fios e cabos elétricos

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1 FIOS E CABOS ELÉTRICOS 1. INTRODUÇÃO Fios e cabos são componentes de grande importância na eletricidade, apresentam os mais variados tipos, as mais variadas cores, formas e tamanhos. Possuem muitas aplicações e características iniciando pelo material que o compõe. Neste capítulo será abordado um resumo desta parte da eletricidade muito extensa, onde o objetivo é diferenciar e demonstrar as suas aplicações. 2. ESCALAS As bitolas de seções dos fios e cabos acham-se normalizadas em diferentes escalas-padrão internacionais, das quais as mais conhecidas são: American Wire Gauge (AWG) ou Brown & Sharp (B & S) utilizada nos USA (EUA) Birminghan Wire Gauge (BWG), utilizada nos EUA Escala milimétrica, utilizada na França, Alemanha, Suécia e adotada no Brasil Escala de Paris Standard Wire Gauge (SWG), utilizada na Inglaterra. No Brasil, em razão da conjuntura do parque industrial, é ainda utilizada a escala AWG ou B& S, entretanto está sendo substituída pela escala milimétrica. A tabela de bitolas de fios para transformadores e bobinas inclui a camada de esmalte isolante no diâmetro, sendo o esmalte o fator que determina a ligeira discrepância nos diâmetros entre as escalas B & S das tabelas. As seções retas dos condutores na escala AWG são identificadas por números arábicos que codificam sua bitola. No exemplo abaixo da escala AWG (Tab. 1), os cabos estão colocados em ordem decrescente de área de seção reta. Tab. 1 Designação dos cabos AWG Fonte: SHMIDT 2002 Código de cabos Designação # 4/0 ou 0000 cabo 4 barra zero AWG ou cabo 4 zero # 3/0 ou 000 cabo 3 barra zero AWG # 2/0 ou 00 cabo 2 barra zero AWG # 1/0 ou 0 cabo 1 barra zero AWG # 1 cabo bitola 1 AWG ... ... 36 fio bitola 36 AWG

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Fios e Cabos elétricos

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Page 1: Fios e Cabos Elétricos

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FIOS E CABOS ELÉTRICOS

1. INTRODUÇÃO

Fios e cabos são componentes de grande importância na eletricidade, apresentam

os mais variados tipos, as mais variadas cores, formas e tamanhos. Possuem muitas

aplicações e características iniciando pelo material que o compõe. Neste capítulo será

abordado um resumo desta parte da eletricidade muito extensa, onde o objetivo é

diferenciar e demonstrar as suas aplicações.

2. ESCALAS

As bitolas de seções dos fios e cabos acham-se normalizadas em diferentes

escalas-padrão internacionais, das quais as mais conhecidas são:

American Wire Gauge (AWG) ou Brown & Sharp (B & S) utilizada nos USA (EUA)

Birminghan Wire Gauge (BWG), utilizada nos EUA

Escala milimétrica, utilizada na França, Alemanha, Suécia e adotada no Brasil

Escala de Paris

Standard Wire Gauge (SWG), utilizada na Inglaterra.

No Brasil, em razão da conjuntura do parque industrial, é ainda utilizada a escala

AWG ou B& S, entretanto está sendo substituída pela escala milimétrica. A tabela de

bitolas de fios para transformadores e bobinas inclui a camada de esmalte isolante no

diâmetro, sendo o esmalte o fator que determina a ligeira discrepância nos diâmetros

entre as escalas B & S das tabelas.

As seções retas dos condutores na escala AWG são identificadas por números

arábicos que codificam sua bitola. No exemplo abaixo da escala AWG (Tab. 1), os cabos

estão colocados em ordem decrescente de área de seção reta.

Tab. 1 – Designação dos cabos AWG

Fonte: SHMIDT – 2002

Código de

cabos

Designação

# 4/0 ou 0000 cabo 4 barra zero AWG ou cabo 4 zero

# 3/0 ou 000 cabo 3 barra zero AWG

# 2/0 ou 00 cabo 2 barra zero AWG

# 1/0 ou 0 cabo 1 barra zero AWG

# 1 cabo bitola 1 AWG

... ...

36 fio bitola 36 AWG

Page 2: Fios e Cabos Elétricos

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Quanto menor o número identificador, mais grossa é a seção reta do condutor. A

formação da escala AWG baseou-se em uma progressão geométrica (PG), cujos termos

extremos foram considerados os seguintes:

Maior diâmetro existente na época: 0,46’’ (quarenta e seis centésimos da polegada) -

0,46’’ foi considerado o diâmetro do cabo 0000 (ou 4/0) AWG.

Menor diâmetro: 0,005’’ - atribuído ao fio 36 AWG.

Assim a escala possuía na sua criação 40 bitolas. As 38 que se enquadrariam entre

esses limites deveriam estar em progressão geométrica com uma razão constante n.

Assim

39.ndd menormaior Eq. (1)

resolvendo a Eq. 01 acima resulta n = 1,1229322.

Tem-se que n6 = 2,005 2, e assim a cada seis intervalos, o diâmetro na escala

AWG é alterado pelo fator 2.

Posteriormente, criaram-se bitolas até 50 AWG, e foram acrescentadas as bitolas

em circular-mil CM, que é a área de um círculo de diâmetro igual a um milésimo da

polegada. Um MCM significa mil vezes a área de 1 CM. A Tab. 2 relaciona códigos de

bitolas AWG e MCM.

Obs: 1 CM = 5,067. 10-6

cm2.

Algumas tabelas mais completas fornecem as áreas das seções retas, os dados

complementares e as capacidades de corrente de fios e cabos de cobre na escala AWG em

diferentes situações de emprego.

Obs: O fio bitola 10 tem um diâmetro de aproximadamente 0,1 da polegada, uma seção

de 10 MCM e uma resistência de 1 por mil pés a 20 oC (cobre padrão). Observa-se que

para os cabos de seção superior ao 4/0 AWG, usa-se a unidade circular-mil (CM).

3. NÚMERO DE FIOS EM CADA CONDUTOR E LEI DE FORMAÇÃO

Os cabos condutores das diferentes bitolas AWG necessitam, para aumento de sua

flexibilidade e melhoria de sua manipulação, de serem construídos de fios de diâmetro

menores. A referida flexibilidade aumenta com o número de fios de sua formação e com

o material utilizado. O diâmetro d desse fio é obtido em função da seção reta do cabo S e

do número de fios componentes N.

2/1)/(128,1 NSd fio Eq. (2)

Page 3: Fios e Cabos Elétricos

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Um cabo tem como um núcleo central um ou três desses fios e sobre os quais são

colocados os demais fios em camadas que se chamam coroas (Fig. 1). Essas coroas vão

sendo sucessivamente enroladas com um formato helicoidal, operação que recebe o nome

de cabeamento. Cada nova coroa tem mais seis fios que a precedente e recebe um

cabeamento em sentido oposto a que a precede.

Tab. 2 – Código de bitolas em uma tabela AWG e cabos em MCM

Fonte: SHMIDT – 2002

Bitolas MCM e AWG

Dados e limites de corrente para condutor de cobre

2000 MCM Possui, ao ar livre, a capacidade de conduzir até 1.405 A

(tabela A.1.11). Seção reta de 1.134 mm2

1000 MCM cabo de um milhão de circular-mil de seção reta

800 MCM cabo de 800 mil circular-mil de seção reta

700 MCM cabo 700.000 circular-mil

600 MCM

500 MCM

400 MCM

300 MCM

250 MCM corrente ao ar livre de 400 A

0000 ou 4/0

000 ou 3/0

00 ou 2/0 corrente ao ar livre de 275 A

0 ou 1/0

1

2 diâmetro de 6,54 mm

6 cabo seis AWG, corrente ao ar livre de 100 A

7 a partir do número 7 a denominação é fio. Fio 7 AWG

... ...

14 corrente ao ar livre de 30 A

... ...

40 fio 40 AWG, diâmetro de 0,08mm

Fig. 1 – Seção transversal de um cabo unifilar de 61 fios com quatro coroas

Fonte: SHMIDT – 2002

Page 4: Fios e Cabos Elétricos

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Desse modo têm-se cabos flexíveis de núcleo unifilar ou trifilar. A Tab. 3

relaciona coroas, quantidade de fios por coroas e quantidade de fios de um cabo.

Tab. 3 – Coroas e quantidade de fios de um cabo

Fonte: SHMIDT – 2002

Coroas

Fios p/

Coroa

Fios p/

Cabo

coroa 1 1 1

coroa 2 6 7

coroa 3 12 19

coroa n 6 + (n - 1).6 (*) Eq. 12.3

Desta forma o número total de fios Nf é dado por

fnf NnnN )1(3 Eq. (3)

onde n = número da coroa

Nfn = número de fios do núcleo

A Fig. 2 mostra um cabo com 19 fios onde está indicado em “1” os fios de cobre

de têmpera mole e em “2” o isolamento em PVC.

Fig. 2 – Cabo de 19 fios

Fonte: SHMIDT – 2002

4. DEFINIÇÃO SOBRE CABOS

Até o calibre 6 AWG podemos chamar o condutor de cabo; diâmetro menores

serão tratados de fios. A seguir estão relacionados e caracterizados as diversas

designações dados aos transmissores de corrente elétrica:

Vergalhão: Produto maciço de seção circular produzido por laminação ou extrusão a

quente.

Fio: Produto de qualquer seção maciça obtido a partir de vergalhão por trefilação,

laminação a frio ou ambos.

Page 5: Fios e Cabos Elétricos

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Fio nú: Fio sem revestimento.

Fio isolado: Fio revestido de material isolante.

Condutor: Fio ou conjunto de fios não isolados entre si. Pode ser:

Rígido: condutor de seção maciçal

Flexível: condutor formado por um conjunto de fios

Cabo: Conjunto formado por um grupo de fios não isolados entre si, ou por vários fios

ou grupos de fios isolados entre si. Utiliza-se a nomenclatura para bitolas mais grossas

que 6 AWG.

Cabo nú: Condutor maciço ou grupo de fios não isolados entre si, sem revestimento

isolante.

Obs: O cabo nú tem sua aplicação principal em linhas de transmissão de energia ou cabo

terra, e assim mesmo em locais onde não seja prejudicial a segurança ambiental.

Cabo singelo: Grupo de fios não isolados entre si com revestimento isolante.

Cabo múltiplo: Cabo formado por vários fios ou grupo de fios isolados entre si,

estando o conjunto sob uma mesma capa isolante.

Cabo setorial: Cabo múltiplo em que a forma da seção reta de cada componente é um

setor circular, obtido por moldagem em calandras para 180o (dois condutores), 120

o

(três condutores) e 90o (quatro condutores).

Cabo armado: Cabo singelo ou múlitplo, provido de uma armação protetora de aço.

Cabo compactado: É o cabo singelo em que as coroas são encordoadas no mesmo

sentido. A compactação é obtida fazendo-se passar o cabo através de uma calandra,

composta de um certo número de roletes que exercem no conjunto de fios uma pressão

que os molda de forma a serem eliminados praticamente todos os vazios entre os

mesmos. Apesar da compressão, o cabo quase não sofre redução de flexibilidade.

Cabo segmentado: É o conjunto dividido em três ou quatro setores de círculo,

separados entre si por meio de uma parede isolante relativamente delgada. Este tipo

tem sua maior aplicação nos cabos singelos de seções maiores que 5 cm2. Este cabo

reduz consideravelmente as perdas devidas ao efeito pelicular (skin effect).

Cabo anular: Cabo singelo que apresenta o seu núcleo central oco ou preenchido com

material isolante.

Page 6: Fios e Cabos Elétricos

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Cordão flexível: Cabos múltiplos com muitos componentes de pequena seção e muito

flexível. Como exemplo temos os cabos telefônicos e fio Drop (par telefônico).

Cordel flexível: São fios bastante flexíveis e de pequena bitola. Fio singelo ou par

singelo muito flexível, pequena seção (às vezes chamado fio flexível trançado ou

paralelo). A Pirelli promoveu comercialmente esses fios como cabinho. Como

exemplos:

- cabinho para fiação de circuitos em chassis ou placa

- cabinho paralelo

- cabinho torcido em espiral (twisted)

- cabinho entrelaçado formando cordoalha (braided)

- fio Drop (par telefônico)

- cabinho radioplastic (Pirelli), flexível, em diversas cores, para rádio, TV etc

Cabos telefônicos: São formados por pares de fios (de bitola AWG), dispostos em

coroas concêntricas, devidamente isolados, formando um conjunto cilíndrico. Sua

tecnologia obedece padrões especiais definidos em normas internacionais e ratificados

pelos órgãos de telecomunicações do país.

Cabo coaxial: Cabo composto de um condutor axial envolvido por outro condutor

(malha), separados por um isolante sólido ou mesmo o ar (Fig. 3). Pode ser do tipo

rígido ou flexível. Sua grande vantagem reside no fato de não apresentar perdas de

potência por indução ou irradiação, além de fornecer uma blindagem para o condutor

central que, desta forma, não recebe indução de sinais ou ruídos externos. São

aplicados em radiofrequência, audiofrequência, telefonia, cabos submarinos, etc.

Como exemplo temos os cabos coaxiais para audiofrequência e radiofrequência.

Fig. 3 – Cabo coaxial

Fonte: SHMIDT – 2002

Page 7: Fios e Cabos Elétricos

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Considerando-se constante a diferença de potencial entre o condutor central e a

capa metálica externa, ao longo do comprimento l do cabo (Fig. 4), tem-se a seguinte

expressão para a resistência de isolamento à corrente de fuga radial.

pl

abrR

2

)/ln( Eq. (4)

onde é a resistividade elétrica do meio.

Fig. 4 – Esquema para cálculo de resistência de cabo coaxial

Fonte: SHMIDT – 2002

Cabos rígidos para tração elétrica: Os cabos usados na transmissão de energia CC

ou CA para tração elétrica são rígidos e dotados de ranhuras especiais que facilitam a

tomada de energia por fricção. São normalmente de cobre duro ou bronze com os mais

diversos tipos de perfis (Fig. 5)

Fig. 5 – Cabos rígidos para tração elétrica

Fonte: SHMIDT – 2002

Barras e tubos: Nas estações e subestações geradoras e distribuidoras de energia,

respectivamente, são empregados largamente os condutores tipo barra ou tubo, com

secções devidamente dimensionados para atender o limite de corrente e as imposições

mecânicas da instalação (dureza, resistência à tração, dilatação térmica, etc).

Page 8: Fios e Cabos Elétricos

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5. TIPOS DE CABOS DE ENERGIA

A seguir estão relacionados alguns cabelos e energia:

Cabos de energia de cobre eletrolítico de têmpera mole: Dividem-se em:

Para tensões de trabalho inferiores a 600 V (baixa tensão): Cabo singelo ou múltiplo

com isolamento de PVC. Como exemplo cita-se os fios e cabos singelo Pirastic da

Pirelli (diversas cores), fios e cabos múltiplos Duplast e Triplast, cabos Sintenax

(isolamento sintenax), cabo Pirastic antichama (isolamento com composição

antiinflamável).

Para tensões de trabalho ou classe maior que 1.000 V: Cabo singelo ou múltiplo com

isolamento de polietileno e capa protetora de PVC ou neoprene como por exemplo os

cabos Fisec da Ficap.

Cabos de cobre para uso industrial: Tensão de isolamento até 600 V, isolamento

dos fios em borracha sintética, capa de neoprene preta. Como por exemplo cita-se os

cabos Neocord.

Cordão para eletrodomésticos: Cordão com isolamento de PVC (termoplástico).

Cordão para ferro elétrico com isolamento de borracha e capa de raiom.

Cordão para fiação em veículos automotivos: Para ignição cita-se cabos de cobre,

isolante de borracha revestido de algodão. Para iluminação cita-se Autoplastic.

Cordoalha chata de cobre: Cordoalhas chatas de cobre, estanhado ou não, são

condutores empregados em ligações à terra de equipamentos elétricos, principalmente

nos que requerem uma ligação flexível devido às vibrações. São fabricadas em

diferentes larguras e espessuras.

A Fig. 6 mostra a forma de alguns cabos.

Fig. 6 – Aspectos de alguns cabos

Fonte: SHMIDT – 2002

Page 9: Fios e Cabos Elétricos

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Efeito do cabeamento helicoidal: Sendo as coroas enroladas em hélice contínua,

alternadamente à direita e a esquerda, tem-se um pequeno aumento de peso e de

resistência ôhmica em relação a um cabo rígido de mesma seção nominal. Um menor

passo para a hélice do cabeamento aumenta a flexibilidade do cabo.

6. ISOLAMENTO DE FIOS E CABOS, BLINDAGEM

A corrente limite ou amperagem dos diferentes condutores fica limitada não

apenas à temperatura suportada pelo isolamento, mas também às condições ambientais de

aplicação do mesmo. A seguir estão relacionados mais tipos de cabos.

Cabos para alta tensão: A constituição, indicada na Fig. 7 está relacionada a seguir:

1 - condutor

2,4 - blindagem semicondutora sobre o condutor

3 - isolamento

5 - blindagem eletrostática (diminuir a irradiação e tornar o campo elétrico

uniforme no isolamento) - complementação dielétrica (em alguns cabos)

6 - cobertura protetora externa (PVC, chumbo, etc)

A blindagem sobre o condutor, constituídas de fitas semicondutoras, tem a

finalidade de controlar o campo elétrico ao seu redor, eliminando as concentrações

desuniformes que tenderiam a danificar o material de isolamento.

Fig. 7 - Componentes básicos de um cabo de energia

Fonte: SHMIDT – 2002

Cabos para baixa tensão: As principais partes constituintes são:

- condutor

- isolamento

- enchimento (eventualmente)

- cobertura protetora externa (capa)

A capa externa de proteção pode ser de PVC ou de chumbo, que oferece melhor

segurança aos cabos sujeitos à umidade.

Page 10: Fios e Cabos Elétricos

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Desses elementos, a complementação dielétrica, que visa aumentar a rigidez

dielétrica do cabo, só encontra justificativa nos casos de alta tensão, onde são criados

elevados campos elétricos. A capa externa em BT e AT, é geralmente do mesmo material,

normalmente PVC na cor preta. As características principais dessa cobertura externa são

ação protetora contra agentes químicos, petroquímicos, microorganismos, raios solares,

água doce ou salgado, etc.

A blindagem em fita magnética tem como objetivo distribuir uniformemente o

campo elétrico no interior do cabo, a fim de evitar concentrações sobre o dielétrico, como

também atender a necessidade de se manter restrito ao interior do mesmo.

Especificações para cabos condutores de energia: Especificar é caracterizar

perfeitamente a natureza e aplicabilidade de um cabo. São dados importantes na

especificação:

- tipo de cabo

- tensão de trabalho entre condutores

- bitola do cabo e comprimento

- espécie de trabalho (temperatura de trabalho)

- número de fios condutores

Como exemplo de cabo singelo de saída para subestação (Norma EB-11 - ABNT):

13,2 kV, tipo Fisec (Ficap), bitola 6 AWG flexível, X metros, cabo de enfiação em dutos,

19 fios (unifilar).

Cabos de radiofrequência para comunicação eletrônica: Os cabos para

radiofrequência merecem cuidados especiais de fabricação, tendo em vista a sua

utilização na condução de frequências elevadas. São cabos coaxiais, cujo condutor

externo (blindagem) é feito em cordoalha de cobre estanhado, que envolve o dielétrico

e o condutor principal ou central, também de cobre. A constituição é a seguinte:

- condutor central (cobre nú ou estanhado)

- isolamento (polietileno)

- cordoalha metálica (blindagem e referência)

- capa protetora (PVC, neoprene ou polietileno)

7. NATUREZA DOS ISOLAMENTOS COMERCIAIS

Os isolamentos de cabos, segundo a natureza, classificam-se em:

Isolamento estratificado

Isolamento sólido

O isolamento estratificado, geralmente protegido com uma capa de chumbo, tem

utilização normal acima dos 1.000 V. Como exemplo, cita-se o papel impregnado em

óleo (com ou sem pressão), e o papel com interstícios ocupados com gás sob pressão.

Page 11: Fios e Cabos Elétricos

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O isolamento sólido é empregado em todos os níveis de tensão e compreende os

materiais orgânicos naturais e artificiais (polímeros). Os polímeros dividem-se em:

Termoplásticos: Mudam de estado com a temperatura e têm como máxima

temperatura de trabalho, aproximadamente 170 oC.

Termofixos: São mais caros, mais resistentes, carbonizam-se e tornam-se quebradiços

com a temperatura. Apresentam uma temperatura máxima de trabalho de

aproximadamente 250 oC.

Os termoplásticos não são vulcanizados e o enxofre utilizado na vulcanização dos

termofixos ataca o cobre, fazendo-se necessário seu estanhamento.

Como exemplo de isolantes termoplásticos cita-se poliestireno, polietileno (mais

usado m cabos de AT), PVC, borracha etileno-propileno (em cabos de baixa e alta

tensão), náilon, etc.

Como exemplo de termofixos cita-se borracha butílica, borracha EPR, polietileno

reticulado (a melhor rigidez dielétrica), neoprene, borracha, etc.

Em aplicações especiais, utilizam-se como isolamento o amianto, as cerâmicas, o

teflon, o náilon, a ebonite, as fibras orgânicas, etc.

8. CUIDADOS ESPECIAIS COM OS MATERIAIS DE ISOLAMENTO

Os fabricantes de isolamento e capas de proteção para fios e cabos desenvolvem,

na sua manufatura, cuidados especiais que visam dotar esses elements de resistência aos

efeitos abaixo:

Alta temperatura (considerada acima de 100 oC pela Norma do AIEE)

Abrasão

Ação de solventes

Ação da umidade

Ação de fungos

Inflamabilidade (isolamento anti-chama)

Ação combinada do meio ambiente

Perdas dielétricas

Efeito corona

Efeito Corona: Quando a densidade de fluxo e linhas de campo elétrico criado no ar

excede um certo valor, uma luz violeta pálida surge no intervalo entre metais em

presença. Esta descarga é conhecida como Efeito Corona e implica a criação de uma

região de ar ligeiramente ionizada. Quando a diferença de potencial entre os

condutores em presença atinge valores superiores aos de produção de corona, forma-se

Page 12: Fios e Cabos Elétricos

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a descarga elétrica abrupta que consiste no rompimento total e destrutivo do meio

isolante (raio ou descarga elétrica).

As perdas resultantes da ocorrência de corona em linhas de transmissão obrigam

os projetistas a cuidados especiais no dimensionamento de chaves de alta tensão,

espeçamento de barramentos e cabos, aumento de raios de curvatura dos cabos na

passagem pelas ferragens de torres.

9. CUIDADOS ESPECIAIS COM O MATERIAL METÁLICO

ENTERRADO

O contato do metal ou liga com o terreno provoca um mecanismo de corrosão que

exige, em certas situações, a aplicação de proteção galvânica. Um dos processos de

proteção é ligas ao longo do material de placas de magnésio que servirão como anodo de

sacrifício, isto é, se corroerão em lugar do material protegido. Um outro processo é a

utilização de uma fonte de corrente contínua que, ligada ao material e à terra, fornecerá os

elétrons necessários ao material para evitar sua corrosão. Ambos os métodos citados

acima envolvem o mesmo princípio de proteção, uma vez que, são fornecidos elétrons ao

metal, de forma que o mesmo se torna catódico, e as reações de corrosão deixam de

ocorrer.

Referências Bibliográficas:

SHMIDT, W. Materiais Elétricos, Isolantes e Magnéticos. Edgard Blucher. São

Paulo. 2002.

VAN VLACK, L. H.. Princípio de Ciência dos Materiais. São Paulo. Edgard

Blucher. 2000