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Capítulo
2
2. Ciência e Tecnologia dos Materiais de Engenharia 2.1.
Introdução Muitos engenheiros de aplicação irão alguma vez ter que se defrontar com um
problema de projeto envolvendo materiais. Exemplos podem ser as engrenagens de uma transmissão, a superestrutura de um edifício, um instrumento de uma refinaria de petróleo ou a construção de um circuito integrado. Muitas vezes o problema é a seleção do material correto dentre os milhares disponíveis. Existem muitos critérios em que a decisão de escolha pode ser feita. O primeiro a ser feito é o reconhecimento das condições de operação que definirão as propriedades requeridas para o material. Somente em raros casos um determinado material possui a combinação ideal de propriedades. Assim, pode ser necessário ter que negociar algumas características por outras.
Um exemplo clássico envolve a resistência mecânica e a ductilidade;
normalmente um material que possui uma alta resistência mecânica tem a sua ductilidade bastante limitada.
Nesses casos deve haver um compromisso razoável
entre dois ou mais propriedades se for necessário. Um outro critério de seleção são as deteriorações das propriedades do material que possam ocorrer durante a operação.
Por exemplo, poderá haver uma redução
considerável da resistência mecânica pela exposição a temperaturas elevadas ou a ambientes corrosivos. O último critério, provavelmente o mais importante, é de ordem econômica: qual o custo final do produto?
Um material pode apresentar o conjunto ideal de
propriedades, porém com custo proibitivo.
Aqui também, algum compromisso será
inevitável. O custo do dispositivo acabado inclui qualquer gasto incluído durante a fabricação para produzir a forma desejada.
Descobrindo a Engenharia: Energia e Materiais
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Classificação dos materiais Os materiais de engenharia podem ser classificados convenientemente
agrupados em três classificações básicas: metais, cerâmicas e polímeros.
Esta
classificação
Metais
Madeiras
Plásticos
Adesivos
Compósitos
2.3.
Os Metais Alguns dos metais mais comuns usados nos projetos de engenharia são: ferro
fundido, aços, titânio, alumínio, cobre, latão e magnésio.
2 .3 .1 .
Os ferros fundidos
Todos os ferros fundidos consistem de mais de 2% de carbono na sua constituição.
O alto conteúdo de carbono faz com que este material seja excelente
para uso em fundição e com temperaturas bem inferiores que as necessárias para fundir os aços. Eles também possuem melhores características de fluência quando em estado de fusão, facilitando o preenchimento do molde.
O ferro fundido cinza,
comumente usado na engenharia, é quebradiço e não muito dúctil.
Ele pode ser
processado de forma relativamente fácil, entretanto é difícil de ser soldado. Os ferros fundidos são usados em muitas aplicações como, por exemplo, blocos de motor e engrenagens.
Vantagens
Boa resistência à corrosão que os aços na maioria dos ambientes
Resistência mecânica elevada em compressão
Fácil de fundir e moldar
Desvantagens
Bastante quebradiço
Difícil de soldar
2 .3 .2 .
Os Aços
O aço é o material mais usado na Engenharia. O aço é uma liga de ferro e carbono, onde a proporção de carbono tem muita influência nas propriedades do aço. O conteúdo de carbono no aço pode ser qualquer valor entre 0.08% e 2%. Existem Descobrindo a Engenharia: Energia e Materiais
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várias ligas de aços disponíveis, sendo as famílias principais a dos aços carbono e os aços inoxidáveis.
O AÇO CARBONO Os aços carbono são definidos como ligas de ferro com conteúdo de no máximo 2% de carbono e nenhuma outra quantidade apreciável de outro elemento de liga. O aço carbono chamado de “aço doce” ou “aço de baixo carbono” é aquele com conteúdo de carbono de menos de 0.25%. Os aços carbono são os tipos mais fabricados e são usados em uma grande variedade de aplicações.
Tipicamente os aços carbono são rígidos e fortes.
Eles
bembém apresentam o fenômeno do ferromagnetismo (i.e. são magnetizáveis). Essa característica permite o seu uso intensivo em motores e em aplicações elétricas. A solda de ações carbono com conteúdo de carbono maior que 0.3% requer que sejam tomadas precauções especiais. Mesmo assim, a solda de aços carbono é bem mais fácil que a solda do aço inoxidável. A resistência à corrosão dos aços carbono é bastante pobre e por isso não podem ser usados em ambientes corrosivos a menos que seja feito algum tipo de recobrimento superficial.
Vantagens
Baratos
Disponível em vários tipos com diferentes propriedades
Rigidez elevada
Apresentam propriedades magnéticas
Os aços carbono são fáceis de serem processados pelas máquinas ferramentas e são fáceis de soldar.
Desvantagens
Baixa resistência à corrosão (oxidam facilmente)
AÇOS INOXIDÁVEIS O aço inoxidável é uma liga de aço com cromo e outros elementos.
Essa
mistura resulta num aço com melhor resistência à corrosão. Um aço inoxidável tem pelo menos 10.5% de conteúdo de cromo. A resistência à corrosão dos aços inoxidáveis é somente efetiva em ambientes oxidantes. Quando exposto a ácidos, a resistência à corrosão do aço inoxidável não é melhor que a dos aços carbono.
Enquanto a resistência do aço inoxidável em
atmosferas corrosivas ser excelente, a presença de cloretos (por exemplo, em climas oceânicos ou em água salgada) pode ocasionar a ocorrência de pontos de oxidação.
Vantagens Descobrindo a Engenharia: Energia e Materiais
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Resistência à corrosão elevada em ambientes oxidantes
Desvantagens
Custo elevado
Material difícil de ser trabalhado com máquinas ferramenta
Difícil de ser soldado
2 .3 .3 .
O Titânio
O titânio é um metal relativamente abundante na natureza, porém o processo necessário para extraí-lo é muito complexo e caro. O titânio pode ser usado como metal puro ou como liga com outros metais tais como estanho, cromo, cobre e outros. O titânio é utilizado em situações onde são importantes as suas boas propriedades de peso leve e boa resistência à corrosão. O titânio pesa mais ou menos a metade do aço, entretanto com propriedades mecânicas melhore que muitos aços. O titânio é muito mais rígido que outros materiais leves tais como o alumínio e o magnésio. A propriedade de resistência à corrosão do titânio e das suas ligas é excelente. A resistência do titânio à água do mar e a outras soluções baseadas em cloretos é muito boa. Em geral, o titânio é mais resistente à corrosão que o aço inoxidável. Trabalhar o titânio pode apresentar alguns problemas. Para usinar e perfurar o titânio devem ser tomados cuidados especiais e as ferramentas de corte devem ser mantidas afiadas. A solda do titânio não pode ser efetuada ao ar livre; ela deve ser feita usando solda TIG13 porque o titânio fundido reage com o oxigênio, nitrogênio e hidrogênio tornando o metal mais frágil. A fundição do titânio requer o uso de fornos especiais à vácuo para assegurar que o metal não reagirá com a atmosfera. O titânio é utilizado em aplicações tais como componentes de aviões e em tanques de armazenamento de produtos químicos corrosivos.
Vantagens
Alta relação resistência/peso (forte e leve)
Resistência à corrosão muito elevada
Desvantagens
Material de custo elevado
Os processos de conformação e junta do titânio são caros e complexos
Muito caro para fundir
13
TIG: Tungsten Inert Gás – Soldagem com eletrodo de tungstênio (wolfrâmio) em atmosfera de gás inerte. Descobrindo a Engenharia: Energia e Materiais
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O Alumínio
O alumínio é o metal mais abundante do nosso planeta.
Entretanto, o
alumínio é extraído principalmente da bauxita14 através de um processo eletrolítico. O processo de extração é relativamente caro porque são requeridas grandes quantidades de eletricidade. Não é comum o uso de alumínio puro como material de engenharia, sendo esse normalmente misturado com pequenas quantidades de manganês, silício, cobre, magnésio ou zinco para formar ligas com maior resistência mecânica. O alumínio é um material muito leve com uma excelente relação força/peso. Ele é fácil de trabalhar e de conformar. O alumínio também possui um mecanismo próprio de resistência à corrosão. Quando o alumínio é exposto ao ar forma-se uma dura camada de óxido na sua superfície isolando o metal do meio ambiente.
Vantagens
Peso relativamente leve (2990 kg/m3)
Boa resistência à corrosão devido a uma fina camada de óxido de alumínio que se forma na superfície externa do material. O alumínio é uma escolha quando o problema é a corrosão atmosférica.
Boa condutividade térmica e elétrica
Desvantagens
Custo relativamente elevado quando comparado ao aço.
2.3.5.
O Cobre e o Latão
O cobre é um metal marrom avermelhado muito utilizado em aplicações onde é necessária alta condutividade elétrica.
O cobre é dúctil e pode ser facilmente
conformado, porém tem limitações na sua resistência mecânica não podendo ser usado em aplicações de engenharia estrutural. Um dos principais usos do cobre é em fios elétricos. O cobre pode ser facilmente soldado usando soldadura de prata. O latão é uma liga de cobre e zinco. É mais duro que o cobre e apresenta uma cor amarelada e perde o seu brilho rapidamente. O latão pode ser facilmente fundido e usinado e é usado principalmente em equipamentos elétricos e em ornamentos.
2 .3 .6 .
O Magnésio
O magnésio é um metal abundante no planeta, entretanto a sua extração e purificação requer o uso de processos eletrolíticos bastante onerosos. A principal vantagem do magnésio é de ser um dos metais de engenharia mais leves disponível. Essa característica leva a uma relação resistência mecânica/peso muito elevada. Devido ao valor relativamente baixo de resistência á tensão do 14
Bauxita: hidróxido de alumínio. Descobrindo a Engenharia: Energia e Materiais
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magnésio puro, ele é usualmente usado como uma liga de alumínio, manganês ou de zinco. Pelo seu baixo peso ele é muito usado em aplicações da indústria aeronáutica e aeroespacial.
Entretanto, o uso do magnésio é limitado devido a que a resistência
mecânica do alumínio é bastante similar e com custo de quase a metade, além do magnésio ser mais frágil que a maioria das ligas de alumínio. A resistência à corrosão do magnésio é razoável, sendo melhor que a maioria dos aços, porém não tão boa quanto a do alumínio. A exposição à água salgada ou em atmosferas marinas pode ocasionar um fenômeno de corrosão eletrolítica. A solda do magnésio deve ser feita usando processos de soldagem MIG ou TIG devido à tendência do magnésio de entrar em combustão quando aquecido no ar, entretanto a sua facilidade de usinagem é excelente.
Vantagens do Magnésio
Peso leve
Muito fácil de usinar
Desvantagens
2.4.
Caro
As Estruturas Metálicas A maioria dos materiais de engenharia tais como metais e cerâmicas são feitos
de cristais.
Esses cristais consistem em átomos que estão posicionados em uma
estrutura tridimensional repetitiva. Os metais formam três estruturas cristalinas principais: Cúbica de Corpo Centrado (CCC), Cúbica de Face Centrada (CFC) e Hexagonal Compacta (HC).
2 .4 .1 . Estrutura Cúbica de Corpo Centrado A estrutura cúbica de corpo centrado (CCC) possui um átomo em cada canto de um cubo imaginário e um átomo no centro desse cubo.
Uma estrutura CCC
geralmente
resistentes,
razoavelmente
produz dúcteis.
metais
Exemplos
elementos
porém
Figura 2-1 – Estrutura Cúbica de Corpo Centrado
com
estrutura CCC são: tungstênio, cromo e ferro-alfa.
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2 .4 .2 . Estrutura Cúbica de Face Centrada A estrutura cúbica de face centrada (CFC) possui um átomo em cada canto de um cubo imaginário e um átomo no centro de cada face do cubo. Os metais com estrutura CFC tendem a ser moles e dúcteis numa ampla faixa de temperaturas. Exemplos de metais CFC são ouro, prata, cobre, alumínio e ferro-gama.
Figura 2-2 – Estrutura Cúbica de Face Centrada
2 .4 .3 . Estrutura Hexagonal Compacta A estrutura hexagonal compacta (HC) possui um átomo nos cantos de um prisma hexagonal imaginário e um átomo no centro de cada face hexagonal e ainda três átomos no centro formando um prisma. Os metais com esse tipo de estrutura são relativamente frágeis, por exemplo, cobalto e magnésio.
Figura 2-3 – Estrutura Hexagonal Compacta
2 .4 .4 . Ferro e Aço – Metais Alotrópicos O ferro e o aço podem existir nas estruturas CFC e CCC. Um metal com esta característica é chamado de alotrópico. Outros exemplos de metais alotrópicos são o titânio (HC e CCC) e o cobalto (CFC e HC). O aço apresenta estrutura CCC abaixo de 900ºC.
Entre 900ºC e 1400ºC o aço muda a sua estrutura para CFC que requer
menos energia para ser mantida. Acima de 1400ºC o aço volta à sua estrutura original. Quando os materiais alteram a sua estrutura, as suas propriedades físicas também são alteradas.
2.4.5.
Estruturas Metálicas Comuns
A tabela abaixo mostra as estruturas cristalinas dos metais mais comuns à temperatura ambiente. Tabela 2-1 – Estruturas cristalinas para metais comuns Metal
Estrutura
Alumínio
CFC
Cromo
CCC
Cobre
CFC
Ouro
CFC
Aço
CCC
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Chumbo
CFC
Magnésio
HC
Níquel
CFC
Platina
CFC
Titânio
HC
Tungstênio
CCC
Zinco
HC
A Madeira A madeira é um material natural facilmente disponível. A madeira é dividida
em dois grupos: moles e duras dependendo do tipo de árvore da qual ela provém. As madeiras duras provêm de árvores que perdem as suas folhas no outono. As coníferas que permanecem verdes durante todo o ano são fontes de madeiras moles. Em geral as madeiras duras são também mais pesadas que as madeiras moles, porém há exceções. A
maioria
das
madeiras
possui
relações
excelentes
de
resistência
mecânica/peso quando comparada com os metais, porém elas perdem no quesito de em resistência mecânica quando comparada com o aço, por exemplo. Esta característica limita o seu uso em aplicações de engenharia, entretanto, a madeira ainda é usada na construção de casas, prédios e pontes.
2.6.
Os Plásticos Os plásticos são materiais poliméricos, ou seja, constituídos de longas cadeias
repetidas de moléculas com forma de estruturas de Mer, daí o seu nome. Os polímeros tais como as borrachas ocorrem naturalmente, entretanto os primeiros polímeros sintéticos que atendiam as necessidades de engenharia começaram a aparecer somente depois de 1910. Um dos primeiros plásticos comerciais desenvolvidos foi a baquelite e era usada para a carcaça dos primeiros rádios. Durante a 2a. Guerra Mundial os plásticos tais como o nylon e o polietileno foram usados para substituir outros materiais por desabastecimento. Devido a que os primeiros plásticos não eram completamente estáveis, eles ganharam uma reputação de ser baratos e não confiáveis. Entretanto, os avanços na tecnologia desde então, tornaram os plásticos em uma classe importante e confiável de materiais para o projeto de produtos. As propriedades mecânicas dos plásticos tendem a ser inferiores à da maioria dos metais.
Por isso, devem ser feitas cuidadosas verificações para o se uso em
aplicações estruturais. Os plásticos reforçados com fibras de vidro são extensivamente usados quando as propriedades mecânicas do material plástico de base não são Descobrindo a Engenharia: Energia e Materiais
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suficientes. Entretanto, devido ao seu relativo baixo peso, a capacidade de adquirir cores durante a sua fabricação e a facilidade de ser moldado em formas complexas, fazem do plástico um material extensivamente usado para caixas de produtos e em outras aplicações onde a resistência mecânica não é uma característica importante. Os plásticos não são materiais baratos. O custo da matéria prima do material plástico é tipicamente maior que o aço, porém menor que a do alumínio. Entretanto, os custos de processamento em larga escala são bem menores o que pode resultar em produtos significativamente mais baratos. Existem duas famílias principais de plásticos, os termoplásticos e os termestáveis.
2 .6 .1 .
Constituição dos Polímeros
Nos metais as moléculas se associam entre si em redes cristalinas. Os polímeros têm as suas moléculas organizadas em longas cadeias. O carbono é contido em todos os materiais orgânicos e pode ser facilmente ligado a outros materiais tais como o hidrogênio e oxigênio pela sua necessidade de encontrar quatro elétrons. O carbono é o principal ingrediente nas longas cadeias moleculares poliméricas e forma ligações covalentes com outros materiais.
Essa
cadeia de carbonos é conhecida como o esqueleto do polímero. Uma cadeia simples de carbono e hidrogênio resulta no butano (C4H10). Essas moléculas são chamadas de monômeros. O carbono pode formar ligações duplas ou triplas. Pela separação das ligações duplas é possível a ligação com outras moléculas. Pela separação da dupla ligação do etileno (C2H4) e juntando a outra molécula de eteno é formado o poli(etileno), ou polietileno como é comumente conhecido.
Figura 2-4 – O polietileno
Outros polímeros podem ser facilmente produzidos tais como o polifeniletileno (poliestireno) a partir do fenil-etileno (estireno). Esses podem ser formados desde 1000 a 50000 monômeros ligados. Para adicionar resistência mecânica, as cadeias podem ser alteradas. Se for removido um átomo de hidrogênio e esse substituído por um átomo de carbono então
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a cadeia pode ser aberta.
Assim poderá ser formar outra cadeia similar à cadeia
principal. Isso cria um plástico mais mole e com menor ponto de fusão. Um polímero com ligações cruzadas pode ser formado removendo dois átomos de hidrogênio do ramo e crescendo uma cadeia adjacente à molécula original. A interligação resulta num plástico tal como o poliéster, borracha e resinas termestáveis.
Figura 2-5 – Polímeros ramificados e interligados
As cadeias não ramificadas podem formar regiões cristalinas chamadas esferulita, sendo regiões extremamente. O polietileno 60% cristalizado, mais inclusões sólidas de sílica e alumina para adicionar rigidez às borrachas e outros elastômeros que não cristalizam. Esses materiais se aderem às cadeias de polímeros criando um efeito similar à cristalização.
A COPOLIMERIZAÇÃO A copolimerização é um processo que combina dois ou mais monômeros formando um polímero. Nessa reação não existem refugos e quando combinados os monômeros são misturados aleatoriamente formando uma estrutura irregular.
A
copolimerização é útil porque permite que as propriedades originais do polímero sejam alteradas. Por exemplo, o PVC quando puro é quebradiço, sendo que a copolimerização com vinil acetato cria um copolímero flexível.
PLASTICIZAÇÃO Os plasticizadores são líquidos orgânicos que se dissolvem em grandes quantidades dentro de um polímero sólido. Isso ocasiona que as cadeias sejam forçadas para fora pelo líquido oleoso, facilitando o escorregamento das cadeias umas sobre as outras, resultando num plástico mais flexível e reduzindo a resistência à tração. Os plasticizadores não devem atingir a pressão de vapor porque ele evaporaria deixando o plástico novamente frágil.
ESTABILIZAÇÃO E VULCANIZAÇÃO Os polímeros são danificados pela radiação, especialmente pela luz ultravioleta. A luz ultravioleta possui energia suficiente para romper as ligações C-C do esqueleto
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do polímero dividindo-o em cadeias menores. A solução é adicionar um pigmento ou uma inclusão que absorva a radiação prevenindo a quebra das cadeias. A presença de oxigênio pode ocasionar a vulcanização do polímero. O oxigênio forma ligações entre as cadeias de polímeros deixando o mesmo mais frágil e fazendo que as borrachas percam a sua elasticidade. A luz ultravioleta promove a oxidação de forma a aumentar a vulcanização.
Os polímeros que possuem ligações duplas de
carbono (tais como as borrachas) são particularmente sensíveis.
A estabilização
química do polímero pode reduzir a vulcanização.
2 .6 .2 .
Os Plásticos Termestáveis
Os plásticos
plásticos rígidos
e
termestáveis resistentes
a
são altas
temperaturas quando comparados com os termoplásticos. plásticos
Uma vez endurecidos, os
termestáveis
remodelados.
Existem
não
podem
vários
ser
tipos
de
plásticos termestáveis usados no dia a dia:
Epóxi
Poliéster
Figura 2-6 – Plásticos Termestáveis são formados por longas cadeias de moléculas interligadas
TERMESTÁVEL - EPÓXI O epóxi existe na forma de resina e é curado e endurecido, processo após o qual não pode ser moldado novamente. O agente adicionado à resina para causar o início
e
a
cura
(endurecer)
pode
alterar
as
características
do
plástico
consideravelmente. O epóxi apresenta excelente resistência química e além de ser duro, rígido e às vezes, frágil.
Ele possui uma propriedade excelente de aderência
também sendo usados como adesivos.
TERMESTÁVEL - POLIÉSTER Os poliésteres são duros e frágeis, porém podem ser combinados com fibras de vidro para produzir o plástico reforçado com fibra de vidro que pode ser usado em chassis de veículos, iates e em móveis. O plástico reforçado com fibra de vidro pode ser usado em aplicações estruturais porém ele é muito caro.
Esse material está
disponível em rolos flexíveis que são endurecidos quando aplicado um catalisador, produzindo uma placa forte e rígida.
2 .6 .3 .
Os Termoplásticos
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Os termoplásticos ficam moles quando aquecidos. moldados degradação
Eles e
podem
remoldados significativa.
ser
sem Os
facilmente sofrer
uma
termoplásticos
consistem em longas cadeias moleculares sem estrutura regular (ou muito pequena). Alguns dos termoplásticos comuns disponíveis são:
Polietileno
Poliestireno
Policarbonato
Nylon
Acrílico
Acetal
Figura 2-7 – Os Termoplásticos são formados por longas cadeias de moléculas entrelaçadas
TERMOPLÁSTICO - POLIETILENO Este plástico possui uma faixa de aplicações que vai desde pacotes de alimentos até tubulações de gás. Esses plásticos podem ser moldados por injeção ou extrusão e estão disponíveis em duas formas: o polietileno de alta densidade que é rígido, e o de baixa densidade que é resistente e flexível.
TERMOPLÁSTICO - POLIESTIRENO O poliestireno é fácil de ser trabalhado e está disponível em vários tamanhos apropriados para o uso em moldes de injeção e de sopro. O poliestireno é relativamente barato. O poliestireno padrão é rígido e quebradiço.
TERMOPLÁSTICO - NYLON O nylon foi originalmente desenvolvido como um tecido, porém está disponível em muitas formas com propriedades totalmente diferentes. engenharia são fáceis de usinar
com
Os tipos de nylon de
boa resistência a agentes biológicos.
Lamentavelmente o nylon pode absorver umidade da atmosfera e se degrada quando exposto à luz do sol (instável em luz ultravioleta) a menos que seja adicionado com substancias químicas estabilizantes. O nylon é fácil de moldar e possuem uma superfície natural “oleosa” que atua como um lubrificante natural. O nylon é usado para praticamente tudo, desde roupas até engrenagens e rolamentos.
TERMOPLÁSTICO – ACRÍLICO Os acrílicos estão disponíveis numa ampla gama de cores e podem ser opacos, translúcidos ou transparentes. Eles estão disponíveis em folhas, barras e tubos para uso em moldes de injeção, extrusão e outros. Os acrílicos agüentam o clima e são estáveis à luz do sol. São produzidos em todas as cores. Os acrílicos transparentes podem ser usados até como vidros ópticos finos, permitindo o seu uso em Descobrindo a Engenharia: Energia e Materiais
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ópticos
tais
como
câmeras.
Ainda
é
possível
aumentar
significativamente a sua resistência mecânica do acrílico para uso em janelas de aviões.
TERMOPLÁSTICO – ACETAL As resinas de acetal são resistentes, rígidas e apresentem boa resistência à umidade, calor e solventes.
Essas resinas de engenharia requerem a adição de
estabilizadores para uso ao ar livre. Elas podem ser usadas para uma grande faixa de aplicações que vão desde cabos e chuveiros até aplicações industriais tais como engrenagens e molas.
2.7. Tabelas e Diagramas dos Materiais de Engenharia 2.7.1. Temperatura de fusão de materiais de engenharia
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2.7.2. Densidade da alguns materiais de engenharia
2.7.3. Módulo de Elasticidade de materiais de engenharia
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2.7.4. Limites de Tensões mecânicas de Tração e Compressão de alguns de materiais de engenharia
2.7.5. Resistência à fratura de alguns materiais de engenharia
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2.7.6. Resistência ao Meio Ambiente de alguns de materiais de engenharia
2.7.7. Resposta à tração de alguns metais e polímeros
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