Fundamentos da Ciências e Engenharia de Materiais - Uma Abordagem Integrada

Autor(es): CALLISTER
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Seguindo a já consagrada abordagem pedagógica das publicações anteriores, a 5a edição de Fundamentos da Ciência e Engenharia de Materiais – Uma Abordagem Integrada apresenta o essencial para o ensino da disciplina. Para se alcançar a melhor compreensão dos conteúdos, é necessário que os estudantes universitários já tenham concluído o ciclo básico de Cálculo, Química e Física. Os vinte capítulos são interligados, seguindo uma ordenação lógica que avança dos conceitos mais simples até os mais complexos, todos com um nível de detalhamento que varia conforme o grau de profundidade exigido para a compreensão de cada tema. Foram incluídas questões práticas conforme o assunto abordado. Da mesma forma, recursos adicionais como fotos, ilustrações, gráficos, seções especiais para materiais de importância e verifi cação de conceitos facilitam a fixação dos conteúdos. Entre os destaques desta edição estão: novos estudos de caso; a revisão de discussões sobre os planos e direções cristalográfi cas para incluir as equações; revisão das discussões e ampliação de assuntos como estruturas, propriedades e aplicações dos nanocarbonos (fulerenos, nanotubos de carbono e grafeno e sobre refratários cerâmicos e abrasivos); e problemas-exemplo novos e revisados. Além disso, há diversos materiais suplementares disponíveis no GEN-IO, ambiente virtual de aprendizagem do GEN | Grupo Editorial Nacional, mediante cadastro, para estudantes e professores, tais como a biblioteca de estudos de caso, as demonstrações e experimentos.

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Capítulo 1 Introdução

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Um item familiar fabricado a partir de três tipos de materiais diferentes é o vasilhame de bebidas. As bebidas são comercializadas em latas (foto superior) de alumínio (metal), garrafas (foto central) de vidro (cerâmica), e garrafas (foto inferior) plásticas (polímeros).

Após estudar este capítulo, você deverá ser capaz de realizar o seguinte:

1. Listar seis classificações diferentes de propriedades dos materiais que determinam sua aplicabilidade.

2. Citar os quatro componentes envolvidos no projeto, na produção e na utilização de materiais, e descrever sucintamente as inter-relações entre esses componentes.

3. Citar três critérios importantes no processo de seleção de materiais.

4.      (a) Listar as três classificações principais dos materiais sólidos, e então citar as características químicas que distinguem cada uma delas.

(b) Citar os quatro tipos de materiais avançados e, para cada um deles, a(s) característica(s) que os distinguem.

 

Capítulo 2 Estrutura Atômica e Ligação Interatômica

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A fotografia na parte de baixo desta página mostra uma lagartixa.

As lagartixas, que são lagartos tropicais inofensivos, são animais extremamente fascinantes e extraordinários. Elas têm patas extremamente aderentes (uma das quais está mostrada na terceira fotografia), que se grudam virtualmente a qualquer superfície. Essa característica torna possível que elas subam rapidamente por paredes verticais e se desloquem ao longo das partes de baixo de superfícies horizontais. De fato, uma lagartixa pode suportar a massa de seu corpo com um único dedo! O segredo dessa habilidade marcante é a presença de um número extremamente grande de pelos microscopicamente pequenos sobre cada uma das plantas dos seus dedos. Quando esses pelos entram em contato com uma superfície, são estabelecidas pequenas forças de atração (isto é, forças de van der Waals) entre as moléculas dos pelos e as moléculas sobre a superfície. O fato de esses pelos serem tão pequenos e tão numerosos explica o porquê de as lagartixas se grudarem tão fortemente às superfícies. Para se liberar, a lagartixa simplesmente dobra os seus dedos, descolando os pelos da superfície.

 

Capítulo 3 Estruturas dos Metais e das Cerâmicas

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(a) Fotografia de difração de raios X [ou fotografia de Laue (Seção 3.20)] para um monocristal de magnésio. (b) Diagrama esquemático que ilustra como são produzidos os pontos (isto é, o padrão de difração) em (a). A barreira de chumbo bloqueia todos os feixes gerados pela fonte de raios X, exceto por um feixe estreito que se desloca em uma única direção. Esse feixe incidente é difratado por planos cristalográficos individuais no monocristal (que têm diferentes orientações), o que dá origem aos vários feixes difratados que impingem sobre a chapa fotográfica. As interseções desses feixes com a chapa aparecem como pontos quando o filme é revelado. A grande mancha no centro de (a) é oriunda do feixe incidente, que é paralelo a uma direção cristalográfica [0001]. Deve ser observado que a simetria hexagonal da estrutura cristalina hexagonal compacta do magnésio [mostrada em (c)] é indicada pelo padrão de pontos de difração que foi gerado.

(d) Fotografia de um monocristal de magnésio que foi clivado (ou dividido) ao longo de um plano (0001) – a superfície plana é um plano (0001). Além disso, a direção perpendicular a esse plano é uma direção (0001).

 

Capítulo 4 Estruturas dos Polímeros

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(a) Representação esquemática do arranjo de cadeias moleculares para uma região cristalina do polietileno. As esferas pretas e cinzas representam, respectivamente, os átomos de carbono e hidrogênio.

(b) Diagrama esquemático de um cristalito com cadeias de polímero dobradas – uma região cristalina em forma de lâmina onde as cadeias moleculares (linhas/curvas preta) dobram-se repetidamente sobre elas mesmas; essas dobras ocorrem nas faces do cristalito.

(c) Estrutura de uma esferulita encontrada em alguns polímeros semicristalinos (esquemático). Os cristalitos com cadeias dobradas se irradiam para fora a partir de um centro comum. Regiões de material amorfo separam e conectam esses cristalitos, nas quais as cadeias moleculares (curvas preta) assumem configurações desalinhadas e desordenadas.

(d) Micrografia eletrônica de transmissão que mostra a estrutura esferulítica. Cristalitos lamelares com cadeia dobrada (linhas brancas), com aproximadamente 10 nm de espessura estendem-se nas direções radiais a partir do centro. Ampliação de 15.000×.

 

Capítulo 5 Imperfeições nos Sólidos

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Os defeitos atômicos são responsáveis pelas reduções nas emissões de gases poluentes pelos motores dos automóveis atuais. Um conversor catalítico é o dispositivo de redução de poluentes que está localizado no sistema de exaustão dos automóveis. As moléculas dos gases poluentes ficam presas a defeitos na superfície de materiais metálicos cristalinos encontrados no conversor catalítico. Enquanto estão presas a esses sítios, as moléculas sofrem reações químicas que as convertem em outras substâncias não poluentes ou menos poluentes. O boxe “Materiais de Importância”, na Seção 5.10, contém uma descrição detalhada desse processo.

[Figura (d) de W. J Stark, L. Mädler, M. Maciejewski, S. E. Pratsinis e A. Baiker, “Flame-Synthesis of Nanocrystalline Ceria/Zirconia: Effect of Carrier Liquid”, Chem. Comm., 588-589 (2003). Reproduzido sob permissão da The Royal Society of Chemistry.]

As propriedades de alguns materiais são profundamente influenciadas pela presença de imperfeições. Consequentemente, é importante ter conhecimento sobre os tipos de imperfeições que existem e sobre os papéis que elas desempenham ao afetar o comportamento dos materiais. Por exemplo, as propriedades mecânicas dos metais puros apresentam alterações significativas quando os metais são ligados (isto é, quando são adicionados átomos de impurezas) – por exemplo, o latão (70 % cobre-30 % zinco) é muito mais duro e resistente do que o cobre puro (Seção 8.10).

 

Capítulo 6 Difusão

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A primeira fotografia nesta página é de uma engrenagem de aço que foi endurecida superficialmente – isto é, a camada mais externa da superfície foi endurecida seletivamente por um tratamento térmico a alta temperatura durante o qual o carbono da atmosfera circundante se difundiu para o interior da superfície. A “superfície endurecida” aparece como a borda escura mais externa do segmento da engrenagem que foi seccionado. Esse aumento no teor de carbono eleva a dureza da superfície (como será explicado na Seção 11.7), o que por sua vez leva a uma melhoria na resistência da engrenagem ao desgaste. Além disso, são introduzidas tensões compressivas residuais nessa região da superfície; essas tensões dão origem a uma melhora na resistência da engrenagem a uma falha por fadiga durante sua operação (Capítulo 9).

Engrenagens de aço com endurecimento da superfície são usadas nas transmissões de automóveis, semelhantes àquela mostrada na fotografia diretamente abaixo da engrenagem.

 

Capítulo 7 Propriedades Mecânicas

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A Figura (a) mostra um equipamento que mede as propriedades mecânicas dos metais usando a aplicação de forças de tração (Seções 7.3, 7.5 e 7.6). A Figura (b) é um gráfico gerado a partir de um ensaio de tração realizado em um equipamento como esse em uma amostra de aço. os dados representados são a tensão (eixo vertical – uma medida da força aplicada) em função da deformação (eixo horizontal – relacionada com o grau de alongamento da amostra). As propriedades mecânicas módulo de elasticidade (rigidez, E), limite de escoamento (sl) e limite de resistência à tração (LRT) são determinadas como está mostrado nos gráficos.

Uma ponte suspensa é mostrada na Figura (c). o peso do pavimento da ponte e dos automóveis impõe forças de tração sobre os cabos de suspensão verticais. Essas forças são transferidas para o cabo de suspensão principal, que está em forma mais ou menos parabólica. A(s) liga(s) metálica(s) a partir da(s) qual(is) esses cabos são construídos deve(m) atender a certos critérios de rigidez e de resistência. A rigidez e a resistência da(s) liga(s) podem ser avaliadas a partir de ensaios realizados usando equipamentos de ensaio de tração (e os gráficos tensão-deformação resultantes) semelhantes àqueles mostrados.

 

Capítulo 8 Mecanismos de Deformação e de Aumento da Resistência

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A fotografia mostrada na Figura (b) é de uma lata de bebida de alumínio parcialmente conformada. A fotomicrografia associada na Figura (a) representa a aparência da estrutura de grãos do alumínio – isto é, os grãos são equiaxiais (tendo aproximadamente as mesmas dimensões em todas as direções).

A Figura (c) mostra uma lata de bebida totalmente conformada, cuja fabricação é feita por uma série de operações de estiramento profundo durante as quais as paredes da lata são deformadas plasticamente (isto é, são estiradas). Os grãos de alumínio nessas paredes mudam de forma – isto é, eles se alongam na direção do estiramento. A estrutura de grãos resultante é semelhante àquela mostrada na fotomicrografia correspondente, Figura (d). A ampliação das Figuras (a) e (d) é de 150×.

[As fotomicrografias das Figuras (a) e (d) foram tiradas de W. G. Moffatt, G. W. Pearsall e J. Wulff, The Structure and Properties of Materials, Vol. I, Structure, p. 140. Copyright © 1964 por John Wiley & Sons, New York. Figuras (b) e (c) © William D. Callister, Jr.]

 

Capítulo 9 Falha

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Você já teve o incômodo de ter que fazer um esforço considerável para rasgar e abrir uma pequena embalagem plástica contendo amendoins, balas ou algum outro confeito? Provavelmente, você também já observou que quando um pequeno rasgo (ou corte) é feito na aresta, como aparece na fotografia (a), uma pequena força é necessária para rasgar e abrir a embalagem. Esse fenômeno está relacionado com uma das premissas básicas da mecânica da fratura: uma tensão de tração aplicada é amplificada na extremidade de um pequeno rasgo ou entalhe.

A fotografia (b) é de um navio-tanque que fraturou de maneira frágil como resultado da propagação de uma trinca completamente ao redor de seu casco. Essa trinca iniciou como algum tipo de pequeno entalhe ou defeito afilado. Quando o navio-tanque foi submetido a turbulências no mar, as tensões resultantes foram amplificadas na extremidade desse entalhe ou defeito até o ponto em que uma trinca se formou e rapidamente cresceu, o que ao final levou a uma fratura completa do navio-tanque.

 

Capítulo 10 Diagramas de Fases

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O gráfico nesta página de abertura é o diagrama de fases para a H2O pura. Os parâmetros representados graficamente são a pressão externa (eixo vertical, em escala logarítmica) em função da temperatura. Em certo sentido, esse diagrama é um mapa onde são delineadas as regiões para as três fases familiares – sólida (gelo), líquida (água) e gasosa (vapor). As três curvas representam as fronteiras entre as fases, que definem as regiões. A fotografia localizada em cada região mostra um exemplo de sua fase – cubos de gelo, água líquida sendo despejada em um copo, e vapor saindo de uma chaleira. (Fotografias cortesia de iStockphoto.)

Três fases para o sistema H2O estão mostradas nesta fotografia: gelo (o iceberg), água (o oceano ou mar) e vapor (as nuvens). Essas três fases não estão em equilíbrio entre si.

Uma das razões pelas quais o conhecimento e a compreensão dos diagramas de fases é importante para o engenheiro está relacionada com o projeto e com o controle dos procedimentos dos tratamentos térmicos; algumas propriedades dos materiais são funções de suas microestruturas e, consequentemente, de seus históricos térmicos. Embora a maioria dos diagramas de fases represente estados e microestruturas estáveis (ou de equi líbrio), eles são, entretanto, úteis na compreensão do desenvolvimento e na preservação de estruturas fora de equilíbrio e de suas respectivas propriedades; com frequência, acontece de essas propriedades serem mais desejáveis do que aquelas que estão associadas ao estado de equilíbrio. Isso pode ser ilustrado convenientemente pelo fenômeno do endurecimento por precipitação (Seções 11.10 e 11.11).

 

Capítulo 11 Transformações de Fases

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Dois diagramas de fases pressão-temperatura são mostrados: para H2O (acima) e CO2 (abaixo). Ocorrem transformações de fases quando são cruzadas as fronteiras entre as fases (as curvas) nesses gráficos, em consequência de variação na temperatura e/ou pressão. Por exemplo, o gelo derrete (se transforma em água) quando aquecido, o que corresponde a cruzar a fronteira entre fases sólido-líquido, como representado pela seta no diagrama de fases para a H2O. De maneira semelhante, ao cruzar a fronteira entre fases sólidogás do diagrama de fases do CO2, o gelo-seco (CO2 sólido) sublima (se transforma em CO2 gasoso). Novamente, uma seta delineia essa transformação de fases.

O desenvolvimento de um conjunto de características mecânicas desejáveis para um material resulta, com frequência, de uma transformação de fases, a qual é obtida por tratamento térmico. As dependências de algumas transformações de fases em relação ao tempo e à temperatura são representadas de maneira conveniente em diagramas de fases modificados. É importante saber como usar esses diagramas para projetar um tratamento térmico para determinada liga que produza as propriedades mecânicas desejadas à temperatura ambiente. Por exemplo, o limite de resistência à tração de uma liga ferro-carbono com composição eutetoide (0,76 %p C) pode ser variado entre aproximadamente 700 MPa (100.000 psi) e 2000 MPa (300.000 psi), dependendo do tratamento térmico empregado.

 

Capítulo 12 Propriedades Elétricas

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O funcionamento dos cartões de memória modernos, usados para armazenar informações digitais, depende das propriedades elétricas particulares do silício, um material semicondutor. (O cartão de memória está discutido na Seção 12.15.)

(a) Micrografia eletrônica de varredura de um circuito integrado, composto por silício e interconexões metálicas. Os componentes do circuito integrado são usados para armazenar informações em um formato digital.

(b) Três tipos diferentes de cartões de memória.

(c) Cartão de memória sendo inserido em uma câmera digital. Esse cartão de memória será usado para armazenar imagens fotográficas (e, em alguns casos, as localizações GPS).

Considerações sobre as propriedades elétricas dos materiais são, com frequência, importantes quando a seleção de materiais e a escolha dos processos de fabricação estão sendo feitas durante o projeto de um componente ou estrutura. Por exemplo, quando consideramos um circuito integrado, os comportamentos elétricos dos vários materiais são distintos. Alguns materiais precisam ser altamente condutores elétricos (por exemplo, os fios de conexão), enquanto outros devem ser isolantes (por exemplo, para o encapsulamento de proteção dos circuitos).

 

Capítulo 13 Tipos e Aplicações dos Materiais

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A fotografia (a) mostra bolas de bilhar feitas de fenol-formaldeído (baquelita). o texto da Seção Materiais de Importância, que segue a Seção 13.12, discute a invenção do fenol-formaldeído e seu uso em substituição ao marfim em bolas de bilhar. A fotografia (b) mostra uma mulher jogando bilhar.

Os engenheiros estão, com frequência, envolvidos em decisões sobre a seleção de materiais; isso exige que eles tenham alguma familiaridade com as características gerais de uma ampla variedade de materiais. Além disso, o acesso a bases de dados contendo os valores das propriedades para um grande número de materiais pode ser necessário. Por exemplo, nas Seções M.2 e M.3 do Módulo de Suporte On-line para Engenharia Mecânica, disponível on-line no GEN-IO, discutimos um processo de seleção de materiais que se aplica a um eixo cilíndrico que é tensionado em torção.

Após estudar este capítulo, você deverá ser capaz de realizar o seguinte:

1. Citar quatro tipos diferentes de aços, citar as diferenças em composição, as propriedades que os distinguem e algumas aplicações típicas para cada tipo.

 

Capítulo 14 Síntese, Fabricação e Processamento de Materiais

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A Figura (a) mostra uma lata de alumínio para bebidas em vários estágios de sua produção. A lata é conformada a partir de uma única lâmina de uma liga de alumínio. As operações de produção incluem o estiramento, a conformação do domo, o recorte de aparas, a limpeza, a decoração e a conformação do pescoço e do flange.

A Figura (b) mostra um trabalhador inspecionando um rolo de lâmina de alumínio.

Ocasionalmente, os procedimentos de fabricação e de processamento afetam de maneira adversa algumas das propriedades dos materiais. Por exemplo, na Seção 11.8 observamos que alguns aços podem se tornar frágeis durante tratamentos térmicos de revenido. Também, alguns aços inoxidáveis tornam-se suscetíveis à corrosão intergranular (Seção 16.7) quando são aquecidos durante longos períodos em uma faixa de temperaturas específica. Além disso, como discutido na Seção 14.4, as regiões adjacentes a juntas soldadas podem apresentar reduções na resistência e tenacidade como resultado de mudanças microestruturais indesejáveis. É importante que os engenheiros se familiarizem com as possíveis consequências associadas aos procedimentos de processamento e de fabricação para prevenir falhas não previstas dos materiais.

 

Capítulo 15 Compósitos

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(a) Uma estrutura compósita relativamente complexa é o esqui moderno. Essa ilustração, uma seção transversal de um esqui de neve de alto desempenho, mostra os vários componentes. A função de cada componente está anotada, assim como o material empregado em sua construção.

(b) A fotografia de um esquiador em uma neve fresca.

Com o conhecimento dos vários tipos de compósitos, assim como uma compreensão da dependência de seus comportamentos em relação às características, às quantidades relativas, à geometria/distribuição e às propriedades das fases constituintes, é possível projetar materiais com combinações de propriedades melhores do que as encontradas em quaisquer ligas metálicas, cerâmicos e materiais poliméricos monolíticos. Por exemplo, no Exemplo de Projeto 15.1 discutimos como um eixo tubular é projetado para atender requisitos específicos de rigidez.

Após estudar este capítulo, você deverá ser capaz de realizar o seguinte:

1. Listar as três divisões principais dos materiais compósitos e citar a característica que distingue cada uma delas.

 

Capítulo 16 Corrosão e Degradação dos Materiais

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(a) Um Ford Sedan Deluxe 1936 com uma carroceria feita inteiramente em aço inoxidável não pintado. Seis desses carros foram fabricados para prover um teste definitivo quanto à durabilidade e resistência à corrosão dos aços inoxidáveis. Cada automóvel registrou centenas de milhares de quilômetros de direção diária. Embora o acabamento superficial do aço inoxidável seja essencialmente o mesmo de quando o carro deixou a linha de montagem do fabricante, outros componentes não fabricados em aço inoxidável, tais como o motor, amortecedores, freios, molas, embreagem, transmissão e engrenagens, tiveram que ser substituídos; por exemplo, um carro teve três motores.

(b) Em contraste, um automóvel clássico do mesmo período que o mostrado em (a) está enferrujando em um campo em Bodie, Califórnia. Sua carroceria foi feita em aço‑carbono comum, que um dia foi pintada. Essa tinta oferecia uma proteção limitada para o aço, que é suscetível a corrosão em ambientes atmosféricos normais.

 

Capítulo 17 Propriedades Térmicas

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Um tipo de termostato – um dispositivo usado para regular a temperatura – utiliza o fenômeno da expansão térmica – o alongamento de um material ao ser aquecido. o coração desse tipo de termostato é uma tira bimetálica – tiras de dois metais com diferentes coeficientes de expansão térmica, as quais foram coladas ao longo dos seus comprimentos. Uma mudança na temperatura faz com que a tira se dobre; no aquecimento, o metal com o maior coeficiente de expansão se alongará mais, produzindo a direção do dobramento mostrada na Figura (a). no termostato mostrado na Figura (b), a tira bimetálica é uma bobina ou espiral; essa configuração permite uma tira bimetálica relativamente longa, mais deflexão para determinada variação na temperatura e maior precisão. O metal com o maior coeficiente de expansão está localizado no lado inferior da tira, tal que, no aquecimento, a bobina tende a se desenrolar. Preso à extremidade da bobina encontra‑se um interruptor de mercúrio – um pequeno bulbo de vidro que contém várias gotas de mercúrio [Figura (b)]. Esse interruptor está montado de modo tal que, quando a temperatura é variada, as deflexões da extremidade da bobina empurram o bulbo em uma direção ou na direção oposta; de maneira correspondente, o bolsão de mercúrio se desloca de uma extremidade à outra do bulbo. Quando a temperatura atinge o ponto de controle do termostato, é feito o contato elétrico, conforme o mercúrio se desloca para uma extremidade; isso liga a unidade de aquecimento ou de resfriamento (isto é, um forno ou um ar condicionado). A unidade se desliga quando uma temperatura limite é atingida e, à medida que o bulbo se inclina na outra direção, o bolsão de mercúrio se desloca para a outra extremidade e o contato elétrico é desfeito.

 

Capítulo 18 Propriedades Magnéticas

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(a) Micrografia eletrônica de transmissão que mostra a microestrutura perpendicular do meio de gravação magnético usado em drives de disco rígido.

(b) Discos rígidos de armazenamento magnético usados em computadores tipo laptop (à esquerda) e desktop (à direita).

(c) O interior de um drive de disco rígido. O disco circular gira tipicamente em uma velocidade de 5400 ou 7200 revoluções por minuto.

(d) Um computador tipo laptop; um dos seus componentes internos é um drive de disco rígido.

Uma compreensão do mecanismo que explica o comportamento magnético permanente de alguns materiais pode nos permitir alterar e, em alguns casos, moldar as propriedades magnéticas. Por exemplo, no Exemplo de Projeto 18.1, observamos como o comportamento de um material magnético cerâmico pode ser aprimorado pela alteração da sua composição.

 

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