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Prof. Luiz Cláudio Cândido MECANISMOS DE ENDURECIMENTO Prof. Leonardo Barbosa Godefroid candido@em.ufop.br leonardo@em.ufop.br ENDURECIMENTO POR SOLUÇÃO SÓLIDA METALURGIA MECÂNICA – MET 158 MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO Universidade Federal de Ouro Preto Escola de Minas – Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Grupo de Estudo Sobre Fratura de Materiais Telefax: 55 - 31 - 3559.1561 – E-mail: demet@em.ufop.br MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO Universidade Federal de Ouro Preto Escola de Minas – Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Grupo de Estudo Sobre Fratura de Materiais Telefax: 55 - 31 - 3559.1561 – E-mail: demet@em.ufop.br MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO Universidade Federal de Ouro Preto Escola de Minas – Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Grupo de Estudo Sobre Fratura de Materiais Telefax: 55 - 31 - 3559.1561 – E-mail: demet@em.ufop.br MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO Universidade Federal de Ouro Preto Escola de Minas – Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Grupo de Estudo Sobre Fratura de Materiais Telefax: 55 - 31 - 3559.1561 – E-mail: demet@em.ufop.br ENDURECIMENTO POR SOLUÇÃO SÓLIDA 1 – Introdução 2 – Energia de interação por desajuste elástico 3 – Interação entre átomos de soluto e discordâncias 4 – O problema estatístico do endurecimento 5 – Efeitos mecânicos a) Escoamento bem definido b) Envelhecimento por deformação c) Efeito Portevin - Le Chatelier d) Fragilização azul 6 – Efeito da solução sólida em outros mecanismos e em outras propriedades 7 – Aços Interstitial-Free 8 – Aços Bake-Hardening ENDURECIMENTO POR SOLUÇÃO SÓLIDA Introdução Em metais puros, as discordâncias são moderadamente móveis, e a deformação plástica ocorre pelo seu movimento. Uma das maneiras de restringir o movimento das discordâncias é com a introdução de átomos de soluto no metal puro formando uma solução sólida. Com a restrição ao movimento das discordâncias, a solução sólida fica endurecida. Exemplo: aumento do limite de escoamento do ferro, com a introdução de átomos de soluto – PICKERING (1978). Introdução Ligas de Ouro Type Gold % wt Silver % Copper % Colour 22 ct 91.6 8.4 - Yellow 91.6 5.5 2.8 Yellow 91.6 3.2 5.1 Deep yellow 91.6 - 8.4 Pink/rose 18 ct 75.0 25.0 - Green- yellow 75.0 16.0 9.0 Pale yellow, 2N 75.0 12.5 12.5 Yellow, 3N 75.0 9.0 16.0 Pink, 4N 75.0 4.5 20.5 Red, 5N 14 ct 58.5 41.5 - Pale green 58.5 30.0 11.5 Yellow 58.5 9.0 32.5 Red 9 ct 37.5 62.5 - White 37.5 55.0 7.5 Pale yellow 37.5 42.5 20.0 Yellow 37.5 31.25 31.25 Rich yellow 37.5 20.0 42.5 Pink 37.5 7.5 55.0 Red Introdução Typical Nickel White Golds Gold, % wt Copper, % wt Nickel, % wt Zinc, % wt Hardness Hv Liquidus C 18ct 75 2.2 17.3 5.5 220 960 75 8.5 13.5 3.0 200 955 75 13.0 8.5 3.5 150 950 14ct 58.5 22.0 12.0 7.4 150 995 10ct 41.7 32.8 17.1 8.4 145 1085 9ct 37.5 40.0 10.5 12.0 130 1040 Introdução Physical Properties of Typical Gold Alloys Carat Composition % Colour Density g/cm3 Melting Range CSilver Copper 24 - - Yellow 19.32 1064 22 5.5 2.8 Yellow 17.9 995-1020 3.2 5.1 Dark yellow 17.8 964-982 21 4.5 8.0 Yellow-pink 16.8 940-964 1.75 10.75 Pink 16.8 928-952 - 12.5 Red 16.7 926-940 18 16.0 9.0 Pale yellow 15.6 895-920 12.5 12.5 Yellow 15.45 885-895 9.0 16.0 Pink 15.3 880-885 4.5 20.0 Red 15.15 890-895 Introdução Mechanical Properties of Typical Gold Alloys Carat Composition %, wt. Condition Hardness HV Tensile Strength N/mm² Silver Copper 24 - - Annealed 20 45 Worked 55 200 22 5.5 2.8 Annealed 52 220 Worked 138 390 3.2 5.1 Annealed 70 275 Worked 142 463 21 4.5 8.0 Annealed 100 363 Worked 190 650 1.75 10.75 Annealed 123 396 Worked 197 728 18 12.5 0 12.5 Annealed 150 520 Worked 212 810 4.5 20.5 Annealed 165 550 Worked 227 880 Introdução Mechanical Properties of 18 Carat Golds Composition, wt% Hardness, HV Elongation, % Gold Silver Copper Annealed Cold worked Annealed c.w. 75 25 - 36 98 36.1 2.6 75 21.4 3.6 68 144 39.3 3.0 75 16.7 8.3 102 184 42.5 3.2 75 12.5 12.5 110 192 44.8 3.3 75 8.3 16.7 129 206 47.0 2.6 75 3.6 21.4 132 216 42.0 1.5 75 - 25 115 214 41.5 1.4 c.w. = cold worked Introdução Aumento do limite de escoamento de aço ferrítico, com a introdução de átomos de soluto. Introdução Aumento do limite de escoamento de ligas de cobre, com a introdução de átomos de soluto. Introdução (Aumento do limite de escoamento de aço austenítico, com a introdução de átomos de soluto) Introdução A análise do endurecimento pode ser feita em termos de energia de interação entre discordâncias e átomos de soluto. Esta interação leva a uma migração de átomos de soluto para as discordâncias, formando as chamadas “atmosferas de COTTRELL”. A temperatura é uma grande variável do endurecimento: existe uma faixa na qual existem as atmosferas de Cottrell. Para o cálculo da energia de interação, consideram-se as várias contribuições independentemente. Esta suposição é válida para soluções diluídas. Introdução Interação entre átomos de soluto e discordâncias a) Interações por desajuste elástico b) Interações por diferença de rigidez c) Interações elétricas d) Interações químicas e) Interações de ordem local Consideremos a substituição de um átomo de solvente, de raio ro, por um átomo de soluto, de raio R (R > ro). O deslocamento radial ur, em função da distância r, a partir do centro do átomo de soluto, vale: Para uma deformação rr o o , temos: Energia de Interação por Desajuste Elástico u R r r rr o o ( ) 2 2 0 )( r r ru o r Considerando a simetria do problema, e tomando coordenadas esféricas, temos: rr ru r u r r2 r r 0 Deslocamento somente na direção radial u = u = 0 Aplicando ao nosso problema, vem: Energia de interação por desajuste elástico 3 0 2 r r rr As expressões acima fornecem as componentes de deformação quando uma esfera de raio R é inserida em uma cavidade de raio ro. Conhecendo-se estas deformações, podemos calcular a força total que atua em uma discordância. Para átomos de soluto que apresentem um campo de tensões elásticas simetricamente esférico, só haverá interação com discordâncias que tenham componentes hidrostáticas em seu campo de tensões. Isto só acontecerá com as discordâncias em cunha. Em geral, átomos de soluto substitucionais apresentam a distorção esférica, e são exemplos do modelo acima. Interação entre átomos de soluto e discordâncias Interações entre Átomos de Soluto e Discordâncias INTERAÇÕES ELÁSTICAS Para esta situação, a energia de interação elástica será:U = p . V Esta equação não é válida no núcleo da discordância. É uma aproximação, pois no núcleo a elasticidade linear não é válida. U = 1 1 v v Gb 3 sen r . 4 3 o r Para átomos de soluto que apresentem um campo de tensões elásticas simetricamente esférico, só haverá interação com discordâncias que tenham componentes hidrostáticas em seu campo de tensões. Isto só acontecerá com as discordâncias em cunha. Em geral, átomos de solutos substitucionais apresentam a distorção esférica, e são exemplos do modelo acima. r AU sen U = p . V p - componente hidrostático do campo de tensão de uma discordância V - mudança em volume induzida pela introdução de um átomo de soluto de raio r = r0 (1 + ) em uma cavidade de raio r0, sendo > 0. Para bem pequeno: V = 4 r0 3 O campo de tensões de uma discordância em cunha, em coordenadas cilíndricas, é dado por: A pressão hidrostática é, por definição, - 1/3 (rr + + zz) Assim, Interação entre átomos de soluto e discordâncias – Interações elásticas Para converterem coordenadas retangulares, usam-se: r = (x2 + y2)1/2 e sen = y / (x2 + y2)1/2 A energia elástica de interação, U (r,), fixando átomo de soluto ao ponto (r,), é dada por (Usa-se a teoria da elasticidade linear) U (r,) = p . V = [(1 + )/(1 - )] . [(Gb/3 ) . (sen)/r] . 4 ro 3 U = A . sen r Interação entre átomos de soluto e discordâncias – Interações elásticas Acima do plano de deslizamento as tensões atuantes são compressivas, abaixo são trativas. Para uma variação de volume V > 0, acima do plano de deslizamento (o < < ) a energia é positiva, porém logo abaixo ( < < 2) a energia é negativa. Para uma variação de volume V < 0, acima do plano de deslizamento (o < < ) a energia é negativa, porém logo abaixo ( < < 2) a energia é positiva. Para R < ro o átomo de soluto tende a se localizar acima do plano de deslizamento. Em ambos os casos, tem-se uma diminuição da energia do sistema com a migração de átomos de soluto para a linha de discordância. Para R > ro o átomo de soluto tende a se localizar abaixo do plano de deslizamento. Interação entre átomos de soluto e discordâncias – Interações elásticas COCHARDT (1955) - modelo para energia de interação: Exemplo: (a) posições de átomos intersticiais em um cubo. (b) átomos de carbono produzindo a distorção tetragonal. Interação entre átomos de soluto e discordâncias – Interações elásticas Para átomos de soluto que, além da variação de volume (devido às componentes hidrostáticas), apresentem uma distorção tetragonal, a situação é diferente. Esta distorção tetragonal interage também com componentes cisalhantes e então estes átomos podem também interagir com discordâncias em hélice, além das discordâncias em cunha. Estes átomos endurecem mais a matriz do que átomos com apenas distorção esférica. Em geral, átomos de soluto intersticiais apresentam a distorção tetragonal (mas nem toda solução intersticial), e são exemplos do modelo acima. heliceijijU 30 3 4 3 r V Interação entre átomos de soluto e discordâncias – Interações elásticas C = Co exp U kT C: concentração de soluto Co: concentração média U: energia de interação elástica k: constante de Boltzmann T: temperatura Exemplo: cálculo da temperatura abaixo da qual as atmosferas de Cottrell condensam-se completamente: C = 1 ; Co = 10 -4 ; Umáx = 0.5eV T=700K Um outro efeito que ocorre com átomos intersticiais é o “efeito SNOEK”: átomos de soluto intersticiais mudam de posição quando uma tensão é aplicada na direção [100]. Esta mudança de posição também causa um efeito elástico. Segundo COTTRELL (1953), a concentração de átomos de soluto ao redor de uma discordância varia com a temperatura da seguinte maneira: Exemplo: cálculo da temperatura abaixo da qual as “Atmosferas de Cottrell” condensam-se completamente: C = 1 Co = 10 -4 Umáx = 0,5eV T = 700K Interação entre átomos de soluto e discordâncias – Interações elásticas Efeito do parâmetro de desajuste elástico no endurecimento de ligas de cobre. Energia de interação por desajuste elástico 3 4 GC c Mesmo quando a diferença de tamanho entre soluto e solvente é nula ( = 0), uma contribuição à energia de interação entre átomos de soluto e discordâncias pode resultar devido à diferença nos módulos de cisalhamento dos dois átomos. Exemplo: soluto de módulo G’ embebido numa matriz de módulo G. Para G’ < G, a energia do campo de deformação da discordância é reduzida pela distorção do soluto. A energia será negativa, e haverá atração entre o soluto e o solvente. Para G’ < G, a energia do campo de deformação da discordância é reduzida pela distorção do soluto. A energia será negativa, e haverá atração entre o soluto e o solvente. Para G’ > G, acontecerá o contrário. Interação entre átomos de soluto e discordâncias – Interações devido à diferença de módulo Segundo KRÖNER (1964), a energia de interação para uma discordância em hélice vale: U G b r mód . 2 2 28 Comparando esta equação com a obtida por COCHARDT, vemos que a energia devido à diferença de módulo é menor do que a energia devido à diferença de tamanho. Entretanto, o parâmetro vale cerca de 20, o que mostra ser significativo o efeito de Umód. Ocorre principalmente com soluções iônicas. A linha da discordância terá íons positivos e negativos, o que provocará atração e repulsão de íons de soluto. Para mover as discordâncias entre estes íons um trabalho adicional deverá ser realizado. Interação entre átomos de soluto e discordâncias – Interações devido à diferença de módulo Interação entre átomos de soluto e discordâncias – Interação Elétrica Segundo SUZUKI (1952), ao considerarmos a dissociação de uma discordância, a região falhada tem uma concentração de soluto diferente do restante do material. Assim, quando a discordância dissociada se move no material, há uma transferência de átomos de soluto, da região falhada para a região não falhada. O trabalho para realizar este deslocamento corresponde à energia de interação química entre a discordância e os átomos de soluto. Em diversas soluções, a distribuição dos átomos não é aleatória. Quando existe uma ordem , a solução é dita ordenada. Ocorrendo um arranjo ordenado de átomos de soluto, para haver o movimento das discordâncias este arranjo deve ser destruído. Assim, um trabalho adicional deve ser realizado. Interação entre átomos de soluto e discordâncias – Interação Química Interação entre átomos de soluto e discordâncias – Interação de Ordem Local O Problema Estatístico do Endurecimento Até agora foram consideradas as diversas interações entre uma discordância e um átomo de soluto. No entanto, em soluções reais a interação é com diversos átomos de soluto. Segundo LABUSCH (1969-1977), deve-se levar em conta o aspecto estatístico do movimento da discordância através de um arranjo aleatório de átomos de soluto. Sua teoria resulta na seguinte expressão para a tensão crítica ys de cisalhamento: YS má x b F e z T 3 4 2 3 1 3 1 3 ys: tensão crítica e: concentração de soluto b: vetor de Burgers Fmáx: máxima resistência do obstáculo z: distância dos átomos de soluto ao plano de deslizamento : fator numérico, da ordem da unidade T: tensão de linha da discordância. Escoamento bem definido Quando curvas tensão-deformação de metais são traçadas, dois comportamentos típicos são observados na região de escoamento: a) Curva com limite de escoamento nítido; b) Curva contínua. Efeitos Mecânicos Associados com a Solução Sólida Materiais com limite de escoamento nítido apresentam as seguintes características: a) Ponto de escoamento superior; b) Ponto de escoamento inferior; c) Patamar de escoamento com carga constante; d) Bandas de Piobert/Lüders na superfície do corpo de prova. Escoamento bem definido Escoamento bem definido Formação de bandas de Piobert (1842) + Lüders (1860): a) A deformação plástica inicia-se de forma não homogênea, em algum ponto de concentração de tensão do corpo de prova (por exemplo, suas extremidades); b) O início corresponde ao ponto superior de escoamento, e se manifesta com o aparecimento de bandas, orientadas aproximadamente a 450 com o eixo da tensão aplicada; c) As bandas não são simples linhas de deslizamento: centenas de grãos cooperam para formar uma banda, cada um deslizando de forma complexa em seus próprios planos de deslizamento; d) Uma vez formadas, as bandas propagam-se para o interior do corpo de prova de maneira relativamente fácil, correspondendo ao ponto inferior de escoamento; e) Quando as bandas percorrem todo o corpo de prova, a curva tensão-deformação passa novamente a ter a forma crescente. Alterar a composição química da liga , como é o caso da adição de Ti, B, Nb no aço formação decarbonetos, eliminação dos intersticiais. Solução do problema: Pré-deformar a liga numa deformação superior à região de escoamento bem definido – skin pass rolling - de tal forma que a operação de conformação mecânica principal ocorra na região de encruamento. Escoamento bem definido Um aspecto de grande importância tecnológica é a formação das bandas de Lüders durante a conformação mecânica de chapas de um aço baixo carbono, com conseqüentes irregularidades - distorções de estiramento - no material. Aço AISI 1008 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 200 400 600 800 1000 ( M P a ) (%) AISI 1015 AISI 1080 AISI 4140 ARBL Dual Phase 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 200 400 600 800 1000 (M P a) (%) AISI 1015 AISI 1080 AISI 4140 ARBL Dual Phase Escoamento bem definido Escoamento bem definido a) Teoria específica de COTTRELL e BILBY (1949) Átomos de soluto “atmosfera” discordâncias com dificuldade de movimentação a partir do limite superiordiscordâncias livresmultiplicação de discordâncias deslizamento cruzado múltiplo discordâncias móveis escoamento fácil carga no limite inferior Bandas de Lüders: se formam e se propagamcarga constante discordâncias se libertam deformação homogênea encruamento Escoamento bem definido - Teorias (atmosferas de átomos de soluto ao redor das discordâncias) b) Teoria geral de JOHNSTON e GILMAN (1959) A região de escoamento bem definido pode ocorrer para materiais bem puros. Daí, a teoria de Cottrell e Bilby precisa ser adaptada, para que se tenha uma explicação mais geral sobre o aparecimento daquela região. Como, v - velocidade de discordâncias - densidade de discordâncias - tensão aplicada De acordo com este modelo, os parâmetros controladores do fenômeno são a densidade de discordâncias móveis e o expoente m da relação entre a tensão e a velocidade de discordâncias. Rearrumando as expressões anteriores, vem : onde os índices U e L denotam a situação para o limite superior e inferior de escoamento, respectivamente. v D v be m m 1 U L L U Se m < 20 (ex.: materiais iônicos e covalentes, alguns metais CCC) carga para v m > 100 (metais CFC) carga para produzir uma mudança substancial em v v D v be m . e Escoamento bem definido - Teorias Envelhecimento por deformação – strain aging – é um tipo de comportamento, geralmente associado com o fenômeno do escoamento bem definido, onde ocorre aumento de resistência e diminuição de ductilidade do material, através de paradas sucessivas em certos níveis de deformação, com grandes intervalos de tempo e/ou com aquecimento a uma certa temperatura, relativamente baixa. Curva tensão x deformação em aço baixo carbono; A - material original; B - material retestado após alcançar o ponto X; C - reaparecimento e aumento do escoamento, após aquecimento a 130oC. Envelhecimento por deformação Envelhecimento por deformação estático: Envelhecimento por deformação Minimização do fenômeno para conformação mecânica: adição de Mn ao aço, para combinar com N, diminuindo sua mobilidade e o envelhecimento. Envelhecimento por deformação dinâmico: a) Consiste no envelhecimento por deformação que ocorre durante a deformação plástica do material. b) O fenômeno manifesta-se numa larga faixa de temperatura. c) Aumentando-se a taxa de deformação, aumenta-se também os limites inferior e superior do intervalo de temperatura. d) Quando ocorre, o limite de escoamento do material torna-se independente da temperatura e também da taxa de deformação. Envelhecimento por deformação Variação do limite de escoamento com a temperatura, para titânio de pureza comercial. Envelhecimento por deformação Envelhecimento por deformação dinâmico: Conseqüências: a) Efeito Portevin – Le Chatelier (1923) b) Fenômeno de Fragilização Azul O envelhecimento por deformação também está associado com a ocorrência de serrilhados na curva tensão x deformação. Este comportamento dinâmico é chamado de efeito Portevin – Le Chatelier. Aço baixo carbono Os átomos de soluto são capazes de se difundirem no material numa taxa maior do que a velocidade das discordâncias, provocando o seu aprisionamento. Assim, a carga deve aumentar, para destravar as discordâncias, ocorrendo então uma queda na carga. Este processo ocorre diversas vezes, daí o serrilhado na curva tensão x deformação. Envelhecimento por deformação Efeito Portevin – Le Chatelier Efeito Portevin – Le Chatelier para aço macio. Envelhecimento por deformação O envelhecimento por deformação dinâmico não é o único fenômeno que pode causar um serrilhado na curva tensão x deformação. Maclação por deformação ou transformação martensítica assistida por deformação produzirão o mesmo efeito. Aços carbono tratados na faixa de 230oC a 370oC apresentam um escoamento descontínuo, com grande redução na ductilidade e na tenacidade à fratura. Trata-se da fragilização azul, fenômeno intimamente relacionado com as atmosferas de átomos de soluto ( C e N ) aprisionando as discordâncias. A palavra “fragilização”, embora mal empregada, traduz o efeito da redução drástica da ductilidade do material. A palavra “azul” refere-se à coloração que o aço adquire, quando aquecido naquela faixa de temperatura. Pode-se dizer que a fragilização consiste num processo de envelhecimento por deformação acelerado. O fenômeno de envelhecimento por deformação deve ser distinguido do processo de envelhecimento por têmpera. Neste caso, trata-se de um endurecimento por precipitação, muito empregado nos aços carbono, que ocorre com a têmpera a partir da máxima temperatura de solubilidade do carbono e do nitrogênio na ferrita. Após a têmpera, realiza-se um envelhecimento na temperatura ambiente, ou ligeiramente acima desta, para aumento da resistência mecânica do material. (por tensão também) Envelhecimento por deformação – Fragilização Azul Efeito da Fragilização Azul na deformação em tração de uma amostra de titânio comercialmente puro. Envelhecimento por deformação – Fragilização Azul Além de produzir endurecimento, átomos de soluto alteram outros mecanismos de endurecimento, provocando um acréscimo no endurecimento do material: Os solutos podem produzir uma reação de precipitação, sob certas condições de tratamento térmico. Alterando as características da transformação, os solutos podem modificar consideravelmente a estrutura transformada como, por exemplo, facilitar o aparecimento de bainita ou de martensita nos aços, em detrimento da ferrita, reduzir o tamanho de grão e elevar a densidade de discordâncias. Tanto solutos substitucionais como intersticiais podem influenciar de maneira significativa outras propriedades mecânicas dos materiais: Diminuição da ductilidade, tanto a deformação uniforme como a deformação na fratura. Aumento da taxa de encruamento. Redução da tenacidade ao impacto, através do aumento da temperatura de transição dúctil-frágil. Diminuição da temperatura de transformação martensítica, alterando a soldabilidade e a resistência ao trincamento por têmpera ou distorção. Alteração da temperatura de recristalização. Indução de várias formas de fragilização, quando ocorre segregação de soluto em contornos de grãos. Efeito da Solução Sólida em outros Mecanismos de Endurecimento e em outras Propriedades C e/ou N endurecimento de aços { formabilidade a frio estampagem profunda comprometida A presença de titânio (e também nióbio) reduz a quantidade de carbono e de nitrogênio em solução, através da formação de carbonetos precipitados. Com isto, a formabilidade torna-se bem elevada. Uma alternativa para resolver este problema é o desenvolvimento dos chamados aços livres de interstícios – interstitial-free steels. Uma composição química típica destes aços é a seguinte: C % Mn % Al % Ti % N % < 0,003 0,18 0,040,04 0,002 Para manter a resistência mecânica destes aços em níveis satisfatórios, são feitas adições de fósforo (0,1%Pmáx.), de manganês e silício. Aços “Interstitial Free” Aços “Interstitial-Free” (IF) Microscopia óptica (1000X). MEV O termo bake hardening é derivado do processo de cura que é aplicado nos automóveis após a estampagem a frio e a operação de pintura. Este processo envolve um tratamento a 170 o C por 20 minutos. Durante a estampagem a frio, o aço é submetido a uma deformação da ordem de 5 a 10%, resultando num acréscimo do limite de escoamento de 40 N/mm 2 . A partir de uma composição química adequada e de um tratamento prévio, átomos de carbono precipitarão durante a cura nas discordâncias geradas na conformação mecânica. Com efeito, esta cura consiste num processo de envelhecimento por deformação, que causa perda de ductilidade no material, mas que pode ser utilizado de maneira vantajosa após a conformação mecânica, promovendo um incremento no limite de escoamento da ordem de 5kgf/mm 2 ou 50MPa. Aços “Bake-Hardened” (BH) Aços Bake Hardening
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