma aplicação 
que usem de uma ou mais destas características explicando o porque estas características 
fazem com que este material seja usado nesta aplicação: 
a. Ligas de Ni: As ligas de níquel são importantes por proporcionar um dos os mais altos 
níveis de resistência à corrosão dos metais. Além disso, são produtos que combinam a 
excelência desta propriedade em diversos meios corrosivos com alta resistência mecânica, 
trabalho em altas temperaturas, tenacidade, e muitas outras propriedades requeridas aos 
metais em aplicações de alto desempenho. Uma aplicação das ligas de níquel é nas indústrias 
químicas para compor os elementos que transporta ácidos e seus derivados em meios 
extremamente corrosivos. Essa liga é usada nessa aplicação porque são possuem um dos 
maiores níveis de resistência a corrosão de metais, além disso, as outras características 
apresentadas também são relacionadas a essa aplicação. 
b. Ligas de Al: as ligas de alumínio se destacam devido algumas características como leveza, 
boa conformabilidade, elevada resistência mecânica e resistência a corrosão o que torna as 
estruturas de alumínio vantajosas em relação às estruturas convencionais de aço em diversas 
situações. Uma aplicação das ligas de alumínio é criar peças mais leves e finas mantendo os 
critérios de segurança devido as características descritas anteriormente. Um exemplo é o que 
está acontecendo na cidade de Curitiba, a qual tem utilizado alguns ônibus elétricos para testes 
da marca chinesa BYD. O diferencial é o uso intensivo de alumínio através de um novo 
sistema implementado pela empresa para a fabricação dos veículos, o que possibilitou uma 
redução de aproximadamente uma tonelada do peso do veículo. A implementação destes 
novos ônibus visa diminuir a contribuição do setor de transporte nas emissões de gases 
poluentes. 
c. Ligas de Ti: as ligas de titânio possuem como propriedades: elevada razão resistência 
mecânica/peso, manutenção de sua resistência mecânica em temperaturas elevadas e 
excepcional resistência à corrosão. As principais aplicações destas ligas são nas indústrias 
aeroespacial e biomédica, em ambientes extremamente corrosivos e para a produção de 
equipamentos industriais avançados utilizados para a geração de energia e transporte 
principalmente por causa das propriedades ditas acima, por exemplo, na produção de 
protetores de motores a jato, carcaças e fuselagens de aviões e equipamentos resistentes à 
corrosão na indústria naval e petroquímica. Vale ressaltar que as ligas de titânio são difíceis 
de produzir, o que as torna caras. 
d. Ligas de Cu: as ligas de cobre possuem como características suas elevadas condutividades 
elétrica e térmica, boa resistência à corrosão e facilidade de fabricação, aliadas a elevadas 
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resistências mecânica e à fadiga. Encontram aplicações nos mais diversos setores: construção 
civil, elétrica, automobilística, arquitetura, eletro-eletrônica, mecânica, objetos decorativos, 
bélica, mineração, construção naval e exploração petrolífera, entre outras, por exemplo, 
algumas ligas de cobre são usadas para como condutores elétricos, guias de onda e aplicações 
eletrônicas devido a excelente conformabilidade a frio e boa conformabilidade a quente, além 
da excelente soldabilidade e brasagem ligadas as características já mencionadas. 
 
8) Diferencie os termofixos, termoplásticos e elastômeros e cite 3 aplicações usuais para cada 
um dos itens discutidos. 
 Os termoplásticos são polímeros que derivam de ligações químicas flexíveis, devido a sua 
estrutura química ser composta de cadeias lineares ou ramificadas com forças de interação 
relativamente fracas (Van der Waals). Os monômeros termoplásticos, têm apenas duas 
extremidades reativas para o crescimento da cadeia linear. Estes materiais podem ser ramificados 
caso, na polimerização, haja a adição de algum elemento que modifique a composição e a 
estrutura do polímero, entretanto sem modificar suas propriedades de termoplástico. Podem ser 
utilizados para produzir poliestireno, policloreto de polivinila ou cloreto de vinila, poliuteranos, 
entre outros. 
Os termofixos, também conhecidos como termorrígidos, possuem estrutura molecular 
ramificada rígida e cadeias com alta densidade de ligações cruzadas, o que dificulta a livre 
movimentação dos átomos. O monômero termofixo deve ter três ou mais extremidades reativas, 
com suas cadeias moleculares reticuladas em três dimensões. Vale ressaltar que a polimerização 
dos termofixos é irreversível. Amplamente utilizado em fabricações, o termofixo aparece em 
materiais para o mercado de engrenagens, fios e cabos, tanques e peças, dentre outros. No entanto, 
também pode aparecer no mercado em peças de uso pessoal, como roupas e tecidos, solados de 
calçados e colchões. 
 Por sua vez, os elastômeros são polímeros onde algumas cadeias estão ligadas umas às 
outras através de ligações atômicasreticulações. Essas ligações são conhecidas como pontos de 
encadeamento, e não se rompem quando são esticadas. As cadeias moleculares dos materiais 
elastoméricos estão distribuídas desordenadamente, com poucas reticulações ao longo da 
macromolécula, além de espaçamento elevado entre elas. Esse tipo de estrutura molecular 
proporciona ao material maleabilidade. Podem ser utilizados para rodas de skate e patins, peneiras 
de mineração, buchas e insertos metálicos, revestimento de rolos e cilindros, entre outros. 
 
(baseado na pergunta desafio 1 do grupo 2) 
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9) Cite como as características abaixo influenciam nas propriedades mecânicas dos polímeros: 
 Para começar devemos lembrar que os polímeros são macromoléculas constituídas por 
unidades menores, os monômeros. Os monômeros ligam-se entre si através de ligações 
covalentes. 
a. Ligações secundárias entre as cadeias poliméricas: deve-se lembrar que as ligações 
secundárias, ou de van der Waals (físicas), são ligações fracas quando comparadas às ligações 
primárias ou químicas; as energias de ligação variam entre aproximadamente 4 e 30 kJ/mol. 
As ligações secundárias existem entre praticamente todos os átomos ou moléculas, mas sua 
presença pode ficar obscurecida se qualquer um dos três tipos de ligação primária estiver 
presente. A ligação secundária fica evidente nos gases inertes, que têm estruturas eletrônicas 
estáveis. Além disso, as ligações secundárias (ou intermoleculares) são possíveis entre 
átomos ou grupos de átomos, os quais, eles próprios, estão unidos entre si por meio de 
ligações primárias (ou intramolecular) iônicas ou covalentes. Quando isso ocorre entre as 
cadeias poliméricas, diversos fatores estruturais e de processamento têm influências 
marcantes sobre o comportamento mecânico (isto é, sobre a resistência e o módulo) dos 
materiais poliméricos. Um aumento na resistência ocorre sempre que qualquer restrição é 
imposta ao processo, por exemplo, um número grande de entrelaçamentos na cadeia, ou um 
grau significativo de ligações intermoleculares, inibe os movimentos relativos das cadeias. 
Embora as ligações intermoleculares secundárias (por exemplo, as ligações de van der Waals) 
sejam muito mais fracas do que as ligações covalentes primárias, forças intermoleculares 
significativas resultam da formação de um grande número de ligações de van der Waals entre 
as cadeias. Além disso, o módulo aumenta conforme aumentam a força das ligações 
secundárias e o alinhamento das cadeias. Como resultado, os polímeros com grupos polares 
apresentarão ligações secundárias mais fortes e um módulo de elasticidade maior. Sendo 
assim, pode-se perceber que essas ligações controlam a temperatura de fusão e outras 
temperaturas como temperatura vítrea (quanto mais ligações secundárias, maior a 
temperatura de fusão). 
b. Cristalinidade: primeiramente, deve-se lembrar que a cristalinidade dos polímeros é 
conhecida como a compactação de cadeias moleculares para produzir um arranjo atômico 
ordenado. As estruturas cristalinas podem ser especificadas em termos de células unitárias; 
elas são, com frequência, bastante complexas. Para um polímero específico, o grau de 
cristalinidade pode ter influência significativa sobre as propriedades mecânicas, uma vez que 
ele afeta a extensão das ligações secundárias intermoleculares. Nas regiões cristalinas, onde 
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as cadeias moleculares estão densamente compactadas em um arranjo ordenado e paralelo, 
normalmente há uma grande quantidade de ligações secundárias entre os segmentos de 
cadeias adjacentes. Essas ligações secundárias são muito menos influentes nas regiões 
amorfas, em virtude da falta de alinhamento das cadeias. Como consequência, o módulo de 
tração dos polímeros semicristalinos aumenta significativamente com o grau de 
cristalinidade. Por exemplo, para o polietileno, o módulo aumenta aproximadamente uma 
ordem de grandeza quando a fração de cristalinidade aumenta de 0,3 para 0,6. Além disso, o 
aumento da cristalinidade de um polímero, em geral aumenta sua resistência; o material 
também tende a tornar-se mais frágil. A influência da composição química e da estrutura da 
cadeia (ramificações, estereoisomerismo etc.) sobre o grau de cristalina. Sendo assim, tal 
aspecto pode aumentar a densidade por meio da diminuição da permeabilidade dos gases do 
polímero e da maximização das ligações secundárias o que aumenta a resistência mecânica 
do polímero. 
c. Presença de ramificações na cadeia. 
 A estrutura de cada polímero tem influência direta sobre a sua densidade e suas 
propriedades mecânicas. Ramificações longas, como as presentes no polietileno de baixa 
densidade, por exemplo, aumentam a resistência ao impacto, diminuem a densidade e facilitam o 
processamento, enquanto que as ramificações curtas, presentes no polietileno linear de baixa 
densidade, aumentam a cristalinidade e a resistência à tração em relação ao polietileno de baixa 
densidade (obtido via radicais livres). Sendo assim, a presença de ramificação reduz a eficiência 
da compactação da cadeia dos polímeros o que gera redução na sua densidade e interfere em 
outros pontos como ponto de fusão e resistência mecânica do polímero. 
 
10) Com relação aos materiais cerâmicos: 
a. Diferencie cerâmicas tradicionais (convencionais) de cerâmicas avançadas. De exemplos 
de algumas aplicações para cada caso. 
 A cerâmica tradicional é aquela utilizada em revestimentos diversos, que vão desde 
azulejos até vasos para cultivo. Tijolos também são produzidos a partir desta cerâmica, assim 
como qualquer outro objeto que não requer uma maior sofisticação. Já a cerâmica avançada é 
aquela utilizada em materiais de engenharia, obtidos a partir de uma matéria prima mais 
purificada, que pode ser a mesma que dá origem à cerâmica tradicional, mas está em um estado 
maior de pureza. Utiliza-se esse tipo de cerâmica, por exemplo, em tijolos refratários para 
churrasqueiras e alguns fornos. 
 
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b. Defina cerâmicas refratárias e disserte sobre sua importância para indústria. Cite 
exemplos de materiais empregados, bem como de diferentes aplicações. 
 O termo refratário é atribuído a um grupo de materiais, na sua maioria cerâmicas, capazes 
de suportar altas temperaturas sem perder suas propriedades físico-químicas, entre 
elas, resistência, baixas condutividade térmica e condutividade elétrica. O setor que mais 
demanda refratários atualmente é a indústria de ferro e aço – que utiliza aproximadamente 70% 
de todo refratário produzido empregando esses materiais nos revestimentos dos fornos que 
operam em temperaturas muito elevadas. Para essa aplicação, é necessário que o material aplicado 
na parte mais interna do forno seja denso e tenha uma baixa porosidade, já que estará diretamente 
em contato com os produtos que serão produzidos. Na parte mais externa do revestimento, é 
esperado do material uma alta porosidade e baixa condutividade térmica, garantindo que o calor 
do forno não seja transferido para o lado exterior, evitando possíveis perdas energéticas e 
acidentes de trabalho, por isso, usualmente são encontrados em fornos industriais, 
de laboratórios de pesquisa e ensino, caldeiras, fornos domésticos e churrasqueiras (tijolo 
refratário), entre outras aplicações sendo suas principais importâncias industriais. Um exemplode material refratário é a Alumina (Óxido de alumínio), que é usada em revestimentos de fornos 
de altas temperaturas (cerca de 2000°C) mantendo praticamente todas as suas 
características isolantes. Outro exemplo são os cimentos ou concretos refratários. Utilizados 
como revestimento de grandes caldeiras de usinas de açúcar e álcool, panelas de aço, servem para 
proteger o aço derretido de um lado e a própria caldeira de aço sólido do outro. 
 
Referências Bibliográficas 
 
CALLISTER JR, William D, RETHWISCH, David G. Ciência e engenharia de materiais – 
uma introdução. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. 
 
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<https://engenheirodemateriais.com.br/2016/01/27/titanio-e-suas-ligas/>. Acesso em: 8 abr. 
2021. 
GRUPO AÇOS CEARENSE. Conheça os principais tipos de aço e suas aplicações. Disponível 
em:< https://www.grupoacocearense.com.br/blog/vender-mais/principais-tipos-de-
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%20menor%20que%202%25>. Acesso em: 7 abr. 2021. 
https://pt.wikipedia.org/wiki/Material
https://pt.wikipedia.org/wiki/Cer%C3%A2mica
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https://pt.wikipedia.org/wiki/Propriedades_f%C3%ADsico-qu%C3%ADmicas
https://pt.wikipedia.org/wiki/Resist%C3%AAncia
https://pt.wikipedia.org/wiki/Condutividade_t%C3%A9rmica
https://pt.wikipedia.org/wiki/Condutividade_el%C3%A9trica
https://pt.wikipedia.org/wiki/Forno
https://pt.wikipedia.org/wiki/Laborat%C3%B3rio
https://pt.wikipedia.org/wiki/Caldeira
https://pt.wikipedia.org/wiki/Churrasqueira
https://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%93xido_de_alum%C3%ADnio
https://pt.wikipedia.org/wiki/Isolante
https://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Cimento_ou_concreto&action=edit&redlink=1
https://pt.wikipedia.org/wiki/A%C3%A7o
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<https://www.infoescola.com/materiais/ceramica/#:~:text=CER%C3%82MICA%20TRADICIO
NAL%3A%20%C3%A9%20aquela%20utilizada,azulejos%20at%C3%A9%20vasos%20para%
20cultivo.&text=CER%C3%82MICA%20AVAN%C3%87ADA%3A%20s%C3%A3o%20mate
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MATERIAIS JR.. Ligas de titânio: Conheça as aplicações. Disponível em: 
<https://materiaisjr.com.br/ligas-de-titanio-conheca-as-aplicacoes/>. Acesso em: 8 abr. 2021. 
METAL LINOX. Ligas de Níquel. Disponível em: <https://www.metalinoxsp.com.br/ligas-
niquel>. Acesso em: 8 abr. 2021. 
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<https://monferrato.com.br/conheca-as-diferencas-entre-aco-carbono-e-aco-
inox/#:~:text=Para%20ser%20definida%20como%20a%C3%A7o,de%20cromo%20na%20sua
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REVISTA FERRAMENTAL. Uso de ligas de alumínio de alta resistência em substituição dos 
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<https://www.revistaferramental.com.br/?cod=artigo/uso-das-ligas-de-alum-nio-de-alta-resist-
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<https://shockmetais.com.br/tabelas/cobre/plig>. Acesso em: 8 abr. 2021.