2º WORKSHOP: INOVAÇÕES PARA O DESENVOLVIMENTO DE AÇOS DE ELEVADO VALOR AGREGADO FOCO NA...
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TENACIDADE À FRATURA E RESISTÊNCIA À FADIGA DE AÇOS APLICADOS NA INDÚSTRIA AUTOMOTIVA
(BIFÁSICOS, BAINÍTICOS, INOXIDÁVEIS)
Leonardo Barbosa Godefroid
Eng. Met., M.Sc., D.Sc.
Prof. DEMET / Escola de Minas / UFOP
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ÍNDICE
1. OBJETIVO2. O GRUPO GESFRAM3. MOTIVAÇÃO PARA O TRABALHO4. PARCERIAS COM INDÚSTRIAS5. PESQUISA 16. PESQUISA 27. PESQUISA 38. PESQUISA 49. PERSPECTIVAS10.CONSIDERAÇÕES FINAIS
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ÍNDICE
1. OBJETIVO2. O GRUPO GESFRAM3. MOTIVAÇÃO PARA O TRABALHO4. PARCERIAS COM INDÚSTRIAS5. PESQUISA 16. PESQUISA 27. PESQUISA 38. PESQUISA 49. PERSPECTIVAS10.CONSIDERAÇÕES FINAIS
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OBJETIVO
A palestra apresenta resultados de diversas pesquisas realizadas na UFOP nesta década, em conjunto com siderúrgicas nacionais sobre o comportamento mecânico de aços candidatos à aplicação na indústria automobilística. Enfatiza-se o desempenho destes materiais em termos de tenacidade à fratura, através da metodologia da integral J, e em termos da resistência à fadiga, através de mecanismos de iniciação e de propagação de trincas. Três aplicações são consideradas: rodas, tanque de combustível e sistema de exaustão. No primeiro caso, são apresentados resultados de aços bifásicos, em função de composição química e de efeitos de processamento termo-mecânico. São também comparados resultados de aços bainíticos com aços microligados e aços convencionais. No segundo e terceiro casos, são comparados aços inoxidáveis ferríticos, em função da presença de elementos de liga. São também apresentados resultados em função da temperatura e do ambiente.
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ÍNDICE
1. OBJETIVO2. O GRUPO GESFRAM3. MOTIVAÇÃO PARA O TRABALHO4. PARCERIAS COM INDÚSTRIAS5. PESQUISA 16. PESQUISA 27. PESQUISA 38. PESQUISA 49. PERSPECTIVAS10.CONSIDERAÇÕES FINAIS
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GESFRAM
1993
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ÍNDICE
1. OBJETIVO2. O GRUPO GESFRAM3. MOTIVAÇÃO PARA O TRABALHO4. PARCERIAS COM INDÚSTRIAS5. PESQUISA 16. PESQUISA 27. PESQUISA 38. PESQUISA 49. PERSPECTIVAS10.CONSIDERAÇÕES FINAIS
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MOTIVAÇÃO
Indústria automobilística - desafios a partir de movimentos ambientais da década 1960.
Fonte: Advanced High Strength Steel Workshop, October 22, 23, 2006, USA
Crescimento no consumo de petróleo
Poluição urbana
Alterações climáticas globais
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Conceitos teóricos para desenvolvimento de produtos: Encruamento - Densidade de discordâncias Solução sólida - C, Mn, Si, P - Átomos de C para “bake hardening” Precipitação - Carbonetos, nitretos (Nb, Ti, V, etc) Refino de grão - Equação de Hall-Petch Transformação de fase - Simples, “dual-phase” - “Multi-phase”, TRIP
4
21
21
1 10125,6ln
8,10
x
X
X
fdkckbG LEii
iNPLE
Fonte: T.Gladman, The Physical Metallurgy of Microalloyed Steels, 2002
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Indústria automobilística - utilização de materiais leves no setor de transportes.
Fonte: Advanced High Strength Steel Workshop, October 22, 23, 2006, USA
Material candidato Material trocado Redução de peso (%) Custo relativo
Aço ARBL Aço comum 10 - 25 1
Alumínio Aço, ferro fundido 40 - 60 1,3 - 2
Magnésio Aço ou ferro fundido 60 - 75 1,5 – 2,5
Magnésio Alumínio 25 - 35 1 – 1,5
Compósito GFRC Aço 25 - 35 1 – 1,5
Compósito CFRC Aço 50 - 60 2 - 10
Compósito matriz Al Aço ou ferro fundido 50 - 65 1,5 - 3
Titânio Aço ligado 40 - 55 1,5 - 10
Aço inox Aço carbono 20 - 45 1,2 – 1,7
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Fonte: Advanced High Strength Steel Workshop, October 22, 23, 2006, USA
Projeto de chapas de aço
Balanço entre resistência e formabilidade
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Fonte: Advanced High Strength Steel Workshop, October 22, 23, 2006, USA
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Fonte: Advanced High Strength Steel Workshop, October 22, 23, 2006, USA
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Fonte: Advanced High Strength Steel Workshop, October 22, 23, 2006, USA
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Fonte: Advanced High Strength Steel Workshop, October 22, 23, 2006, USA
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Fonte: Advanced High Strength Steel Workshop, October 22, 23, 2006, USA
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Fonte: C.D.Wuppermann, Steel Institute VDEh 62nd ABM Congress, 2007.
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ÍNDICE
1. OBJETIVO2. O GRUPO GESFRAM3. MOTIVAÇÃO PARA O TRABALHO4. PARCERIAS COM INDÚSTRIAS5. PESQUISA 16. PESQUISA 27. PESQUISA 38. PESQUISA 49. PERSPECTIVAS10.CONSIDERAÇÕES FINAIS
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GESFRAM
Aços bifásicos para rodas.
Aços ARBL e bainíticos para rodas.
Aços inoxidáveis ferríticos para sistema de exaustão.
Tubarão
PARCERIAS
Aços inoxidáveis para tanque de combustível.
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ÍNDICE
1. OBJETIVO2. O GRUPO GESFRAM3. MOTIVAÇÃO PARA O TRABALHO4. PARCERIAS COM INDÚSTRIAS5. PESQUISA 16. PESQUISA 27. PESQUISA 38. PESQUISA 49. PERSPECTIVAS10.CONSIDERAÇÕES FINAIS
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TENACIDADE À FRATURA E RESISTÊNCIA À FADIGA DE AÇOS BIFÁSICOS
Código C Si Mn Cr
DP-Cr 0,052 0,07 1,16 0,58
DP-Si 0,055 1,03 1,19 0,09
Composição química dos aços bifásicos (% em peso)
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Aço ao Cr Aço ao Si
Microestruturas
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Código TG ferrita (m)
FV martensita (%)
C martensita (%)
LE(MPa)
LR (MPa)
ALO(%)
DP-Cr-entrega
8,7 0,4 12,5 0,1 25,7 8,4 406 20 569 8 41 2,5
DP-Cr-tratado
- - - 582 18 644 5 28 1,2
DP-Si-entrega
9,6 1,0 9,5 1,0 23,4 7,2 489 24 592 4 37 4,7
DP-Si-tratado
- - - 653 47 705 44 21 5,6
Características microestruturais e propriedades mecânicas
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Aço ao Cr Aço ao Si
Fraturas por tração
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Tenacidade à fratura
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Iniciação de trinca por fadiga
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Iniciação de trinca por fadiga
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Iniciação de trinca por fadiga
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Iniciação de trinca por fadiga
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Crescimento de trinca por fadiga
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Crescimento de trinca por fadiga
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Crescimento de trinca por fadiga
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Aço ao Cr – região I Aço ao Cr – região II
Aço ao Si – região I Aço ao Si – região II
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da/dN 10-7 mm/ciclos da/dN 10-5 mm/ciclos
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2º WORKSHOP: INOVAÇÕES PARA O DESENVOLVIMENTO DE AÇOS DE ELEVADO VALOR AGREGADOFOCO NA INDÚSTRIA AUTOMOTIVA - 28.07.08 - SANTOS - SP
ÍNDICE
1. OBJETIVO2. O GRUPO GESFRAM3. MOTIVAÇÃO PARA O TRABALHO4. PARCERIAS COM INDÚSTRIAS5. PESQUISA 16. PESQUISA 27. PESQUISA 38. PESQUISA 49. PERSPECTIVAS10.CONSIDERAÇÕES FINAIS
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RESISTÊNCIA À FADIGA DE AÇOSC-Mn, ARBL E BAINÍTICO
Composição química dos aços:
a) Aço “comum” C + Mn;
b) Aço ARBL C + Mn + Nb;
c) Aço bainítico C (<0,15%) + Mn + Nb.
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Microestruturas
C-Mn ARBL Bainítico
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Resultados de propriedades mecânicas de tração, direção longitudinal.
Aço LE(MPa)
LR (MPa)
ALO(%)
Bainítico 470 598 40
C-Mn-Nb 411 542 42
C-Mn 358 427 50
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Fraturas por tração
C-Mn ARBL Bainítico
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Iniciação de trinca por fadiga
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Fraturas por fadiga
C-Mn ARBL Bainítico
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2º WORKSHOP: INOVAÇÕES PARA O DESENVOLVIMENTO DE AÇOS DE ELEVADO VALOR AGREGADOFOCO NA INDÚSTRIA AUTOMOTIVA - 28.07.08 - SANTOS - SP
ÍNDICE
1. OBJETIVO2. O GRUPO GESFRAM3. MOTIVAÇÃO PARA O TRABALHO4. PARCERIAS COM INDÚSTRIAS5. PESQUISA 16. PESQUISA 27. PESQUISA 38. PESQUISA 49. PERSPECTIVAS10.CONSIDERAÇÕES FINAIS
![Page 43: 2º WORKSHOP: INOVAÇÕES PARA O DESENVOLVIMENTO DE AÇOS DE ELEVADO VALOR AGREGADO FOCO NA INDÚSTRIA AUTOMOTIVA - 28.07.08 - SANTOS - SP TENACIDADE À FRATURA.](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061512/552fc13b497959413d8d97ea/html5/thumbnails/43.jpg)
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RESISTÊNCIA À FADIGA DE AÇOS INOXIDÁVEIS
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C Si Mn P S Ni Cr Mo Nb Ti V
304 0,052 0,402 1,376 0,027 0,001 8,050 18,16 0,035 0,005 0,003 0,033
439 0,011 0,398 0,215 0,020 0,001 0,169 17,20 0,011 0,202 0,256 0,053
C-Mn 0,035 0,016 0,220 0,013 0,007 0,018 0,027 0,002 0,001 0,002 -
IF 0,005 0,010 0,109 0,008 0,009 0,025 0,018 0,003 0,002 0,067 0,002
Composição química
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C-Mn 439
IF 304
Microestruturas
304
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Amostra LE (MPa)
LR (MPa)
ALO(%)
AISI 304 235 582 45,0
AISI 439 272 459 15,8
Aço-IF 132 290 25,6
Aço-C-Mn 167 310 24,8
Resultados de propriedades mecânicas de tração, direção longitudinal.
![Page 47: 2º WORKSHOP: INOVAÇÕES PARA O DESENVOLVIMENTO DE AÇOS DE ELEVADO VALOR AGREGADO FOCO NA INDÚSTRIA AUTOMOTIVA - 28.07.08 - SANTOS - SP TENACIDADE À FRATURA.](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022061512/552fc13b497959413d8d97ea/html5/thumbnails/47.jpg)
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Iniciação de trinca por fadiga
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Aço Nf (%)
304 30
439 55
IF 80
C-Mn 90
Redução na vida em fadiga de aços, após imersão em álcool combustível por 30 dias. Ensaios para carregamento correspondente a Nf = 1 x 106 ciclos.
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RESISTÊNCIA À FADIGA DE AÇOSINOXIDÁVEIS FERRÍTICOS
T < 650ºC
T > 650ºC
CorrosãoFadiga ao arCorrosão-fadiga
FluênciaOxidaçãoFadiga térmicaFadiga de baixo ciclo
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Cr C N Ti Nb Ti Nb
16Cr5Ti 16,26 0,026 0,011 0,47 0,01 0,34 ---
16Cr4Nb 16,23 0,019 0,021 0,01 0,36 --- 0,05
17Cr2Ti2Nb 17,05 0,011 0,013 0,20 0,19 0,14 0,14
18Cr1Ti6Nb 18,01 0,014 0,009 0,13 0,56 0,08 0,49
Composição química
Mono-estabilizados
Ti = Ti – 3,42 N – 4 CNb = Nb – 7,74 (C+N)
Bi-estabilizados
Ti = Ti – 3,42 N – (0,30 x 4C) Nb = Nb – (0,70 x 7,74C)
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SL
SL
SL
SL
16Cr4Nb (14,5m)
18Cr1Ti6Nb (64,3m)
16Cr5Ti (16,5m)
17Cr2Ti2Nb (49,4m)
Microestruturas: laminados a frio; 1,5 mm.
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Resultados de propriedades mecânicas de tração, direção longitudinal.
Aço LE (MPa)
LR (MPa)
ALO (%)
17Cr2Ti2Nb 278 437 37
16Cr4Nb 259 449 32
18Cr1Ti6Nb 284 443 34
16Cr5Ti 275 453 32
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2º WORKSHOP: INOVAÇÕES PARA O DESENVOLVIMENTO DE AÇOS DE ELEVADO VALOR AGREGADOFOCO NA INDÚSTRIA AUTOMOTIVA - 28.07.08 - SANTOS - SP
17Cr2Ti2Nb16Cr4Nb
18Cr1Ti6Nb16Cr5Ti
Fraturas
por tração
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2º WORKSHOP: INOVAÇÕES PARA O DESENVOLVIMENTO DE AÇOS DE ELEVADO VALOR AGREGADOFOCO NA INDÚSTRIA AUTOMOTIVA - 28.07.08 - SANTOS - SP
105 106 107250
300
350
400
450
500
Nf (ciclos)
max (M
Pa)
16Cr4Nb 17Cr2Ti2Nb 18Cr1Ti6Nb 16Cr5Ti
Iniciação de trinca por fadiga
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2º WORKSHOP: INOVAÇÕES PARA O DESENVOLVIMENTO DE AÇOS DE ELEVADO VALOR AGREGADOFOCO NA INDÚSTRIA AUTOMOTIVA - 28.07.08 - SANTOS - SP
Corrosão-fadiga
300
320
340
360
380
400
420
440
460
100000 1000000 10000000
Nf (cycles)
max
(M
Pa)
16Cr4Nb_AF 16Cr4Nb_CF 16Cr5Ti_AF 16Cr5Ti_CF
17Cr2Ti2Nb_AF 17Cr2Ti2Nb_CF 18Cr1Ti6Nb_AF 18Cr1Ti6Nb_CF
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2º WORKSHOP: INOVAÇÕES PARA O DESENVOLVIMENTO DE AÇOS DE ELEVADO VALOR AGREGADOFOCO NA INDÚSTRIA AUTOMOTIVA - 28.07.08 - SANTOS - SP
0
2
4
6
8
10
0 20 40 60 80 100 120
Tempo de ensaio SAG TEST (h)
Altura da flecha (mm)
16Cr4Nb 16Cr5Ti
17Cr2Ti2Nb 18Cr1Ti6Nb
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 20 40 60 80 100 120
Tempo de ensaio SAG TEST (h)
Altura da flecha (mm)
16Cr5Ti 16Cr4Nb 17Cr2Ti2Nb
18Cr1Ti6Nb 18Cr1Ti5Nb
Fluência: SAG test.
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2º WORKSHOP: INOVAÇÕES PARA O DESENVOLVIMENTO DE AÇOS DE ELEVADO VALOR AGREGADOFOCO NA INDÚSTRIA AUTOMOTIVA - 28.07.08 - SANTOS - SP
0100200300400500600700800900
1000
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Time (s)
Temperature (C)
Fadiga térmica
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2º WORKSHOP: INOVAÇÕES PARA O DESENVOLVIMENTO DE AÇOS DE ELEVADO VALOR AGREGADOFOCO NA INDÚSTRIA AUTOMOTIVA - 28.07.08 - SANTOS - SP
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
0 2000 4000 6000 8000 10000
Ciclos
Tam. Microtrinca/trinca (m)
17Cr2Ti2Nb
16Cr4Nb
18Cr1Ti6Nb
16Cr5Ti
16Cr5Ti_IN
Fadiga térmica
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0,1
1,0
1000 10000 100000Numero de ciclos
in/2
Deformação inelástica (%)Log
16Cr4Nb 16Cr5Ti
17Cr2Ti2Nb 18Cr1Ti5Nb
Fadiga oligocíclica
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ÍNDICE
1. OBJETIVO2. O GRUPO GESFRAM3. MOTIVAÇÃO PARA O TRABALHO4. PARCERIAS COM INDÚSTRIAS5. PESQUISA 16. PESQUISA 27. PESQUISA 38. PESQUISA 49. PERSPECTIVAS10.CONSIDERAÇÕES FINAIS
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PERSPECTIVAS GESFRAM/UFOP
1) Efeito do grau de deformação na resistência à fadiga de aços IF.
2) Tenacidade à fratura e resistência ao trincamento por fadiga de aços bifásicos de elevada resistência mecânica.
3) Desempenho em fadiga de aços para molas.
4) Formação de textura em aços laminados a quente de baixa espessura e de alto grau de estampabilidade.
5) Influência de elementos de liga na tenacidade à fratura de aços multifásicos laminados a quente.
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ÍNDICE
1. OBJETIVO2. O GRUPO GESFRAM3. MOTIVAÇÃO PARA O TRABALHO4. PARCERIAS COM INDÚSTRIAS5. PESQUISA 16. PESQUISA 27. PESQUISA 38. PESQUISA 49. PERSPECTIVAS10.CONSIDERAÇÕES FINAIS
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CONSIDERAÇÕES FINAIS
O aço possui uma história de aplicações de mais de 500 anos, e ainda suscita pesquisas importantes nas áreas de fabricação, conformação e relação estrutura-propriedades.
Nas últimas décadas, o setor automotivo tem fomentado significativos avanços científicos e tecnológicos na siderurgia, gerando como conseqüência o desenvolvimento de aços de elevado valor agregado.
Para atender à demanda por aços mais “nobres”, torna-se cada vez mais imprescindível a parceria universidade-empresa.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1) Feliciano J.R. Cangue. Propagação de trinca de fadiga em aços bifásicos de emprego automobilístico. 2002. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) - Universidade Federal de Ouro Preto.
2) Elenice Maria Rodrigues. Avaliação da tenacidade à fratura através da integral J de dois aços bifásicos de emprego automobilístico. 2003. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) - Universidade Federal de Ouro Preto.
3) Marley de Souza Lemos. Estudo comparativo e de caracterização da vida em fadiga entre aços inoxidáveis ferríticos/austeníticos e aços carbono chumbado e aluminizado aplicados na fabricação de reservatórios de combustível de veículos de passeio. 2004. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) - Universidade Federal de Ouro Preto.
4) Fabiano Alcântara Machado. Efeito de pré-deformação e de tratamento térmico de bake hardening na propagação de trinca por fadiga em dois aços bifásicos de emprego automobilístico. 2005. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) - Universidade Federal de Ouro Preto.
5) Ricardo Augusto Faria. Efeito do titânio e do nióbio no comportamento em fadiga de aços inoxidáveis ferríticos utilizados no sistema de exaustão de veículos automotores. 2006. Tese (Doutorado em Engenharia de Materiais) - Universidade Federal de Ouro Preto.
6) Vanessa Gomes Santana. Efeitos da adição de Nióbio e Manganês na Resistência à Fadiga de um Aço ao Carbono utilizado em Rodas Automotivas. Dissertação em andamento (Mestrado em Engenharia de Materiais) - Universidade Federal de Ouro Preto.
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AGRADECIMENTOS
U FOP - CET EC - U EMG