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UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA Exercícios de Ciência dos Materiais Uma introdução dos materiais aplicados Prof. Dr. Fernando Cruz Barbieri S. J. dos Campos - Dutra

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 1. Lista de Exercícios B 1

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 1. Lista de Exercícios 2) Explique com suas próprias palavras o que são digrama de fases de um composto, para que serve e dê alguns exemplos?

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 1. Lista de Exercícios Ponto a = Fase solida α 100% α a b c d e Ponto b = Fase solida α 100% α Ponto c = mistura α + L r. alavanca Pα = CL – Co x 100% = 50 – 40 x 100 C L – Cα 50 - 30 Pα = 50% α PL = 50 % L Ponto d = Fase Liquida α 100% L Ponto e = Fase Líquida α 100% L

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 1. Lista de Exercícios 2) Explique com suas próprias palavras o que são digrama de fases de um composto, para que serve e dê alguns exemplos? Os diagramas de fases (também chamados de diagrama de equilíbrio) relacionam temperatura, composição química e quantidade das fases em equilíbrio. • Um diagrama de fases é um “mapa” que mostra quais fases são as mais estáveis nas diferentes composições, temperaturas e pressões. • A microestrutura dos materiais pode ser relacionada diretamente com o diagrama de fases. • Existe uma relação direta entre as propriedades dos materiais e as suas microestruturas.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 1. Lista de Exercícios 3) Uma prata de lei, uma liga contendo aproximadamente 90% de prata e 10% de cobre é aquecida nas temperaturas 600, 800 e 11000 C. Determine as fases presentes e suas proporções, como mostra a figura abaixo.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 1. Lista de Exercícios 600 = mistura α + β Pα = alavanca Cβ – Co x 100% = C β – Cα 98 – 10 x 100% = 93, 6% 98 – 4 Pβ = 6, 4 % β 800 = mistura α + L alavanca Pα = CL – Co x 100% = C L – Cα Pα = 25 – 10 x 100% = 88, 3% 25 – 8 PL = 11, 7 % L 110 = Fase Líquida α 100% L

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 1. Lista de Exercícios 4 ) Para uma liga de solda com 40% de estanho e 60% de chumbo a 150 0 C , a) quais as fases presentes, b) qual a proporção de cada fase. mistura α + β alavanca C α = 10% Sn C 0 = 40%Sn C β = 98 %Sn Pα = Cβ – Co x 100% = C β – Cα Pα = 98 – 40 x 100% = 65, 9% 98 – 10 Pβ = 34, 1 % β

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 1. Lista de Exercícios 5) Uma liga típica para componentes de aeronaves contém 92 kg de magnésio e 8 kg de alumínio. Quais são fases presentes e as proporções dessas fases a: 6500 C, 5300 C, 4200 C, 3100 C e 2000 C, conforme mostra figura abaixo?

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 1. Lista de Exercícios 6500 C (a) 5300 C (b) 4200 C (c) 3100 C (d) 2000 C (e)

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 2. Lista de Exercícios 1) Faça uma analise das fases presentes na liga chumbo-estanho, solidificadas em condições de equilíbrio, nos seguintes ponto do diagrama, como mostra a figura abaixo: pede-se: a) composição eutética b) temperatura eutética c) reação eutética d) as fases e as proporções dessas fases presentes no ponto c e) as fases e as proporções dessas fases presentes no ponto e

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UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 2. Lista de Exercícios 2) Para a liga composta por Fe-C, como mostra a figura abaixo, determine: a)a liga eutética e eutetóide b) a temperatura eutética e eutetóide c) a reação eutética e eutetóide d) Mostre no gráfico as regiões: eutetóides/eutéticas hipoeutetóides/hipoeutéticas hipereutetóides/hipereutéticas

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 2. Lista de Exercícios a) Eutética = 4, 3%C Eutetóide = , 76%C b) Teutética = 11480 C TEutetóide = 7270 C c) Reação eutética L (4. 3% C) <=> γ (2. 11% C) + Fe 3 C (6. 7% C) Reação eutetóide γ (0. 77% C) <=> α (0. 022% C) + Fe 3 C (6. 7%) d)

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 2. Lista de Exercícios 3) Responda as questões abaixo a. ) Cite as principais formas alotrópicas do ferro e suas principais características. b. ) Qual a estrutura do ferro que é magnética? Até que temperatura o ferro é magnético? c. ) Aços são as principais ligas de Fe-C de ampla aplicação na engenharia. Como o carbono encontra-se na estrutura cristalina do ferro? d. ) A solubilidade do carbono é maior na ferrita ou na austenita? Explique. e. ) Qual a composição dos aços quanto ao teor de carbono? f. ) Como variam as propriedades mecânicas dos aços, como resistência, dureza e ductilidade, nos aços de acordo com o teor de carbono? g. ) Com base no diagrama Fe-C, qual a solubilidade máxima do carbono nos aços e a que temperatura ocorre? h. ) Com base no diagrama Fe-C, especifique as temperaturas e composições das reações eutética e eutetóide. i. ) Qual a diferença entre aços hipoeutetóides e hipereutetóides? j. ) Como são as microestruturas características dos aços eutetóides, hipo e hiper eutetóides? k. ) Quais são as principais fases que podem estar presentes nos aços a temperatura ambiente, se resfriados lentamente? Cite as principais propriedades mecânicas dessas fases. l. ) Use a regra das alavancas para determinar a fração da ferrita ∝ e da cementita na perlita.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 2. Lista de Exercícios a. ) Ferro (ferrita) - possui a estrutura cúbica de corpo centrado (CCC) e é o estado em que encontramos o ferro a temperatura ambiente (até 910 o. C). O ferro pode ou não ser magnético (magnético abaixo de 768 o. C, que é o ponto Curie). Possui uma baixa dureza. Ferro (austenita) - possui a estrutura cúbica de face centrada (CFC) e é encontrada a uma temperatura entre 910 o. C e 1390 o. C. Possui boa resistência mecânica e apreciável tenacidade além de não ser magnética. Ferro - possui a estrutura cúbica de corpo centrado (CCC) e é encontrada a uma temperatura entre 1390 o. C e 1534 o. C. b. ) Ferrita ɑ estrutura CCC(cúbica de corpo centrado), magnética ate 768°C c. ) O carbono forma uma solução sólida intersticial com o ferro, isto é, os átomos de carbono se colocam nos interstícios da estrutura cristalina do ferro. d. ) A máxima solubilidade no ferro é 0, 025% A máxima solubilidade no ferro é 2% (valor teórico) Os interstícios variam de tamanho de acordo com a estrutura, isto é, os interstícios da estrutura CCC são menores do que os da estrutura CFC. Exemplo, no caso da liga ferro-carbono os raios máximos do interstícios no ferro corresponde a 0, 36 ângstrons para a estrutura CCC, e 0, 52 ângstrons para a estrutura CFC.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 2. Lista de Exercícios e. ) Aço= 0, 008 até 2, 06% de Carbono f. ) A presença de átomos de impureza causa deformações na rede cristalina do solvente restringindo o movimento das discordâncias e assim alterando as propriedades dos aços. De acordo com o teor de carbono no aço as propriedades do aço melhoram. Existem aços de baixo , médio e alto teor de carbono Baixo carbono: possui baixa resistência e dureza e alta tenacidade e ductilidade. É usinável e soldável, além de apresentar baixo custo de produção. Geralmente, este tipo de aço não é tratado termicamente. Médio carbono: possui maior resistência e dureza e menor tenacidade e ductilidade do que o baixo carbono. Apresentam quantidade de carbono suficiente para receber tratamento térmico de têmpera e revenimento, embora o tratamento, para ser efetivo, exija taxas de resfriamento elevadas e em seções finas. Alto carbono: é o de maior resistência e dureza. Porém, apresentam menor ductilidade entre os aços carbono. Geralmente, são utilizados temperados ou revenidos, possuindo propriedades de manutenção de um bom fio de corte.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 2. Lista de Exercícios g. ) h. ) aproximadamente 2, 1 %C da fase austenitica a 11480 C Reação eutética A 1148°C ocorre a reação L (4. 3% C) <=> γ (2. 11% C) + Fe 3 C (6. 7% C) Reação eutetóide A 727°C ocorre a reação γ (0. 77% C) <=> α (0. 022% C) + Fe 3 C (6. 7% C) i. ) A diferença esta na percentagem de carbono presente no aço, de 0, 008 a 0, 76٪ de carbono o aço e hipoeutetoide acima de 0, 76 ate 2, 14٪ de carbono o aço e hipereutetoide. j. ) Eutetoide –perlita Hipo – ferrita(macia e dutil), cementita(dura e frágil) Hiper –ferrita proeutetoide + perlita.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 2. Lista de Exercícios k. ) Ferrita- ductil, baixa resistência mecânica, macia. Cementita- dura e resistente. Perlita- alta resistência mecânica, dureza, baixa ductilidade. l. ) m. ) Ferrita. n. ) Cementita

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 2. Lista de Exercícios 4) Considere o diagrama Fe–C dado abaixo. Uma liga com 3, 0 %C (% mássica) é fundida a 1400 o. C, sendo a seguir resfriada lentamente, em condições que podem ser consideradas como sendo de equilíbrio. Pergunta-se: a) Qual é a temperatura de início de solidificação dessa liga? b) Qual é a primeira fase sólida que se solidifica à temperatura definida no item (a)? c) Qual é a temperatura na qual termina a solidificação dessa liga? d) A 1148 o. C, quais são as fases presentes, as suas composições e as suas proporções relativas? e) A 723 o. C, quais são os constituintes dessa liga, as suas composições e as suas proporções relativas?

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 2. Lista de Exercícios a) 13000 C b) c) 11480 C d) fases -> a austenita e fase líquida. composições -> de cada fase, e as respectivas proporções relativas calculadas pela regra da alavanca são dadas abaixo. Fase Composição (%C) Proporção relativa (%) Austenita 2, 1 (4, 3 -3, 0)/(4, 3 -2, 1) = 0, 5909 → 59, 1% Líquida 4, 3 (3, 0 -2, 1)/(4, 3 -2, 1) = 0, 5909 → 40, 9% e) Fases -> cementita e a ferrita (ligeiramente inferior à temperatura da reação eutetóide) Toda a ferrita está contida na perlita (microconstituinte eutetóide formado por uma mistura íntima de ferrita e cementita, originária da austenita, através de uma reação eutetóide). Apenas parte da cementita está contida no microconstituinte eutetóide. As proporções relativas de cementita e de ferrita podem ser calculadas pela regra da alavanca, como apresentado a seguir. Fase Composição (%C) Proporção relativa (%) ferrita 0, 022 (6, 7 -3, 0)/(6, 70 -0, 022) = 0, 541 → 5, 4% cementita 6, 70 (3, 0 -0, 022)/(6, 70 -0, 022) = 0, 459 → 4, 6% A proporção relativa da microestrutura perlítica, composta por ferrita e por cementita, pode se calculada pela regra da alavanca. Consideramos a microestrutura perlítica como sendo um constituinte, e fazemos o cálculo da regra da alavanca, como segue: Composição (%C) Proporção relativa (%) perlita 0, 7 (6, 7 -3, 0)/(6, 70 -0, 7) = 0, 6239 → 62, 4% cementita (fora da perlita)

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UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 2. Lista de Exercícios Ferrita ( ): estrutura cúbica existente: ____CCC_______ b) solubilidade máxima de carbono (teor %): _0, 022% até temperatura de 727_0 C c) propriedades mecânicas: ____MOLE_____ Austenita ( ): a)estrutura cúbica existente: ____CFC_____ b) solubilidade máxima de carbono (teor %): _2, 1_% até temperatura de _1148__0 C c) forma estável do ferro puro a temperatura entre _9120 C a _13940 C d) propriedades mecânicas: ______BOAS_____ Ferrita ( ): a)estrutura cúbica existente: ____CCC______ b) forma estável até a temperatura de _1534__0 C c)possui alguma aplicação tecnológica : : NAO Cementita (Fe 3 C): a)forma-se quando o limite de solubilidade de carbono é__6, 7%c_ b) forma estável até a temperatura de _1300_0 C c) propriedades mecânicas: _____FRAGIL_____ Perlita a)quais as microestruturas que formam a perlita: __FERRITA__CEMENTITA___ b) as lamelas claras se refere a: __FERRITA e as lamelas escuras a ___CEMENTITA_ c) propriedades mecânicas: _______BOAS____

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UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 3. Lista de Exercícios 1) Usando o diagrama de transformação (TTT) por resfriamento contínuo para a liga ferro -carbono, indique nas 4 curvas de resfriamento contínuo: a) as seguintes microestruturas nas curvas A, B, C e D; b) quais tratamentos térmicos referem-se as curvas A, B, C e D. a) estrutura b) Martensita c) Martensita + bainita d) Martensita + bainita+perlita +ferrita e) Perlita+ ferrita b) Tratamento a)Tempera b) Tempera c)Tempera d) normalização

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 3. Lista de Exercícios 2) Usando o diagrama de transformação (TTT) por resfriamento contínuo para a liga ferro -carbono, indique nas 3 curvas de resfriamento contínuo as microestruturas formadas? Martensita Perlita + Bainita+ Maretnsita Perlita

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 3. Lista de Exercícios 3) Usando o diagrama de transformação (TTT) por resfriamento contínuo para a liga ferro -carbono, indique nas 3 curvas de resfriamento contínuo as microestruturas formadas? Martensita Bainita Ferrita + Perlita + Bainita

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 3. Lista de Exercícios 4) Explique para cada tratamento térmico: recozimento, normalização, têmpera e revenido: a) objetivo (finalidade) b) metodologia (temperatura de tratamento, encharque e velocidade de resfriamento c) Aplicações Teoria, tirar a apostila 5) Explique porque estes fatores influenciam as curvas do diagrama TTT? composição química ( teor de carbono e elemento de liga) tamanho do grão austenítico Teoria, tirar a apostila 6) Explique como a martensita da liga Fe-C é obtida através de um resfriamento rápido a partir da temperatura de austenitização, relacionando com o processo de saída do carbono de dentro da célula CFC (figura) para formar uma célula tetragonal de corpo centrado. Teoria, tirar a apostila

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 3. Lista de Exercícios 7) Usando o diagrama de transformação tempo-temperatura para uma liga de ferro-carbono composição eutetóide, especifique a natureza da microestrutura final (em termos de microconstituintes presentes) para uma pequena amostra que foi submetida aos seguintes tratamentos tempo-temperatura. Para cada caso, suponha que a amostra se encontra inicialmente a uma temperatura de 8000 C e que ela tenha sido mantida a essa temperatura por tempo suficiente para que atingisse uma completa e homogênea temperatura austenítica. a) Resfriamento rápido até 3000 C de 1 s, manutenção dessa temperatura por 103 s (isotérmico), seguido por um resfriamento lento por 104 s até temperatura ambiente. b) Resfriamento rápido até 6800 C, manutenção dessa temperatura por 104 s (isotérmico), seguido por um resfriamento lento por 105 s até temperatura ambiente. c) Resfriamento lento continuo até temperatura ambiente por 105 s.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 3. Lista de Exercícios a 50% bainita b c a b 100% perlita grossa c) 100% perlita grossa

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 3. Lista de Exercícios 8) Usando o diagrama de transformação tempo-temperatura para uma liga de ferro-carbono composição eutetóide, especifique a natureza da microestrutura final (em termos de microconstituintes presentes) para uma pequena amostra que foi submetida aos seguintes tratamentos tempo-temperatura. Para cada caso, suponha que a amostra se encontra inicialmente a uma temperatura de 8000 C e que ela tenha sido mantida a essa temperatura por tempo suficiente para que atingisse uma completa e homogênea temperatura austenítica. a) Resfriamento rápido continuo por 8 s até temperatura ambiente. b) Resfriamento rápido até 5750 C, manutenção dessa temperatura por 40 s, resfriamento lento até 2000 C. c) Resfriamento rápido até 4000 C até 1 s, manutenção dessa temperatura por 12 s, resfriamento rápido até 102 s até temperatura ambiente. d) Resfriamento rápido até 3000 C, manutenção dessa temperatura por 104 s, resfriamento lento até 105 segundos.

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 3. Lista de Exercícios a 100% martensita b 100% perlita fina b c 25% bainita superior+ 100% martensita a c d d 100% bainita inferior

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 3. Lista de Exercícios 9) Usando o diagrama de transformação tempo-temperatura para uma liga de ferro-carbono composição hipereutetóide de 1, 13%C , especifique a natureza da microestrutura final (em termos de microconstituintes presentes) para uma pequena amostra que foi submetida aos seguintes tratamentos tempo-temperatura. Para cada caso, suponha que a amostra se encontra inicialmente a uma temperatura de 8600 C e que ela tenha sido mantida a essa temperatura por tempo suficiente para que atingisse uma completa e homogênea temperatura austenítica. a) Cementita + perlita grossa b) Martensita 100% c) 50% Perlita fina + 100% bainita inferior

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 3. Lista de Exercícios a Resfriamento lento continuo até temperatura ambiente por 106 s. b Resfriamento rápido continuo por 0, 4 s até temperatura ambiente. a b c Resfriamento rápido até 6000 C por 0, 1 s, manutenção dessa temperatura por 1 s, resfriamento rápido até 2900 C, manutenção dessa temperatura por 104 s e resfriamento por 105 s até temperatura ambiente. c

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA Extra - Lista de Exercícios 10) Usando o diagrama de transformação tempo-temperatura para uma liga de ferro-carbono composição hip 0 reutetóide de 0, 35%C , especifique a natureza da microestrutura final (em termos de microconstituintes presentes) para uma pequena amostra que foi submetida aos seguintes tratamentos tempo-temperatura. Para cada caso, suponha que a amostra se encontra inicialmente a uma temperatura de 8500 C e que ela tenha sido mantida a essa temperatura por tempo suficiente para que atingisse uma completa e homogênea temperatura austenítica.

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UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 3. Lista de Exercícios 11) Identifique indicadas as microestruturas resultantes das seqüência de resfriamento

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 3. Lista de Exercícios 12) Identifique indicadas as microestruturas resultantes das seqüência de resfriamento

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 3. Lista de Exercícios 13) Coloque os aços abaixo por ordem decrescente de resistência: -0. 3 wt%C -0. 6 wt%C -0. 9 wt%C -1. 1 wt%C esferoidita perlita grosseira perlita fina perlita grosseira bainita martensita. . . . Resposta 1. 1 wt%C martensita 0. 9 wt%Cmartensita 0. 6 wt%C bainita 0. 6 wt%C perlita fina 0. 6 wt%C perlita grosseira 0. 3 wt%C esferoidita

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 3. Lista de Exercícios 14) Peças de um aço com 0, 77% C (eutectóide) são aquecidas durante 1 hora a 850 °C e depois são submetidas aos tratamentos térmicos da lista abaixo indicada. Usando o diagrama TTT-TI da figura determine a microestrutura das peças após cada tratamento. a) Têmpera em água até à temperatura ambiente b) Arrefecimento em banho de sais até 680 °C, manutenção durante 2 horas, seguida arrefecimento em água. c) Arrefecimento em banho de sais até 570 °C, manutenção durante 3 minutos, seguida arrefecimento em água. d) Arrefecimento em banho de sais até 400 °C, manutenção durante 1 hora, seguida arrefecimento em água. e) Arrefecimento em banho de sais até 300 °C, manutenção durante 1 minuto, seguida arrefecimento em água. f) Arrefecimento em banho de sais até 300 °C, manutenção durante 2 horas, seguida de arrefecimento em água. de de

UNIVERSIDADE PAULISTA - UNIP ENGENHARIA MECATRÔNICA, PRODUÇÃO E AERONÁUTICA 3. Lista de Exercícios a 100% martersita b 100% perlita grossa b c 100% perlita fina c d 100% bainita superior d e 50% bainita inferior + martensita f f 100% bainita inferior e a