Projeto de Máquinas: Uma abordagem integrada

Autor(es): Norton, Robert L.
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Livro baseado na longa experiência do professor em sala de aula, oferece na primeira parte os principais conceitos da disciplina. Os vários tópicos são então unidos, na segunda parte, por meio de estudos de caso. Conta com CD com diferentes programas de computador e modelos que facilitam o entendimento do assunto.

21 capítulos

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Capítulo 1 - Introdução ao projeto

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1

INTRODUÇÃO AO

PROJETO

Aprendizado sem reflexão é trabalho perdido; reflexão sem aprendizado é perigoso.

CONFÚCIO, SÉCULO VI a.C.

1.1

PROJETO

O que é projeto, ou “design”§? O papel de parede é criado (“designed”). Você pode estar usando roupas de um estilista (“designer”). Os automóveis são desenhados (“designed”) em termos de sua aparência externa. O termo projeto (“design”) claramente engloba uma grande variedade de significados. Nos exemplos acima, “design” refere-se principalmente à aparência estética do objeto. No caso do automóvel, tudo com relação a seus outros aspectos envolve projeto. Suas peças mecânicas (motor, freios, suspensão, etc.) devem ser projetadas por engenheiros, não desenhadas por artistas, muito embora o engenheiro consiga expressar sua arte quando está projetando peças mecânicas.

A palavra “design” provém da palavra latina designare, que significa “designar ou escolher”. O dicionário Webster oferece várias definições da palavra design, a mais aplicável delas é “esboçar, traçar ou planejar como ação ou trabalho (...) para conceber, inventar, produzir”. Estamos mais preocupados aqui com o projeto de engenharia do que com o desenho artístico. Projeto de engenharia pode ser definido como: “O processo de aplicação das várias técnicas e princípios científicos com o intuito de definir um dispositivo, um método ou um sistema suficientemente pormenorizado para permitir sua realização”.

 

Capítulo 2 - Materiais e processos

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2

MATERIAIS E PROCESSOS

Não existe assunto tão antigo que não se possa dizer algo novo sobre ele.

DOSTOIÉVSKY

2.0

INTRODUÇÃO

O que quer que se projete, tem que ser feito de algum material e deve ser possível fabricá-lo. Uma sólida compreensão das propriedades, dos tratamentos e dos processos de fabricação dos materiais é essencial para se realizar bons projetos de máquinas. Presume-se que o leitor já tenha cursado uma disciplina em ciência dos materiais. Este capítulo apresenta uma rápida revisão de alguns conceitos metalúrgicos básicos e um breve resumo das propriedades dos materiais utilizados na engenharia para servir de suporte para o conteúdo que o seguirá. Este capítulo não tem a intenção de substituir um livro sobre ciência dos materiais, sendo o leitor incentivado a consultar referências, como as listadas na bibliografia deste capítulo, para informações mais detalhadas. Os capítulos posteriores deste livro explorarão mais detalhadamente algumas das formas comuns de falha dos materiais.

 

Capítulo 3 - Determinação das solicitações

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3

DETERMINAÇÃO DAS

SOLICITAÇÕES

Se um construtor fez uma casa para um homem, mas seu trabalho não é forte e a casa desmorona, matando o dono da casa, esse construtor deve ser morto.

– DO CÓDIGO DE HAMURABI, 2150 a.C.

3.0

INTRODUÇÃO

Este capítulo apresenta uma revisão dos fundamentos de análise de forças dinâmicas e estáticas, forças de impacto e carregamento em vigas. Presume-se que o leitor já tenha tido disciplinas de estática e dinâmica. Assim, este capítulo apresenta apenas uma revisão breve e geral desses tópicos, mas também fornece técnicas mais poderosas de solução, como o uso de funções de singularidade para o cálculo de vigas. O método de solução newtoniano é revisto e alguns exemplos de estudos de caso são apresentados para reforçar o entendimento no assunto. Os estudos de caso serão aprofundados em capítulos posteriores, quando serão feitas análises de tensões, deformações e falha nos mesmos sistemas.

A Tabela 3-0 mostra as variáveis usadas neste capítulo, indicando as equações, as seções ou os estudos de caso onde são encontrados. Ao final do capítulo,

 

Capítulo 4 - Tensão, deformação e deflexão

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4

TENSÃO, DEFORMAÇÃO

E DEFLEXÃO

Não é conhecer muito, mas o que é útil, que torna um homem sábio.

THOMAS FULLER, M.D.

4.0

INTRODUÇÃO

Você provavelmente já cursou uma disciplina de análise de tensões (talvez chamada de Resistência dos Materiais ou Mecânica dos Materiais) e, portanto, deve entender os fundamentos desse assunto. Entretanto, este capítulo apresenta uma revisão dos princípios básicos, de modo a servir de preparação prévia para o tópico de análise de fadiga dos capítulos posteriores. Tensão e deformação foram discutidas no Capítulo 2 com relação às propriedades dos materiais, mas foram parcialmente definidas naquela conjuntura. Neste capítulo, apresentaremos uma definição mais precisa sobre o que significam os termos tensão, deformação e deflexão.

A Tabela 4-0 mostra as variáveis utilizadas neste capítulo e faz referência

às equações, tabelas ou seções nas quais elas são usadas. No final do capítulo, uma seção de resumo é incluída, a qual agrupa as equações significativas deste capítulo para fácil referência e identifica a seção na qual podem ser encontradas.

 

Capítulo 5 - Teoria das falhas estáticas

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5

TEORIA DAS FALHAS

ESTÁTICAS

Toda ciência nada mais é que o refinamento de pensamentos cotidianos.

ALBERT EINSTEIN

5.0

INTRODUÇÃO

Por que as peças falham? Essa é uma pergunta que tem ocupado cientistas e engenheiros por séculos. Hoje em dia, compreende-se muito mais sobre vários mecanismos de falha do que algumas décadas atrás, em grande parte devido a testes e técnicas de medições aperfeiçoados. Se a você fosse pedido para responder a pergunta acima baseado no que aprendeu até agora, você provavelmente diria algo como “peças falham porque suas tensões excederam sua resistência”, e você estaria certo até certo ponto. A pergunta subsequente é fundamental: que tipo de tensão causa a falha: Tração? Compressão? Cisalhamento? E a resposta

é a clássica, “depende”. Depende do material em questão e da sua relativa resistência na compressão, na tração e no cisalhamento. Também depende do tipo de carregamento (se estático ou dinâmico) e da presença ou não de trincas no material.

 

Capítulo 6 - teorias de falha por fadiga

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6

TEORIAS DE FALHA

POR FADIGA

A ciência é uma peça de mobília de primeira qualidade para o andar superior de um homem, se ele tiver bom senso no térreo.

OLIVER WENDELL HOLMES

6.0

INTRODUÇÃO

A maioria das falhas em máquinas acontece devido a cargas que variam no tempo, e não a esforços estáticos. Essas falhas ocorrem, geralmente, em níveis de tensão significativamente inferiores aos valores da resistência ao escoamento dos materiais. Assim, a utilização única das teorias de falha estática do capítulo anterior pode levar a projetos sem segurança quando as solicitações são dinâmicas.

A Tabela 6-0 mostra as variáveis utilizadas neste capítulo e faz referência

às equações, tabelas ou seções nas quais elas são usadas. No fim do capítulo, é fornecido um resumo que também reúne as equações mais significativas do capítulo para facilitar a consulta e identifica a seção do capítulo correspondente à discussão da equação desejada.

História da falha por fadiga

 

Capítulo 7 - Falha superficial

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7

FALHA SUPERFICIAL

Use-o até o fim, gaste-o completamente; faça-o fazer, ou faça sem ele.

MÁXIMA DA NOVA INGLATERRA

7.0

INTRODUÇÃO

Existem apenas três maneiras segundo as quais peças ou sistemas podem “falhar”: obsolescência, quebra ou desgaste acentuado. O meu velho computador ainda funciona bem, mas está obsoleto e não serve mais para mim. O vaso favorito da minha esposa está em pedaços, pois eu o deixei cair no chão, e é irrecuperável. No entanto, meu automóvel com 123.000 milhas rodadas ainda é aproveitável e útil, apesar de mostrar alguns sinais de desgaste. A maior parte dos sistemas está sujeita aos três tipos possíveis de falha. A falha por obsolescência é de alguma maneira arbitrária – minha meta está agora fazendo bom uso do velho computador. A falha por quebra é frequentemente repentina e pode ser permanente. A falha por desgaste geralmente é um processo gradual e, em alguns casos, reparável. Em último caso, qualquer sistema que não seja vítima de um dos dois outros modos de falha irá inevitavelmente falhar por desgaste se mantido em serviço por um tempo suficientemente longo. Desgaste é o modo final de falha ao qual nada escapa. Assim, deve-se perceber que não se pode projetar para evitar completamente todos os tipos de desgaste, somente adiá-los.

 

Capítulo 8 - Análise por elementos finitos

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8

ANÁLISE POR ELEMENTOS

FINITOS

Se você colocar lixo em um computador, nada sairá além de lixo. Mas esse lixo, tendo passado por uma máquina cara, é, de alguma forma, enobrecido, e ninguém se atreve a criticá-lo.

ANÔNIMO

8.0

INTRODUÇÃO

Todas as análises de tensões e deflexão apresentadas nos capítulos anteriores foram resolvidas utilizando técnicas clássicas de solução analítica, que são o foco principal deste livro. Essas técnicas são principalmente aplicáveis em componentes de geometria simples, como cilindros, prismas retangulares, etc. Contudo, muitos componentes de máquinas têm formas geométricas mais complexas, tornando o cálculo de tensões e deflexão difícil ou mesmo impossíveis de ser feito pelo método analítico. Considere, por exemplo, a complexa forma do virabrequim mostrado na Figura 2-14. Para analisar as tensões e a deflexão em uma peça com tal complexidade, pode-se dividir o seu volume em um conjunto finito de elementos contíguos e discretos e resolver um conjunto (grande) de equações, cada uma das quais aplicadas sobre um elemento e seus nós, que conectam os elementos entre si. A Figura 8-1 mostra os modelos para elementos finitos de um virabrequim, um pistão e uma biela de motor.

 

Capítulo 9 - Estudos de caso de projeto

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9

ESTUDOS DE CASO DE

PROJETO

Aqui, o conhecimento de homem algum pode ir além de sua experiência.

JOHN LOCKE

9.0

INTRODUÇÃO

Este capítulo introduzirá e apresentará diversos estudos de caso de projeto em escala maior que aqueles apresentados nos capítulos anteriores. Esses estudos de caso serão usados até o final do livro para ilustrar a aplicação do processo de projeto para vários aspectos de cada problema de projeto. Em cada capítulo subsequente se explorará um elemento diferente, como eixos, engrenagens, molas, etc., que são encontrados em geral em maquinarias. Essa coleção de elementos não pode ser exaustiva, mas ela ilustrará a maneira como os princípios da primeira parte do livro podem ser aplicados a problemas práticos de projeto. Os elementos de máquina selecionados para estudo foram escolhidos parte por causa de seu uso comum e parte por causa de sua capacidade de exemplificar alguns dos critérios de projeto e falha discutidos na Parte I do livro. A Tabela 9-0 mostra as variáveis usadas neste capítulo e faz referência aos casos típicos em que elas são usadas.

 

Capítulo 10 - Eixos, chavetas e acoplamentos

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10

EIXOS, CHAVETAS E

ACOPLAMENTOS

Quanto mais aumenta o nosso conhecimento, mais a nossa ignorância se evidencia.

JOHN F. KENNEDY

10.0

INTRODUÇÃO

Eixos de transmissão, ou simplesmente eixos, são usados em praticamente todas as partes de máquinas rotativas para transmitir movimento de rotação e torque de uma posição a outra. Assim, o projetista de máquinas está frequentemente envolvido com a tarefa de projeto de eixos. Este capítulo explorará alguns dos problemas comuns encontrados nesta tarefa. A Tabela 10-0 mostra as variáveis usadas neste capítulo e aponta as equações e seções em que elas aparecem.

No mínimo, um eixo tipicamente transmite torque de um dispositivo de comando (motor elétrico ou de combustão interna) através da máquina. Às vezes, os eixos incluem engrenagens, polias ou catracas, que transmitem o movimento rotativo via engrenagens acoplantes, correias ou correntes de eixo a eixo. O eixo pode ser uma parte integral do acionador, como um eixo de motor ou eixo manivela, ou ele pode ser um eixo livre conectado a seu vizinho por algum tipo de acoplamento. Máquinas de produção automatizada frequentemente possuem eixos em linha que se estendem pelo comprimento da máquina (10 m ou mais) e levam a potência para todas as estações de trabalho. Os eixos são montados em mancais, em uma configuração biapoiada (montagem de sela), em balanço ou saliente, dependendo da configuração da máquina. Os prós e os contras dessas montagens e arranjos de acoplamento serão também discutidos.

 

Capítulo 11 - Mancais de rolamento e lubrificação

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11

MANCAIS DE ROLAMENTO

E LUBRIFICAÇÃO

O conhecimento do homem é semelhante

às águas, algumas caem do alto e algumas brotam do chão.

FRANCIS BACON

11.0

INTRODUÇÃO

Usamos o termo mancal aqui no sentido mais geral. Sempre que duas partes têm movimento relativo, elas constituem um mancal por definição, sem levar em conta sua forma ou configuração. Normalmente, precisa-se de lubrificação em qualquer mancal para reduzir o atrito e remover o calor. Os mancais podem rolar, escorregar ou fazer ambos simultaneamente.

Um mancal plano é formado por dois materiais quaisquer que se esfregam entre si, como uma camisa ao redor de um eixo ou uma superfície plana sob uma parte que escorrega. No caso de um mancal plano, uma das partes móveis geralmente será de aço, ferro fundido ou algum outro material estrutural a fim de atingir a resistência e a dureza requeridas. Por exemplo, eixos de transmissão, elos e pinos estão nessa categoria. As partes contras as quais eles se movem normalmente são feitas de um material “de apoio” como bronze, babbitt ou um polímero não metálico. Um mancal plano radial pode ser bipartido para montá-lo no eixo, ou pode ser um círculo completo chamado de bucha. Um mancal axial suporta carga axial.

 

Capítulo 12 - Engrenagens cilíndricas retas

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12

ENGRENAGENS

CILÍNDRICAS RETAS

O começo da sabedoria consiste em chamar as coisas por seus nomes corretos.

PROVÉRBIO CHINÊS

Tim era tão instruído que sabia dizer a palavra cavalo em nove idiomas: tão ignorante que comprou uma vaca para cavalgar.

BENJAMIN FRANKLIN

12.0

INTRODUÇÃO

Engrenagens são usadas para transmitir torque e velocidade angular em uma ampla variedade de aplicações. Há também uma grande variedade de tipos de engrenagem para escolher. Este capítulo tratará do tipo mais simples de engrenagem, a engrenagem cilíndrica reta, projetada para operar com eixos paralelos e tendo dentes paralelos ao eixo de coordenadas do eixo. Outros tipos de engrenagens como helicoidais, cônicas e sem-fim podem acomodar eixos não paralelos. Estes serão tratados no próximo capítulo.

As engrenagens, hoje em dia, são altamente padronizadas com relação

à forma do dente e ao tamanho. A American Gear Manufacturers Association

(AGMA) apoia a pesquisa sobre o projeto, os materiais e a manufatura de engrenagens e publica padrões para seu projeto, manufatura e montagem.[1, 2, 3] Seguiremos os métodos AGMA e as recomendações definidas naqueles padrões.

 

Capítulo 13 - Engrenagens helicoidais, cônicas e sem-fim

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13

ENGRENAGENS

HELICOIDAIS, CÔNICAS E

SEM-FIM

Ciclos e epiciclos, órbita em órbita...

JOHN MILTON, PARAÍSO PERDIDO

13.0

INTRODUÇÃO

O Capítulo 12 explorou os tópicos de engrenagens retas ou de dentes retos detalhadamente. Há engrenagens disponíveis em muitas outras configurações de dentes para aplicações específicas. Este capítulo apresentará uma breve introdução ao projeto de engrenagens helicoidais, cônicas e sem-fim. A complexidade do problema de projeto aumenta significativamente quando essas formas de dente de engrenagem mais complicadas são usadas. A American Gear Manufacturers

Association (AGMA) apresenta dados detalhados e algoritmos para o cálculo delas. Basearemos esta apresentação nas recomendações da AGMA, mas não poderemos dar um tratamento completo deste tema complexo no espaço disponível aqui. Recomendamos que o leitor consulte as normas da AGMA para mais informações quando confrontado com um problema verdadeiro de projeto envolvendo engrenagens. A Tabela 13-0 lista as variáveis usadas neste capítulo e indica a seção ou equação na qual elas aparecem. Um resumo e uma lista das equações importantes aparecem no fim do capítulo.

 

Capítulo 14 - Projeto de molas

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14

PROJETO DE MOLAS

Não saber é ruim; não querer saber é pior.

PROVÉRBIO NIGERIANO

14.0

INTRODUÇÃO

Praticamente qualquer parte feita de um material elástico possui alguma “mola” dentro de si. O termo mola no contexto deste capítulo se refere a partes construídas em configurações particulares para prover um intervalo de força dentro de um espaço significativo de deflexão e/ou para armazenar energia potencial.

Molas são projetadas para prover uma força de tração, compressão ou um torque, ou principalmente para guardar energia, e podem ser dividas nessas quatro categorias gerais. Dentro de cada categoria, muitas configurações de molas são possíveis. Molas podem ser feitas de fio redondo ou retangular dobrado em alguma forma adequada como de espira, ou de uma barra plana carregada como uma viga. A foto de abertura deste capítulo mostra algumas configurações de molas. Muitas configurações padronizadas para molas estão disponíveis como itens de estoque em catálogos de fabricantes de molas. É geralmente mais econômico para o projetista utilizar uma mola de catálogo, se possível. Algumas vezes, contudo, a tarefa requer uma mola projetada segundo as necessidades do cliente. Essas molas podem desenvolver funções secundárias, como localização ou montagem de componentes. Em todos casos, o projetista deve entender e utilizar apropriadamente a teoria de molas a fim de que possa especificar ou projetar a peça. A Tabela 14-0 define as variáveis utilizadas neste capítulo e faz referência

 

Capítulo 15 - Parafusos e fixadores

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15

PARAFUSOS E FIXADORES

Por falta de um prego, a ferradura se perde; por falta de uma ferradura, o cavalo se perde; e, por falta de um cavalo, o cavaleiro se perde.

GEORGE HERBERT

15.0

INTRODUÇÃO

As “porcas e parafusos” presentes em um projeto podem parecer um de seus aspectos menos interessantes, mas são, na verdade, um dos mais fascinantes. O sucesso ou falha de um projeto pode depender da seleção apropriada e uso de fixadores. Além disso, o projeto e a manufatura de juntas é um negócio grande e representa parte significativa da nossa economia. Literalmente milhares de diferentes projetos de juntas são oferecidos pelos vendedores e milhares a milhões de juntas são utilizadas em uma montagem complexa como um automóvel ou avião.

O Boeing 747 utiliza aproximadamente 2,5 milhões de juntas, algumas das quais custam muitos dólares.[1]

Há uma imensa variedade de fixadores disponíveis comercialmente, desde os pares parafuso-porca comuns até dispositivos múltiplos para rápida liberação de painéis ou para aplicações envolvendo junções escondidas. A Figura 15-1 é uma amostra da variedade disponível. Não podemos cobrir todas essas variedades em um capítulo. Livros completos foram escritos sobre junções e alguns deles aparecem na bibliografia deste capítulo. Limitaremos nossa discussão ao dimensionamento e seleção de fixadores convencionais como parafusos de porca, parafusos sem porca, porcas, etc., utilizados em aplicações envolvendo projeto de máquinas nas quais cargas e tensões significativas são encontradas.

 

Capítulo 16 - Soldagem

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16

SOLDAGEM

Para inventar, você precisa de uma boa imaginação e de um monte de lixo.

THOMAS A. EDISON

16.0

INTRODUÇÃO

Soldagens (ou conjuntos soldados) são utilizadas em muitas aplicações, como estruturas e componentes de máquinas, edifícios, pontes, navios, veículos, equipamentos de construção (motoniveladoras, pás carregadeiras, etc.) e muitos outros sistemas. Nosso foco será no seu uso como projeto de máquinas, não em elementos estruturais como edifícios e pontes, embora os princípios do projeto de uniões soldadas sejam similares entre essas aplicações. Também não abordaremos os vasos de pressão soldados operando a altas temperaturas e que sofram corrosão.

A ASME publica normas detalhadas para essas aplicações.

Meio século atrás, as estruturas de máquinas eram comumente construídas com ferro fundido cinzento, que apresenta um bom amortecimento. Atualmente é muito comum ver máquinas com estruturas de aço soldadas. Uma razão para esta mudança é a rigidez superior do aço sobre o ferro fundido (30E6 psi contra 16E6 psi). Uma estrutura de aço pode ser mais leve e ter a mesma rigidez do que outra em ferro fundido ou ter o mesmo peso e ser muito mais rígida.

 

Capítulo 17 - Embreagens e freios

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17

EMBREAGENS E FREIOS

Um livro grande é um grande aborrecimento.

CALLIMACHAS, 260 A.C.

17.0

INTRODUÇÃO

Embreagens e freios são essencialmente o mesmo dispositivo. Cada um deles provê uma conexão de atrito magnética, hidráulica ou mecânica entre dois elementos. Se os elementos conectados podem rodar, então é chamada de embreagem. Se um dos elementos roda, enquanto o outro é fixo, é chamada de freio.

Uma embreagem fornece então uma conexão que se pode interromper entre dois eixos que rodam, como, por exemplo, o eixo de manivelas de um motor de automóvel e o eixo de entrada de sua transmissão. Um freio fornece uma conexão não permanente entre um elemento que roda e um plano de chão que não roda, como, por exemplo, a roda de um automóvel e seu chassi. O mesmo dispositivo pode ser utilizado tanto como embreagem quanto como freio, fixando o seu elemento de saída a um eixo que pode rodar ou fixando-o ao chão.

Freios e embreagens são utilizados extensivamente em máquinas de produção de todos os tipos, não apenas em aplicações envolvendo veículos nos quais são necessários para parar o movimento e permitir que o motor de combustão interna possa continuar rodando (marcha lenta) quando o veículo está parado.

 

Apêndice A - Propriedades dos materiais

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APÊNDICE

PROPRIEDADES DOS

MATERIAIS

As tabelas a seguir contêm valores aproximados para as resistências e outras especificações de uma variedade de materiais de engenharia compilados de várias fontes. Em alguns casos, os dados são valores mínimos recomendados e, em outros casos, eles são obtidos de um único corpo de ensaio. Esses dados são apropriados para uso em exercícios de engenharia contidos neste texto, mas não devem ser considerados como representações estatisticamente válidas de especificações para qualquer liga ou material. O projetista deve consultar os fabricantes de materiais para informações mais precisas e atualizadas da resistência de materiais usadas em aplicações de engenharia, ou conduzir testes independentes dos materiais selecionados para determinar a conveniência definitiva deles para qualquer uso.

Mais informações sobre propriedades de materiais estão disponíveis na web.

Alguns sites úteis são: http://www.matweb.com http://metals.about.com

 

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