MCM
1AP - MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA
CLASSIFICAÇÃO E
PROPRIEDADES DOS MATERIAIS
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Conteúdo da Apresentação:
• Classificação dos materiais
• Estruturas cristalina dos metais
• Propriedades físicas dos materiais
• Obtenção do ferro gusa e do ferro fundido
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Classificação dos materiais
Um grego chamado Demócrito sugeriu que toda matéria é composta de
pequenas partículas, que chamou de átomos.
Átomos…
Moléculas…
Materiais.
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Tabela periódica
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Classificação dos materiais
O que é um material?
Um material é um composto
predominantemente sólido e
homogêneo de substâncias que pode ser
usado na construção de peças
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Classificação dos materiais
Os materiais são predominantemente sólidos
A organização dos grupos de moléculas estabelecem o seu comportamento na natureza:
Estado sólido:
• Moléculas ou átomos agrupados que MANTÉM a FORMA após serem
moldados.
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Classificação dos materiais
Os materiais são homogêneos
Foto do
tecido
• Variadas substâncias diferentes.
• Mesmas propriedades em toda parte.
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Classificação dos materiais
Materiais
Não -Metálicos
Metálicos
Ferrosos
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Não Ferrosos
Sintéticos
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Naturais
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Materiais metálicos
• Formados por uma ou mais substâncias, onde predominam as metálicas
• Predominantemente brilhantes e resistentes;
• Têm alta densidade em relação aos demais (no mínimo, 2 kg / dm3);
• Normalmente obtidos através de minérios;
• Muito usados em construções mecânicas.
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Materiais não metálicos
•
Naturais:
madeira, couro, fibras, etc.
Acrílico
•
Artificiais ou sintéticos:
baquelite, celulóide, acrílico, etc.
- Materiais plásticos
Baquelite
Celulóide: marfim artificial
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Materiais metálicos ferrosos
METÁLICOS
FERROSOS
AÇOS
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FERROS
FUNDIDOS
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Materiais metálicos ferrosos
1.
Substância Predominante: FERRO - Fe
2.
Substância não predominante porém importante: CARBONO - C
3.
Usados desde a antiguidade
4.
De cores acinzentada até prateada
5.
Os mais usados na indústria mecânica
6.
Em sua maioria muito resistentes e fáceis de serem trabalhados.
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Materiais metálicos não ferrosos
METÁLICOS
NÃO FERROSOS
PESADOS
LEVES
Limite:
5kg/dm3
Ex.: Chumbo, Cobre
e Cromo
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Ex.: Alumínio e
Magnésio
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Materiais metálicos não ferrosos
São todos os demais materiais metálicos empregados na
construção mecânica.
• Metais pesados: (ρ >
5kg/dm3) cobre, estanho, zinco,
chumbo, platina, etc.
• Metais leves: (ρ < 5kg/dm3)
alumínio, magnésio, titânio, etc.
cobre
chumbo
utilizados em peças
sujeitas a oxidação
titânio
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alumínio
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Aços – Características Gerais
• Liga de Ferro (Fe) e Carbono (C), com o último tendo de 0 a 2,1% na
composição,
• Tem excelentes propriedades mecânicas: material tenaz, dúctil, de fácil
trabalho, podendo também ser forjável.
• De cor acinzentada até prateada
• 80% dos materiais usados na indústria
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Ferros Fundidos – Características Gerais
• Liga de Ferro e Carbono, com o último tendo de 2,1 a 6,67% na composição.
• Custo menor que o do aço, devido a facilidade de obtenção.
• De cores mais acinzentada, devido à grande quantidade de carbono.
• Sempre que possível, deve-se usá-lo ao invés do aço.
• Há basicamente 3 tipos: FoFo Cinzento, FoFo Branco e FoFo Maleável.
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Classificação dos materiais
MATERIAIS
METÁLICOS
NÂO-METÁLICOS
FERROSOS
NÃO-FERROSOS
NATURAIS
SINTÉTICOS
Aço
Al - Alumínio
Madeira
Vidro
Ferro fundido
Cu - Cobre
Couro
Cerâmica
Zn - Zinco
Borracha
Plástico
Mn - Magnésio
Pb - Chumbo
Sn -Estranho
Ti - Titânio
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Materiais de construção mecânica
Estrutura cristalina dos materiais
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Reticulados Cristalinos
• Cristal Metálico: átomos organizados num padrão
tridimensional bem definido, que se repete no espaço,
formando uma estrutura com uma geometria específica.
Tipos de
reticulado de
materiais
ferrosos:
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CCC:
CFC:
Cúbico de
corpo
centrado
Cúbico de
face
centrada
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Rede cúbica de faces centradas
Metais: Ni, Cu, Pb, Al e tipo de ferro que se chama ferro γ.
Fonte: Imagens adaptadas da publicação Telecurso Profissionalizante de mecânica, Materiais.
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Rede cúbica de corpo centrado
Metais: V, Cr, Mo, W e tipo de ferro que se chama ferro α.
Fonte: Imagens adaptadas da publicação Telecurso Profissionalizante de mecânica, Materiais.
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Hexagonal compacta
Metais: Mg, Zn, Cd, Ti. A dimensão da rede varia de tipo para tipo.
Fonte: Imagens adaptadas da publicação Telecurso Profissionalizante de mecânica, Materiais.
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Grão
• O grão é um aglomerado de reticulados cristalinos; a fronteira
entre grão se chama contorno de grão
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Formação do grão no resfriamento
• Algumas unidades de reticulado resfriam em pontos aleatórios do material.
• A quantidade de reticulados agrupados vai crescendo, o que faz surgir o que será
o grão, porém, ainda contornado por líquido.
• Finalmente, a porção líquida se acaba, todos os átomos se aglomeram em grãos,
determinando assim os contornos de grão.
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Materiais de construção mecânica
Propriedades dos Materiais
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Propriedades dos Materiais
Elasticidade
Fragilidade
Ductilidade
Tenacidade
Dureza
Resistência
Maleabilidade
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Propriedades dos Materiais
Elasticidade
Ao aplicar uma força em uma peça de
material elástico, ele se deforma. Porém,
ao cessar este esforço, a peça volta a ter
o seu formato inicial.
Ex.: Molas e Borracha
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Propriedades dos Materiais
Fragilidade
Ao sofrer um choque (impacto, aplicação de
esforço de curto período e repentina), uma
peça de material frágil tende a quebrar
(romper-se). Logo, os materiais frágeis, tem
baixa resistência aos choques.
Ex.: Vidros e Ferro Fundido
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Propriedades dos Materiais
Ductilidade / Plasticidade
É o oposto da Fragilidade. Ao sofrerem
impactos, peças de materiais dúcteis se
deformam e não se rompem. Para qualquer
força que sofra, essa peça não retorna ao seu
estado original: fica deformada.
Ex.: Cobre e Massa de modelar
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Propriedades dos Materiais
Tenacidade
É a propriedade mais apreciada em um M.C.M.
Uma peça de material tenaz é aquela que ao
sofrer grande esforço (impacto ou não), sofre
pouca deformação elástica e não se rompe
facilmente.
Ex.: Aços-liga e
Aços de Chave Allen
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Propriedades dos Materiais
Dureza
Pode ser chamada de resistência ao desgaste
ou à penetração. Essa propriedade aparece
naquelas peças que não podem ser
desgastadas ou deformadas na sua superfície.
Ex.: Aços-Ferramenta
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Plainar
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Fresar
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Propriedades dos Materiais
Resistência
É a oposição à mudança de forma. Um material
pode se opor bem à tração (ser “puxado”) e mal
ao cisalhamento (ser cortado).
Existem 6 tipos de resistência: Flexão,
Cisalhamento, Torção, Tração, Flambagem e
Compressão.
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Propriedades dos Materiais
Resistência
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Propriedades dos Materiais
Densidade
É a concentração de material em um
determinado volume. Um litro de água pesa 1
kg, mas nem todo líquido tem 1kg / litro. O
mesmo acontece com os materiais.
Unidades de medida: kg/dm3, g/dm3, kg/L
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Propriedades dos Materiais
Maleabilidade
Propriedade que permite que
um material seja transformado em
chapas ou lâminas.
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Materiais de construção mecânica
Obtenção dos materiais ferrosos
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Complexo siderúrgico
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Obtenção dos materiais ferrosos
• Minério de Ferro: extraído do solo, é obtido em formato de óxidos de ferro ou
carbonatos de ferro.
• Acompanha quartzo, argila, composto de enxofre, fósforo e manganês.
Minério
Designação
Fórmula
Porcentagem de
Ferro (%)
Magnetita
Óxido Ferroso
Férrico
Fe3O4
60 ~ 70
Hematita Roxa
Óxido de Ferro
Anidro
Fe4O3
40 ~ 60
Hematita parda ou
limonita
Óxido de Ferro
Hidratado
2Fe2O3 + 3H2O
20 ~ 45
Siderita
Carbonato de
Ferro
FeCO3
30 ~ 45
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Obtenção dos materiais ferrosos
Minérios
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Sinterização
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Sinterização
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Redução do Minério de Ferro no Alto Forno
• Após a limpeza do
minério (separar as
impurezas: argila e
quartzo), o minério de
ferro é britado (quebrado
em pedregulhos) e
compactado em briquetes
(tijolos)
• Em seguida, leva-se o
minério ao Alto Forno, um
equipamento com altura
de até 80 metros e
diâmetro de
aproximadamente 18
metros.
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•
No alto forno ocorre a redução do minério,
que significa tirar oxigênio dele
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Obtenção do ferro gusa líquido - Alto Forno
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ferro gusa líquido
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Como funciona o Alto Forno
Fundente
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• Oxigênio é prejudicial
– deve ser retirado
(redução).
• Ocorrem reações de
desoxidação do minério.
• Coque: Carvão Mineral
– fornece o carbono para
a redução.
• Calcário – desagrega o
fósforo, o silício e o
enxofre (parcialmente)
• Altas temperaturas Fundente
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Interior do alto forno
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Como funciona o Alto Forno
Os óxidos de ferro sofrem redução (o
oxigênio é eliminado do minério de ferro);
A ganga se funde (as impurezas do
minério se derretem);
O ferro-gusa se funde (torna-se líquido);
O carbono é incorporado ao ferro-gusa
líquido (o ferro-gusa sofre carbonetação);
Certos elementos da ganga são
parcialmente reduzidos (algumas impurezas
são incorporadas ao ferro-gusa líquido).
As reações de redução, carbonetação e
fusão geram dois produtos líquidos: a
escória e o ferro-gusa que são empurrados
para os lados pelos gases que estão subindo.
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Como funciona o Alto Forno
Ao sair do alto-forno, o ferro-gusa líquido é transportado por carros torpedos.
– fundição (para ser usado na fabricação de ferros fundidos);
– aciaria (na qual pode ser misturado com sucatas de aço ou com
outros metais, para se transformar em aço.
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Esquema do complexo industrial
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O que é o Ferro Gusa
O ferro gusa é uma liga de ferro com:
• 5 a 6% de Carbono
• 3% de Silício
• 6% de Manganês
• Altos teores de enxofre e fósforo (1~2%)
Suas características:
• O gusa é o pré-produto do ferro fundido e do aço.
• É muito frágil (quebradiço), não pode ser soldado nem forjado.
• Altos teores de enxofre e fósforo (1~2%).
• Não é usado como M.C.M., e sim para dar origem ao Aço e ao FoFo.
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Ferro Fundido – Obtenção
Feito na segunda fusão do Ferro Gusa em Forno Cubilot ou Forno
Elétrico (menos usado), o Ferro Fundido é uma liga com de 2,0 a 4,5%
de Carbono.
• Maioria da Carga de
Sucata de Aço (baixo
carbono na composição);
MATERIAL MAIS PURO E
COM MENOS CARBONO
• Lingotes de ferro Gusa
( FERRO FUNDIDO )
• Sucata de Ferro Fundido;
• Coque
• Fundente
PODE SER USADO
NA PRODUÇÃO DE
PEÇAS
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•MAIOR SOLDABILIDADE (CAPACIDADE
DE SER SOLDADO)
•MAIOR MOLDABILIDADE (CAPACIDADE
DE SER FUNDIDO)
•PONTO DE FUSÃO MENOR
•GRÃOS MAIS FINOS E UNIFORMES
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Ferro Fundido – Obtenção no Forno Cubilot
Forno Cubilot: Forno usado na segunda fusão do gusa, para se obter o FoFo
• Altura: aprox 8m
• Diâmetro interno: aprox 1m
• Parte interna revestida de material
refratário
• Parte externa revestida de aço
• Dutos próprios para a injeção de oxigênio
(redução de carbono)]
• Saída do Ferro Fundido liquefeito por
baixo
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Ferro Fundido – Obtenção no Forno Cubilot
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Ferro Fundido – Tipos e Características
Os tipos de Ferro fundido varia em função de como o carbono está combinado
na estrutura:
Combinado com o ferro, formando a CEMENTITA
Separado do ferro, formando VEIOS DE CARBONO - GRAFITE
Maior teor de:
Silício, com resfriamento mais lento
Mais Grafite
FoFos CINZENTOS
Manganês, com resfriamento mais rápido
Mais Cementita
FoFos BRANCOS e FoFos MALEÁVEIS
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Ferro Fundido Cinzento Lamelar
Apresenta veios de grafite na sua estrutura, dado o alto teor de silício e a baixa
velocidade de resfriamento
CARACTERÍSTICAS
Presença dos Veios de grafite de forma
de lamelas: FoFo LAMELAR
• Custo baixo
• Fácil fundição (baixa temperatura de fusão)
• Pouca contração na solidificação
• Baixa porosidade
• Boa usinabilidade
• Grande resistência à compressão e impacto
• Baixa resistência a tração
Usado na construção de
estruturas de máquinas
• Boa capacidade de deslizamento (grafite
lubrifica o contato)
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Ferro Fundido Cinzento Nodular
Obtido ao se adicionar ligas de magnésio na produção do FoFo Lamelar, as
lamelas se transformam em nódulos (ou glóbulos)
CARACTERÍSTICAS
Presença dos nódulos: FoFo
NODULAR
As mesmas do FoFo Lamelar, porém com
aumento de:
• Resistência a corrosão (agentes químicos)
• Resistência ao calor
• Resistência a tração, flexão e alongamento
E diminuição da resistência a compressão.
Usado na construção de tubos de grandes diâmetros para gás e água,
máquinas agrícolas, blocos de motores, bombas e turbinas.
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Ferro Fundido Branco ou Duro
Aqui, o carbono está ligado ao ferro em forma molecular. Essa molécula se
chama Cementita: Fe3C
CARACTERÍSTICAS
• Alta Dureza e Resistência ao desgaste
• Baixa resistência ao impacto
• Alta resistência a compressão
• Baixa usinabilidade
• Má capacidade de deslizamento (o carbono
não está solto na estrutura)
Usado em peças que necessitam de alta resistência ao desgaste, como
ferramentas de estampo, cilindros de laminação, pás de escavadeiras, etc.
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Ferro Fundido Maleável Branco
A partir da MALEABILIZAÇÃO, que consiste na retirada de carbono do FoFo branco
através de reações químicas com Óxidos de Ferro granulados, obtém-se o FoFo
Maleável ( queda de 4,0 para 1,5% C)
• A peça só é tratada em, no máximo, 15 mm
de espessura
• Peças espessas apresentam núcleo de
FoFo Branco, enquanto as pequenas, são
totalmente maleabilizadas
• No núcleo da peça espessa, as
características do FoFo Branco permanecem,
enquanto na superfície, a dureza diminui.
• Tem excelente fluidez quando líquido.
A maleabilização é feita quando se deseja que uma peça tenha uma
camada superficial (de até 12mm) com menos fragilidade.
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Processos de fundição
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Resumo
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Ferros Fundidos – Outras técnicas
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Velocidade de resfriamento varia
Tipo de FoFo altera-se.
•Na Produção de Rodeiros (rodas de trem), procura-se resfriar mais rapidamente
a região externa da peça e mais lentamente o centro. Isso faz com que a periferia
da peça seja de FoFo Branco e o centro seja de FoFo Cinzento.
•Ao recozer (fazer o recozimento, que é um tratamento térmico) o FoFo Branco, a
Cementita se decompõem em grafite e ferro puro (ou quase). Isso maleabiliza a
peça toda. Obtém-se o que chamamos de FoFo Maleável Preto.
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Aplicações dos Ferros Fundidos
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Aplicações dos Ferros Fundidos
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Aplicações dos Ferros Fundidos
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Aplicações dos Ferros Fundidos
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Materiais de construção mecânica
Obtenção do aço
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Forno compressor Bressemer
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Forno compressor Thomas
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Processo Bressemer e Thomas / Bressemer
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Conversor a oxigênio - LD
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Representação esquemática de um forno
Siemens-Martin
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Forno a arco elétrico
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Forno por indução
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Resumo: Principais meios de se obter
FoFo e Aço
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Elementos de liga
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Elementos de liga
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Elementos de liga
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Elementos de liga
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