COMPORTAMENTO À FLEXÃO DO AÇO AIS! L6 PARA MOLDESAPÓS MAQUINAGEM DE ACABAMENTO POR ELECTROEROSÃO

M. Meio, P. Vasssaio, M. SantosInstituto de Materiais e Tecnologias de Produçao, INETI, Estrada do Paço do Lumiar, 1600 Lisboa

Ç)1

RESUMOA maquinagem de aços para moldes por etectroerosão com fio ou por penetração desenvolve instantaneamentealtas temperaturas à superfície, que induzem alterações e mod.ficações das características metaturgicas emecônicas da superficie do material. Atendendo às condições na maquinagem de acabamento, os resultadosda avaliação da superfície, como sejam o conhecimento da rugosidade, o aspecto irregular do seuacabamento, a camada superficial obtida após sotidficaçâo rápida e as inodficações da microestrutura nasuperfície e camadas adjacentes, correspondem a aspectos influentes na modficação das características domaterial. O estudo procura avaliar o efeito provocado pela maquinagem do aço AISI L6 nas alteraçõesmicroestruturais e na integridade da supeificie, através da determinação do mecanismo defractura àflexão.

INTRODUÇÃOA maquinagem por electroerosão de açospara a indústria de moldes é urna tecnologiaem desenvolvimento, apresentandoproblemas de controlo do processo e doestado de acabamento das peças. Utilizameios avançados de produção industrial,nas fases de preparação, programação,corte e acabamento.

Este processo de maquinagem permite ocorte de materiais com elevada dureza(>600 HB), como os aços tratadostermicamente ou os metais duros,materiais que, pelas suas característicasmetalurgicas apresentam dificuldades decorte pelos meios convencionais.

A maquinagem de aços por electroerosãopermite ainda explorar o processo deobtenção de um acabamento final daspeças, com um menor número de etapas ede processos, com redução de custos de

produção e exigindo uma optimização damão-de-obra e mais qualificada. Noproduto acabado melhora a precisão daforma, reduz a tolerância dimensional ediminui o número de rejeições.

O processo tecnológico de corte de peçasem aço por electroerosão introduzalterações metalurgicas nas camadasadjacentes à superfície, visto que atecnologia utilizada envolve a fusãoinstantânea do material à superficie, a suaremoção e o brusco arrefecimento domaterial remanescente. Estasmodificações das característicasmicroestruturais dão-se em profundidadeno material, dependendo dascaracterísticas do aço e das condições demaquinagem.

A camada superficialarrefecimento rápido

gerada apóscorresponde

oa

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chamada camada branca, devido à sua não

reacção aos ataques químicos correntes.

Esta modificação metalurgica das

camadas superficiais influencia o

desempenho das superfícies maquinadas,

devido a se ter produzido uma camada

superficial frágil, gerado tensões

residuais, formado fissuras heterogéneas à

superfície e existência de material

sobresolidificado, com estrutura ainda

desconhecida e forma irregular.

Os estudos conhecidos sobre o efeito da

maquinagem de e1ecftnernso na integridade da

superfície centraram-se na avaliação

química e microestrutural da camada

branca, no conhecimento da rugosidade

da superfície e da variação da dureza em

profundidade [01], pelo que este trabalho

procura desenvolver o processo de

avaliação do comportamento mecânico do

aço AISI L6 para moldes após maquinagempor electroerosão, considerando as

condicionantes estruturais acima

referidas.

A maquinagem por electroerosão foi

realizada em regime de corte de desbaste

em electroerosão com fio e de

acabamento por penetração [02], tendo

como meta a obtenção de uma rugosidade

final do molde próxima de Ra= 0,15cm.

A avaliação compreendeu a aplicação de

ensaios estáticos de flexão em três pontos,

de modo a permitir a avaliação do efeito

da camada branca e camadas adjacentes,

na formação e crescimento de

microfissuras, na variação da resistência

mecânica e no modo de fractura.

TRABALHO EXPERIMENTALE RESULTADOSMaterialO aço seleccionado para caracterização

mecânica após maquinagem por

electroerosão foi um aço-ferramenta, com

grande aplicação no fabrico de moldes

para injecção de plástico, com o nome

comercial GRANE-RL 219, fornecido pela

empresa F. RAMADA, nos estados de

recozido e de têmperado e revenido.

O aço é do tipo níquel- crómio- molibdénio,

especificado como AISI L6 (USA) ou

DIN5ONiCr13 (D), destacando-se na

composição a percentagem de carbono

(C=0.55%), níquel (Ni=3%) e crómio

(Cr1%) (Tabela 1).

Tabela 1- Composição química

%C %Si %Mn %Cr %Ni %Mo

0.55 0.30 0.50 1.00 3.00 0.30

O aço, que identificaremos no trabalho

como AISI L6, apresenta características

consideradas excelentes para o fabrico de

moldes para injecção a quente, resultantes

da elevada percentagem de níquel na sua

composição química. Este elemento da

composição promove boas características

de tenacidade, resistência à deformação e

uma redução na formação de fissuras;

melhora a temperabilidade; aumenta a

dureza; uniformiza a microestrutura [03] e

fornece boa estabilidade dimensional [04].

A elevada dureza do material temperado e

revenido (Tabela 2) associada à boa

tenacidade, confere ao aço AISI L6 urna

boa maquinabilidade, elevado grau de

polimento, baixa rugosidade e boa

resistência ao desgaste do molde, durante

as fases de injecção do plástico e de

extracção das peças [04].

TRATAMENTO DUREZA DUREZATÉRMICO PREVISTA MEDIDA

Recozimento 230 HB [041 234 HV(equiv.)

Têmpera e 54 HRC [04J 56.9 HRCRevenido

MaquinagemO corte dos provetes para ensaio

mecânico foram realizados em máquinas

de electroerosão da marca CHARMILLES

TECHNOLOGIES, de fio do tipo

ROBOFIL 310 e de penetração do tipo

ROBOFORM 2000 [02].

Tabela 2- Dureza

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Para o corte por electroerosão com fio foiseleccionado o fio de latão e o regime dedesbaste. Todas as amostras foramcortadas por electroerosão com fio e emseguida, algumas foram acabadas porelectroerosão de penetração, comelectrodo em cobre electrolítico.

Foi seleccionada uma sequência contínuade corte por electroerosão, processocorrente industrialmente, que, partindo docorte em regime de desbaste, atinge oregime E0 correspondente à menorrugosidade e ao melhor acabamento dasuperfície. Os factores mais importantesdos Regimes de corte seleccionados são aIntensidade da Corrente (A) e o Tempo deDescarga (ps) [021, cujos indicadores dosparâmetros-máquina se apresentam naTabela 3.

Tabela 3- Regimes de corte deelectroerosão por penetração

R E3t2 Ë293 Ë2$2 E27l E250 E240 E220

1 7 6 6 6 6 6 3

1 7 7 6 5 4 3 4

R E200 E180 E140 E100 E$O EO E220

1 2 1 O O 1 1 3

T 3 3 2 1 3 3 4

A maquinagem de electroerosão porpenetração do aço. desde o regime dedesbaste E3 12 até ao regime deacabamento final E0, permitiu a obtençãode um polimento próximo do espelhado.

A observação em lupa estereoscópicaWILD permitiu identificar uma superfícieirregular (Fig. 1) e diversas fissuras,aparentemente do tipo frágil e semorientação preferencial na sua formação.

RugosidadeA rugosidade, corno indicador dequalidade do acabamento, foi obtidoatravés da medição na superfíciemaquinada. A medição foi realizada comum rugosímetro PERTHEN. a médiaestabelecida para 1 O medições mínimasem duas direcções perpendiculares.

Os valores das rugosidades médias dasuperfície maquinada por electroerosãocom fio foi de Ra= 3.69 tm e porpenetração de Ra=z 0.11 Itrn.

MetalografiaApós a maquinagem por electroerosão,retiraram-se amostras para preparaçãometalográfica, cortadas transversalmenteao plano da superfície. Após acabamentoe polimento foram contrastadas com urnamistura de nital a 2% e picral, sendo a suaobservação realizada em microscópiosópticos REICHERT e ZEISS e electrónicode varrimento JEOL- JSM CF 35.

A microestrutura do aço AISI L6 noestado de recozido era formada por ferritee perlite lamelar (Fig. 2a) e no estado detemperado e revenido era formada porurna microestrutura de martensiterevenida (Fig. 2b).

Fig. 1: Aspecto da superfície do aço AISI L6maquinada por electroerosão por penetração

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b)Fig. 2: Microestrutura do aço AISI L6 (atiipl.500x, contr. nitat 2%): a) estado de recozidoperlite e ferrite lamelar; b) estado de temperadomartensite revenida.

As observações permitiram distinguiruma camada à superficie, que após ataquequímico de contrastação se mostravabranca, passando-se a designar porcamada branca.

a)

e)

Fig. 3: Espessura e perfil da camada branca obtidapor electroerosão (ampi. l000x, contr. nital 2%).Electroerosão por penetração:a) aço recozido; b) aço temperado.Electroerosão com fio:

c) aço recozido; d) aço temperado.

O aço nos estados de recozido (Fig. 3a) etêmperado (Fig. 3b) apresentaram umacamada branca idêntica, apósmaquinagem por electroerosão porpenetração, com uma distribuição regulare uniforme, pequena espessura (2-3p.rn) ealgumas fissuras do tipo frágil,perpendiculares à superfície.

A maquinagem por electroerosão com fiode latão gerou uma camada brancabastante irregular (0-10 trn), tanto no açorecozido (Fig. 3c), como no temperado erevenido (Fig. 3d), irregularidades essasque correspondem à elevada rugosidademedida (Tabela 4).

Mecanismo de fracturaO mecanismo de fractura do aço AISI L6foi determinado a partir da realização deensaios de flexão em três pontos, emcondições de baixa velocidade, de modo apermitir determinar o valor de resistênciaà ruptura transversa e identificar o modode nucleação e crescimento das fissurasresponsáveis pela fractura.

O aço, no estado de tratado por têmpera erevenido, foi maquinado com urna secçãorectangular 2 x 4rnm e faces paralelas [05],

de acordo com a norma ASTM A 370-77

[061. O ensaio de flexão realizou-se numamáquina de ensaios universal INSTRON,classe 1, com velocidades de 0.1 e 1.0mrn/min, de acordo com a normaAISI/ASTM B528-76 [07].

A preparação dos provetes para ensaio deflexão, foi realizada de modo a reproduzirno plano da face à tracção os efeitos doacabamento produzidos pela maquinagempor electroerosão com fio e porpenetração.

Alguns provetes foram preparados comacabamento metalográfico para eliminarqualquer defeito devido ou produzidopela maquinagem.

%

t11

j b)

1’:

70

O cálculo da resistência à rupturatransversa foi baseado na equação Eq. 1iara ensaios de flexão em três pontos,considerando a deformação e fractura nodomínio elástico, de acordo com asnormas AISI/ASTM 3528-76 [07] e MTL TR87-35 [08],:

S 3 P LI 2 w t2 (Eq. 1)

sendo $ a iesistência à rnptum transversa, P acarga de flexão, L a distância entreapoios, w a largura da base do provete e t

a altura da secção resistente.

Se se considerar que a fractura ocorrecom o material no domínio elástico-plástico, a expressão de cálculo tomaria aforma descrita na equação Eq. 2 [09]:

= 6 M 1 K w t2 (Eq.2)

sendo b a resistência à flexão elásticoplástica, M o momento flector na secçãotransversal média e K urna variável,defmida pela expressão seguinte, cornouma função da altura do t e da distância dda face de tensões de tracção máximas aoplano neutro [09]:

K=[ 1+(2dIt)(1-dlt)] (Eq.3)

A resistência mecânica do aço AISI L6 àflexão em três pontos, realizada com umavelocidade de deslocamento do travessãode 0.1 mm/min, para diferentes processosde acabamento, forneceu os resultadosapresentados na Tabela 4, parecendo haverum efeito de redução da resistênciamáxima para os provetes maquinados porelectroerosão por penetração.

Tabela 4: Resistência à flexão.Electroer. Electroer.po Acabam.com fio penetração Metalográf

Ra 3.69irn 0.11 im 0.l7tmEq.J 5264 Mpa 5229 Mpa 5264Mpa

± 158 (3%) ± 119(3%) ±422(8%)Eq.2 3509 MPa 3486 MPa 3509 Mpa

Comparando os resultados para duasvelocidades de ensaio e maquinagem por

electroerosão com fio, os resultadosapresentados na Tabela 5 parecem indiciarum aumento de resistência com oaumento da velocidade.

Tabela 5: Resistência à flexão de açoVelocidade Resistência Resistênciado Travessão pela Eq. 1 pela Eq. 21.Ornm/mim 5362MPa 3575 Mpa

±378 MPa0.1 mm/min 5264 MPa 3509 MPa

± 158 (3%)

O estudo do mecanismo de fractura doaço, através da observação das superfíciesde fractura dos provetes ensaiados,permitiu a identificação das zonas deinício da fractura: no canto do provete(fig. 4a) e na face de tensões máximas(figs. 4b e 4c).

A iniciação deu-se, para a maioria dosprovetes, junto ao plano da face detensões de tracção máximas no provete àflexão. A propagação desenvolveu-se parao interior do provete, preferencialmentesegundo a direcção do plano transversalcorrespondnete ao momento flectormáximo.

A iniciação da fractura na camada branca(Fig. 5a) parece ter ficado a dever-se aalgumas pré-fissuras existentes e defeitosde superfície, mas principalmente à

A superfície de fractura mudou a direcçãode propagação próximo dos limites dacamada branca e da secção do provete,tomando uma direcção próximo de 450W

a) b) c)Fig. 4: Superfície de fractura e localização dainiciação de fractura no aço AISI L6.a) canto; b) face à tracção; c) subcarnada.

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característica de fragilidade da suaestrutura.

Na zona termicamente afectada (Fig. 5b)foi identificada urna superfície de fracturacom características de heterogeneidade damicroestrutura. Este aspecto caracterizavadiversos aspectos de fractura do material,corno ductilidade, fragilidadeintergranular e transgranular.

e)fig. 5: Microfractografias de superfícies defractura de provetes de flexão do aço AISI L6:a) Início da fractura junto à camada branca, comaspecto de fractura frágil b) Zona de propagação,com aspecto de fractura mista ductil e frágil (100tm de profundidade) c) Iniciação numa inclusãono material (ver Fig. 4c).

Foram também identificadas zonas deiniciação da fractura em sub-camadas, nazona térmicamente afectada, resultante

da existência de inclusões de Ca e K (Fig.5c), tendo-se utilizado um espectrórnetrode energias dispersivas acoplado a ummicroscópio electrónico de varrimento.

Iniciou-se a fissuração em microfissurasformadas durante o ensaio de flexão, poracção das tensões de tracção eperpendiculares à sua direcção, crescendono mesmo sentido ou contornando asreentrâncias formadas pelas descargaseléctricas (Fig. 6a). A orientação da linhade fractura no plano de tensões de tracçãomáximas deu-se segundo direcçõesangulares entre 30-35° de inclinação (Fig.6b).

DISCUSSÃOA maior ou menor influência induzida namodificação, alteração ou integridade dasuperfície por efeito da maquinagem porelectroerosão depende fundamentalmentedo tipo e das condições de maquinagemseleccionadas e, das características domaterial maquinado.

A avaliação traduziu-se no conhecimentoda rugosidade, aspecto visual dasuperfície maquinada, da forma damicroestrutura e da pré-fissuraçãoexistente. Estes quatro aspectos são oresultado imediato das alterações sofridaspela superfície maquinada e respondem àscondições de corte, de tensão eléctrica,intensidade da corrente, tempos dedescarga e manutenção e condições dearrefecimento durante a maquinagem.

Observando o mecanismo de execuçãodo processo de corte por electroerosãoverifica-se que a maquinagem estádependente de uma fusão instantânea domaterial à superfície e do arrefecimentobrusco da mesma. O aquecimento e oarrefecimento produzem a fusão e asolidificação rápida do material àsuperfície, formando uma camada brancade material constituido pelos elementosconstituintes do aço e por carbono

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difundido do material e proveniente dodieléctrico.

Figs. 6: Microfissuração na superfície maquinadade um provete de flexão, após ensaio de flexão.

A camada branca é obtida a partir dafusão do material à superfície e dasolidificação rápida, em forma cristalina.E provávelmente constituída por umamicroestrutura formada por carbonetos deferro e elemento de liga do material,martensite e austenite residual.

A camada branca apresenta umcaracterística bastante particular. que é ode resistir à contrastação química pormeio de reagentes adequados a estes aços,por isso se chamando de camada branca.Aparentemente, parece ser formada porurna camada solidificada orientada dasuperfície exterior para o interior, domaterial, podendo ser formada pormulticamadas dendríticas.

A forma rugosa da camada branca,proveniente do processo de fusão e domovimento do metal líquido durante oprocesso de corte, é tanto maior quantomaior for o volume de material fundido e

quanto maior for a energia térmica ecinética do material fundido. Assim, setomarmos o processo de corte demaquinagem por electroerosão com fio,em regime de desbaste, como sendo umprocesso que origina elevada cargatérmica e elevada dinâmica da massafundida, verifica-se a formação de urnacamada branca de espessura irregular (010 un) e uma rugosidade elevada (3.69

Comparando os resultados do ensaio deflexão parece que, a resistência mecânicado aço AISI [6 não é afectada pelarugosidade, visto que os valores médiosdos provetes de ensaio, maquinados porelectroerosão de penetração e os polidosmetalográficarnente, deram idênticosresultados.

Observando os valores obtidos, utilizandoa condição de elasticidade do processo deruptura por flexão, são valores de valorexagerado, não susceptíveis de validação,que não seja o de uma comparação. Ocálculo, considerando o comportamentoelástico/plástico do material, cujo factor éfunção da localização da fibra emdeformação plástica relativamente à fibraneutra, permitiu obter valores, maisajustados à resistência do material. Háque avaliar o efeito das tensões residuaisnos valores obtidos e no modelo defractura.

A menor rugosidade do aço AISI L6obtida em electroerosão por penetração(0,11 tm), para uma espessura uniforme(2-3 rim), parece não corresponder a urnamelhoria da resistência mecânica, pordiminuição dos defeitos de superfície.mas poder-se-á entender corno umpequeno aumento da tenacidade domaterial.

Parece pois, que a rugosidade e a prémicrofissuração da camada brancaapresentam menor influência naresistência mecânica à flexão em trêspontos, do que poderia ser suposto obter

a)

bji

73

por observação dos diversos tipos defractura na zona térmicamente afectada,gerada pela difusão térmica para o interiordo material (15-50 tm de profundidade)durante o processo de electroerosão.

A avaliação da superfície de fractura dosprovetes permitiu indiciar uma iniciação,baseada numa fissuração frágil da camadabranca e num mecanismo de fracturafrágil/ dúctil na zona térmicamenteafectada. Esta zona térmicarnenteafectada, responsável por uma fissuraçãoe fractura heterogénea está provávelmenteassociada a uma modificaçãomicroestrutural do material base doprovete maquinado, originandofissurações do tipo frágil transgranular eintergranular e ductil.

A iniciação da fractura dos provetes deu-se em pontos distintos, em qualquer delesdependentes da característica frágil dazona onde se situou. Avaliando empormenor cada um dos casos teremosduas das situações a processarem-se porassociação a efeitos alheios ao processode maquinagem:

1) a iniciação originada nos cantos doprovete associa o factor concentrador detensões e a fragilidade da microestrutura àsuperfície;2) a iniciação na subcamada do material,associa um defeito do material e umamicroestrutura heterogénea.

A terceira situação de fractura, iniciadapróximo da face de tensões máximas egerada nas camadas superficiaistermicamente afectadas, parece ter-seficado a dever à fragilidade eheterogeneidade da microestrutura.Observou-se que o aço AISI L6 sofreuuma alteração microestrutural emprofundidade, cuj a identificação aindanão se completou em termos decomposição, estrutura, dureza e espessura,mas cujo modo complexo de iniciação defractura, indicia uma alteração

metalúrgica significativa nas subcamadasrelativamente próximas da superfície.

A propagação da fractura deu-se, emtodos os casos segundo o planocorrespondente ao momento fiectormáximo à flexão em três pontos, compropagação instantânea e fractura do tipoductil, propagação ajustada a um aço comuma microestrutura de martensiterevenida e características de algumatenacidade.

O mecanismo de fractura do aço AISI L6 écaracterizado pela modificação damicroestrutura da superfície da peçamaquinada, cuja origem se deve àmaquinagem por processos de descargaeléctrica entre electrodos e peça metálica,geradores de elevada energia térmica. Oaquecimento rápido e a consequente fusãoda superfície, o amaciamento dassubcamadas por difusão da temperatura, asolidificação rápida da camada superficiale o arrefecimento e têmpera das camadasadjacentes, induzem na pequena espessurado material afectado uma modificaçãomicroestrutural complexa, responsávelpela nucleação de microfissuras frágeis,transgranulares e intergranulares. ecrescimento numa zona mista de fiacturafrágil/ ductil. Esta iniciação ocorre pornucleação de microfissuras na facetensões máximas dos provetes, orientadassegundo planos perpendiculares àdirecção das tensões, não associadas àspré-microfissuras existentes.

CONCLUSÕESA maquinagem de acabamento desuperfícies do aço AISI L6 por meio deelectroerosão induz a formação porsolidificação rápida de uma camadasuperficial, cujo conhecimento maisaprofundado da variação microestruturalem profundidade e permitirá identificar omodelo estrutural e a distribuição detensões residuais.

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Salientam-se contudo as seguintesconclusões e que permitiram estabeleceruma avaliação do mecanismo de fractura:

- Influência do tipo de maquinagempor electroerosão na resistênciamecânica do aço AISI L6.

- Alguma influência da velocidade dedeformação na resistência mecânica.

- Microfissuração da camada brancasuperficial após maquinagem não

responsável pela formação dasmicrofissuras críticas de fractura.

- Formação de microfissuras nacamada branca durante o ensaiodevido à fragilidade damicroestrutura da referida camada.

- Mecanismo complexo de iniciação dafractura por flexão do aço AISI L6,numa forma mista de dúctil e frágilintergranular e transgranular.

REFERÊNCIAS

[01] L. C. Lim. L. C. Lee, Y. 5. Wongand H. H. Lu, “SolidificationMicrostructure of ElectrodischargeMachined Surfaces of Tool Steels”,Mater. Scien. Techn., Vol. 7 (23 9-248), March 1991.

[02] R. Mesquita, P. Vassalo, M. Santose J. Faustino, “Efeito daComposição Química e daMicroestrutura dos Aços noAcabamento Superficial porElectroerosão por Penetração”,Relatório de Progresso, Jan-Dez 95,do Projecto TAVAC, 1996.

[03] Pinto Soares, “Aços-Características,Tratamentos”, 2a Ed., Ambar, Porto,1975.

[04] Documento técnico “RAMADA,Dados Técnicos, Aços GRANE”,Ovar.

[05] M. Santos, “Efeito das Variáveis deProcessamento no ComportamentoMecânico e ao Corte de um AçoRápido AISI 115 Sinterizado”, Tesepara as provas de InvestigadorAuxiliar, LNETI, Lisboa, Julho,1991.

[06] ASIM A 370-77. “MechanicalTesting of Steel Products”, Part 10.1981.

[07] AIS I/ASTM B 5 28-76, ‘TransverseRupture Strength of Sintered MetalPowder Specimens”, Part 9, 1980.

[08] F. 1. Baratta, W. T. Matthews andG. D. Quinn, “Errors AssociatedWith Flexure Testing of BrittleMateriais, MIL IR 87-35,Materiais Tecnoiogy Laboratory(MIL), U.S. Army MateriaisIecnhology, Massachusetts, USA,July 1987.

[09] C. M. Branco, “Mecânica daFractura”, Fundação CalousteGulbenkian, Lisboa, 1985.

AGRADECIMENTOSPrograma PRAXIS XXI pelo apoio financeiro noâmbito do Projecto 2/2.1 /TPAR’l 799/95.E. RAMADA na pessoa do Dr. Amadeu de Sousaapoio e fornecimento de materiais.ITEC/CETAP na pessoa do Prof. Doutor RuiBatista pelo trabalho desenvolvido namaquinagem por electroerosão.INETIIMP na pessoa do Prof. Doutor RuyMesquita, pela orientação científica e apoiotecnológico.IST/DEMateriais na pessoa do Prof DoutorGuerra Rosa pela orientação do mestrando MárioMeto.IMP/LCM na pessoa do Eng. João Faustino, pelotrabalho desenvolvido pelos seus colaboradores narealização de diversas tarefas (Enga. Lia Soares ePaula Coelho- metalografia e microcopia; TeresaMagalhães- difracção de raios-X; AugustoGeraldes- microscopia electrónica; PaulinoVerdasca-macrodureza).

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