Introdução à Ciência dos Materiais

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05/03/2019
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CIÊNCIA DOS MATERIAIS 
MAM0411
Profa. María CRISTINA 
Moré Farias
Área do Conhecimento de Ciências 
Exatas e Engenharias (EXATAS)
Programa de Pós-Graduação em 
Materiais (PGMAT - UCS)
Mestrado Profissional em Eng. Mec. 
(PPGMEC - UCS)
Tema 1 - Introdução à Ciência dos Materiais
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1. Apresentação da disciplina “Ciência dos Materiais”
2. Introdução à Ciência dos Materiais
I. Histórico do desenvolvimento de materiais
II. Ciência e Engenharia de Materiais
III. Classificação dos materiais
IV. Aplicações dos materiais
Profa. María Cristina Moré FariasCiência dos Materiais - MAM0411
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A Disciplina Ciência dos Materiais
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Ementa
Estudo dos FENÔMENOS e das PROPRIEDADES dos
materiais metálicos, poliméricos e cerâmicos, 
relacionado-os às suas aplicações industriais
Profa. María Cristina Moré FariasCiência dos Materiais - MAM0411
Ementa
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Tópicos principais
 o desenvolvimento dos materiais
 os reticulados cristalinos
 os planos e direções cristalográficas
 os defeitos dos cristais
 a difusão
 a deformação elástica e plástica
 a recristalização e encruamento
 os diagramas de equilíbrio (em especial o diagrama Fe-Fe3C)
Profa. María Cristina Moré FariasCiência dos Materiais - MAM0411
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Os objetivos da disciplina 
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 Estudar princípios de ciência e engenharia dos materiais
 Materiais
 principais características; transformações; aplicações e técnicas de análises
 Desenvolvimento de habilidades do aluno
 Solução de problemas relacionados com as propriedades dos materiais
 Relacionar fenômenos e propriedades (físico-químicas) x fabricação (térmicos, 
termomecânicos, termoquímicos) x transformações estruturais
 Usar ferramentas de análise de propriedades e características dos materiais
Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
O conteúdo programático da disciplina
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Tema 1 Introdução à Ciência dos Materiais
Um breve histórico do desenvolvimento de materiais
Porque estudar ciência e engenharia de materiais
Classificação dos materiais
Tema 2 Estrutura Atômica e Ligação Interatômica
Estrutura atômica
Ligação atômica nos sólidos
Tema 3 Estruturas dos Sólidos (metais, cerâmicas e polímeros)
Estruturas cristalinas dos metais e cerâmicas
Pontos, direções e planos cristalográficos
Estruturas dos polímeros
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O conteúdo programático da disciplina
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Tema 4 Imperfeições em Sólidos
Tipos de imperfeições
Exame microscópico
Tema 5 Difusão
Estado estacionário
Estado não-estacionário
Fatores que influenciam a difusão
Tema 6 Diagramas de Fase
Definições e conceitos básicos
Diagramas de fases em condições de equilíbrio
Sistema Fe - Fe3C
Tema 7 Propriedades Mecânicas dos Materiais
Deformação elástica e plástica
Curvas tensão-deformação
Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
Metodologia
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 Aprendizagem Ativa
 Papel ativo para o estudante em sua aprendizagem
 Autonomia, comunicação, pensamento crítico, trabalho em equipe, liderança, etc. 
do estudante
 Habilidade em vários níveis
◼ Aquisição do conhecimento (recordar; compreender)
◼ Produção do conhecimento (aplicar; analisar)
◼ Criação do conhecimento (avaliar; criar)
Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
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Metodologia
 Em sala de aula (professor-alunos)
 Apropriação e produção do 
conteúdo
◼ Aulas expositivas
◼ Discussões
◼ Jogos; apps
 Exercícios
◼ Exercícios objetivos
◼ Questões objetivas
 Extraclasse (alunos)
 Em grupos e/ou individuais 
Apropriação do conteúdo
◼ Leitura de textos
◼ Vídeos
 Produção do conteúdo
◼ Resumos
◼ Questões
◼ Dúvidas
◼ Fórum
 Exercícios
9Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
Conteúdo pretendido das provas
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Prova Tema
P1
1 Materiais
2 Ligação interatômica
3 Estrutura dos sólidos
P2
4 Imperfeições
5 Difusão
P3
6 Diagramas de fases
7 Propriedades mecânicas
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Avaliação
4 NOTAS (N#)
N1: primeira avaliação (individual e sem consulta)
(Prova No. 1 - individual e sem consulta)
N2: segunda avaliação (individual e sem consulta)
(Prova No. 2 - individual e sem consulta)
N3: terceira avaliação (individual e sem consulta)
(Prova No. 3 - individual e sem consulta)
N4: quarta avaliação (em grupo e com consulta)
(Média Aritmética de Avaliações – trabalhos individuais 
e/ou em grupo e com consulta)
 ALUNO APROVADO: se obtiver média 
harmônica (MH) >= 6,0, desde que 
também possua frequência (F) >= 75% das 
aulas
 RECUPERAÇÃO: pode substituir a nota de 
UMA das provas parciais. 
 Para o novo cálculo da média harmônica 
final prevalecerá a maior nota entre cada 
uma delas (a da avaliação parcial ou da 
respectiva recuperação)
( )1 2 3 4
1 2 3 4
1 2 3 4
H
W W W W
M
W W W W
N N N N
+ + +
=
 
+ + + 
 
W1, W2, W3 e W4: pesos (todos 
iguais) das notas N1, N2, N3 e N4, 
respectivamente
Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais 11
Bibliografia básica
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CALLISTER, W.D. Ciência e Engenharia 
de Materiais: Uma Introdução. 5ed. 
Rio de Janeiro: LTC, 2002. 589 p.
CALLISTER, W.D. Ciência e Engenharia 
de Materiais: Uma Introdução. 7ed. 
Rio de Janeiro: LTC, 2008. 705 p.
Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
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Bibliografia complementar
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SHACKELFORD, J.F. Ciência dos Materiais, 6ed. 
São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2008. 576 p.
ASKELAND, D.R.; Phulé, P.P. Ciência e 
Engenharia dos Materiais, 4ed. São 
Paulo: Cengage Learning, 2008. 616p.
Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
Materiais para engenharia
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Produtos esportivos, de construção civil, 
aeroespaciais, automobilísticos sofisticados 
exigem avanços mais recentes em projeto de 
materiais para atender diferentes requisitos 
(mecânicos, peso, etc.)
Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
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Histórico do desenvolvimento de materiais
 Posses materiais definem, em grande 
parte, nossos relacionamentos sociais 
e padrão econômico
 Ferramentas e armas eram, 
provavelmente, as posses materiais 
de nossos ancestrais
 O material a partir do qual essas 
ferramentas e armas eram feitas era a 
base para a denominação da antiga 
era da civilização humana
15Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
Histórico do desenvolvimento de materiais
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Histórico do desenvolvimento de materiais
17Profa. María Cristina Moré FariasCiência dos Materiais - MAM0411
Ciência e Engenharia de Materiais
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Propriedades
Ciência de
Materiais
Estrutura
Engenharia 
de Materiais
A Ciência de Materiais envolve investigação 
das relações estrutura-propriedade
A Engenharia de Materiais consiste no projeto 
da estrutura de um material para produzir um 
conjunto predeterminado de propriedades
Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
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Espetro do Conhecimento sobre 
Materiais
A combinação dos conhecimentos sobre materiais, que derivam da 
ciência e da engenharia de materiais, permite aos engenheiros
converter os materiais em produtos necessários à sociedade
Ciência e Engenharia 
de Materiais
Simbiose de conhecimentos sobre 
estrutura, propriedades, métodos de 
processamento e comportamento em 
serviço de materiais de engenharia
Conhecimentos básicos 
sobre materiais
Ciência de 
Materiais
Conhecimento aplicado 
sobre materiais
Engenharia de 
Materiais
MAM 0411
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Engenharia
Medicina
Engenharia 
de Minas
Engenharia 
geológica
Aeroespacial
Nuclear
Eletrônica
Química
Mecânica
Civil
Polímeros
Cerâmicas
Metalurgia
Ciências 
da vida
Ciências 
da terra
Ciências 
aplicadas
Ciência eengenharia 
de materiais
Ciências 
básicas
Matemática
Física
Química
A ciência e engenharia 
dos materiais formam 
uma ponte de 
conhecimentos no domínio 
dos materiais, ligando as 
ciências básicas às outras 
especialidades de 
engenharia
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Ciência e Engenharia de Materiais
 Estrutura, Propriedades, Processamento e 
Desempenho são os quatro componentes da 
disciplina ciência e engenharia de materiais
 A Ciência dos Materiais concentra-se nos 
fundamentos científicos da correlação entre 
síntese e processamento, microestrutura e 
propriedades dos materiais
 A Engenharia de Materiais desenvolve 
métodos de converter ou transformar 
materiais em dispositivos ou estruturas úteis
21Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
Ciência e Engenharia de Materiais
22Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
Síntese
Processamento
Composição
Propriedades
Microestrutura
Desempenho
Custo
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Classificação dos materiais
23Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
Estado dos materiais
Sólido
Inorgânicos
Orgânicos
Metais
Cerâmicas 
e Vidros
Polímeros
Madeira
Líquido Vapor
Classificação dos materiais
24Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
Estrutura dos materiais
Cristalinos
Amorfos
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Classificação dos materiais
25Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
Classificação dos materiais
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 Os materiais sólidos foram agrupados em diferentes classificações 
com base na composição química e estrutura
 Cada grupo de materiais apresenta características ou propriedades 
(mecânicas, elétricas e físicas) específicas 
 Metais
 Cerâmicas
 Polímeros
 Compósitos
 Materiais avançados
Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
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Estruturas e propriedade dos materiais
 A Estrutura relaciona-se com o arranjo 
dos componentes internos do material
 Subatômica 
 Atômica/ Molecular 
 Macro
 Micro
 Nano
 A Propriedade é a resposta do material a 
estímulo específico
 Propriedades fundamentais
◼ Mecânicas
◼ Elétricas
◼ Térmicas
◼ Magnéticas
◼ Ópticas
◼ Deteriorativas
 Propriedades indiretas
◼ Custo
◼ Estética
◼ Disponibilidade
◼ Usinabilidade
◼ Reservas
◼ Reciclabilidade
27Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
Propriedades dos materiais
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 Na escolha do material adequado para uma determina peça o 
engenheiro deve considerar as propriedades fundamentais e 
indiretas (processamento e uso) do material
 Propriedades Mecânicas
◼ Habilidade do material de resistir esforços mecânicos
◼ Resistência mecânica
◼ Elasticidade
◼ Rigidez
◼ Ductilidade
◼ Fluência
◼ Dureza
◼ Tenacidade...
Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
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Materiais metálicos
 Os materiais metálicos são compostos 
por um ou mais elementos metálicos e 
pequenas quantidades de elementos 
não-metálicos
◼ Ferro
◼ Níquel
◼ Prata
◼ Cobre
◼ Aço
◼ Titânio
◼ Alumínio
◼ Magnésio
 Propriedades dos metais
 Ordenamento atômico
 Relativamente densos
 Relativamente rígidos e resistentes
 Dúcteis
 Resistentes à fratura
 Condutores de eletricidade e calor
 Aparência brilhosa
 Magnéticos
29Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
Materiais metálicos
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 Materiais Metálicos Ferrosos
 Contêm porcentagem elevada de ferro (constituinte principal)
 Especialmente importantes como materiais de construção em engenharia
 Amplo uso (ferro abundante na crosta terrestre, fabricação relativamente fácil e 
econômica e versatilidade em termos de propriedades mecânicas e físicas)
 As suas principais limitações são: (1) suscetibilidade à corrosão em ambientes 
usuais, (2) massa específica relativamente elevada e (3) condutividade elétrica 
comparativamente baixa
Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
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Ligas Metálicas 
Ferrosas
Aços
Baixa Liga
Baixo 
carbono
Médio 
carbono
Alto 
carbono
Alta liga
Aço 
ferramenta
Aço 
Inoxidável
Ferros 
Fundidos
Ferro 
fundido 
cinzento
Ferro 
fundido 
nodular
Ferro 
fundido 
maleável
Ferro 
fundido 
vermicular
Classificação de ligas metálicas(a) ferrosas
31Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
(a) Uma liga metálica consiste em uma combinação 
de dois ou mais metais ou de um metal (ou 
metais) com um não-metal (ou não-metais).
Ligas Metálicas 
Ferrosas
Aços
Baixa Liga
Baixo 
carbono
Médio 
carbono
Alto 
carbono
Alta liga
Aço 
ferramenta
Aço 
Inoxidável
Ferros 
Fundidos
Ferro 
fundido 
cinzento
Ferro 
fundido 
nodular
Ferro 
fundido 
maleável
Ferro 
fundido 
vermicular
Classificação de ligas metálicas(a) ferrosas
32Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
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Classificação de ligas metálicas não- ferrosas
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Ligas Metálicas 
Não-Ferrosas
Ligas de 
Cobre
Latão 
(Cu-Zn)
Bronze
(Cu-Sn)
Ligas de 
Alumínio
Ligas de 
Titânio
Ligas de 
Magnésio
Metais 
Refratários
(Nb, Mo, 
W, Ta)
Superligas
(Co, Ni, Fe, 
Nb, Mo, W, Ta)
Metais 
nobres
(Ag, Au, Pt, 
Pd, Rh, Ru, 
Ir, Os)
Diversas
(Ni, Pb, Sn, 
Zn, Zr)
Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
Materiais cerâmicos
 Propriedades dos materiais 
cerâmicos
 Cristalinos ou não cristalinos (ou 
combinação)
 Relativamente rígidos e resistentes
 Elevada dureza
 Muito frágeis
 Isolantes térmicos e elétricos
 Elevada resistência mecânica a 
altas temperaturas
 Transparentes, translúcidas ou 
opacas
 Magnéticas
34Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
 Os materiais cerâmicos são compostos de 
elementos metálicos e não-metálicos 
ligados quimicamente entre si
 Zircônia (ZrO2)
 Alumina (Al2O3)
 Carbeto de silício (SiC)
 Nitreto de silício (Si3N4)
 Vidro
 Porcelana
 Cimento
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Classificação dos materiais cerâmicos com 
base na sua aplicação final
35Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
Cerâmicas
Vidros
Vidros
Vitrocerâmicas
Produtos à base 
de argila
Produtos estruturais 
à base de argila
Louças brancas
Refratários
Argila 
refratária
Sílica
Básicos
Especiais
Abrasivos Cimentos Cerâmicas 
avançadas
Materiais poliméricos
 Os materiais poliméricos são compostos 
orgânicos com estrutura molecular de 
cadeias carbônicas longas
 Composição 
◼ C, H, O, Cl, S...
 Politetrafluoretileno (PTFE)
 Cloreto de polivinila (PVC)
 Poliestireno (PS)
 Náilon
 Polietileno (PE)
 Policarbonato (PC)
 Borracha
 Propriedades 
 Desordem molecular (não 
cristalinos e cristalinos)
 Baixa densidade
 Baixa rigidez e resistência (pode 
variar)
 Dúcteis e flexíveis (pode variar)
 Relativamente inertes
 Amolecem e decompõem a 
temperaturas relativamente baixas
 Baixa condutividade elétrica
 Não-magnéticos
36Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
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Classificação dos materiais poliméricos de 
acordo com a sua aplicação final
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Polímeros
Plásticos
Polietileno
Polipropileno
Poliestireno
Epóxis
Fenólicos
Poliésteres
Elastômeros 
(ou borrachas)
Poliisopropeno
natural (borracha 
natural)
Polissiloxano
(silicone)
Fibras Revestimentos
Tintas
Vernizes
Esmaltes
Lacas
Gomas
Adesivos
Silicones
Epóxis
A base de 
borrachas
Espumas
Poliuretano
Borracha
Poliestireno
Filmes
Polietileno
Polipropileno
Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
Polímeros 
avançados
Polietileno de ultra-
alto peso molecular 
(UHMWPE)
Cristais líquidos 
poliméricos 
(CLP)
Elastômeros 
termoplásticos 
(TPEs / TEs)
Materiais compósitos
 Os materiais compósitos são compostos 
por dois (ou mais) materiais individuais Composição
 Óxidos, Nitretos, Carbetos
 Naturais (madeira, osso)
 Sintéticos
 Fibra de vidro reforçadas com polímeros
 Polímeros reforçados com fibras de 
carbono
 Compósitos de matriz metálica
 Propriedades
 Combinação de propriedades não 
atingida por qualquer material individual
 Melhores características de cada material 
componente
 Rigidez e resistência; flexibilidade e 
ductilidade; baixa densidade (fibra de 
vidro, fibra de carbono)
38Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
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Os materiais compósitos consistem numa mistura de um 
material de reforço (ou enchimento) com um material 
compatível ligante (ou matriz)
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Compósitos
Compósitos reforçados 
com partículas
Partículas grandes
Reforçados por dispersão
Compósitos reforçados 
com fibras
Contínuas (alinhadas)
Descontínuas (curtas)
Compósitos 
estruturais
Laminados
Painéis-sanduíche
Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
Exercício 1
40
TEMA 1 -
introdução à 
ciência dos 
materiais
 Quais são as classes de materiais utilizados em 
engenharia?
 Enuncie algumas das propriedades mais 
importantes de cada uma dessas classes de 
materiais.
 Enuncie algumas aplicações desses materiais.
Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
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Exercício 2
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TEMA 1 -
introdução à 
ciência dos 
materiais
 Classifique os materiais a seguir como polímeros, 
metal, cerâmica ou compósito
 Argila
 Borracha
 Fibra de vidro + polímero
 Carbeto de Silício
 Aço inoxidável
 Ferro fundido
Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
Exercício 3
42
TEMA 1 -
introdução à 
ciência dos 
materiais
 Desenvolva uma lista de propriedades necessárias 
para cada uma das aplicações listadas a seguir.
 Asfalto para pavimentação de estradas
 Asas para um avião
 Tubulação em uma casa
 Quadro de uma bicicleta
 Tesouras
Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
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Bibliografia
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 Callister, W.D.; “Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução”. 
7ed., 2008.
 Cap. 1 – Introdução
 Cap. 11 – Aplicações e Processamento de Ligas Metálicas
 Cap. 13 – Aplicações e Processamento de Cerâmicas
 Cap. 15 – Características, Aplicações e Processamento de Polímeros
 Cap. 16 – Compósitos
Profa. María Cristina Moré FariasMAM0411 - Ciência dos Materiais
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