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CIÊNCIA DOS MATERIAIS
CONCEITOS FUNDAMENTAIS
MATERIAL CRISTALINO:
Classificação dos materiais sólidos: de acordo com a regularidade pelas
qual seus átomos ou íons estão arranjados (CALLISTER, 2011);
Material cristalino: é um material no qual os átomos estão posicionados
em um arranjo repetitivo ou periódico ao longo de grandes distâncias
atômicas, formando uma estrutura tridimensional que se chama rede
cristalina.
Formam estrutura cristalinas sob condições normais de solidificação:
todos os metais, muitos materiais cerâmicos e alguns polímeros.
Materiais não cristalinos ou amorfos: são materiais que não se
cristalizam, onde a ordem atômica de longo alcance é ausente.
CONCEITOS FUNDAMENTAIS
ESTRUTURA CRISTALINA:
•Algumas propriedades dos sólidos cristalinos dependem do arranjo dos
átomos, íons ou moléculas.
•Existem inúmeras estruturas cristalinas diferentes;
•Podem variar desde estruturas simples, Ex.: metais; até estruturas
complexas, Ex.: alguns materiais cerâmicos e poliméricos.
CONCEITOS FUNDAMENTAIS
REDE CRISTALINA:
•Rede Cristalina: Arranjo tridimensional de pontos que coincidem com as
posições dos átomos, ou com os centros das esferas.
•Modelo atômico de esfera rígida: Esferas sólidas com diâmetros definidos
que representam os átomos onde os vizinhos mais próximos se tocam.
Figura 01- Arranjos atômicos (BECKER, Daniela; 2009).
CÉLULAS UNITÁRIAS
Células unitárias: são pequenas unidades que se repetem na
estrutura cristalina;
Elas podem ser, para a maioria das estruturas, paralelepípedos ou
prismas com três conjuntos de faces paralelas;
Uma célula unitária é a unidade estrutural básica, a qual define a
estrutura cristalina por meio da sua geometria e das posições dos
átomos no seu interior;
Pode-se utilizar mais que uma célula unitária para alguma estrutura
cristalina particular, porém utiliza-se a que possui maior nível de
simetria geométrica;
Figura 02 – Para a estrutura cristalina de faces centradas:
(a) representação da célula unitária por meio de esferas rígidas,
(b) célula unitária por esferas reduzidas,
(c) Um agregado de muitos átomos.
(Adaptado de CALLISTER, William D.; 1991).
Figura 03 – Exemplo células unitárias. (Adaptado
de BECKER, Daniela; 2009).
Índices h,k e l para Estrutura CFC:
(1,1,1)
(2,0,0)
(2,2,0)
(3,1,1)
Alguns metais ou ametais através do fenômeno
onde uma substância apresenta variações de
arranjos cristalinos em diferentes condições
(temperatura e pressão).
Elementos químicos conhecidos, 40 % apresentam
variações alotrópicas
Caram, 2015. Disponível http://www.fem.unicamp.br/~caram/estrutura.pdf
Caram, 2015. Disponível http://www.fem.unicamp.br/~caram/estrutura.pdf
Caram, 2015. Disponível http://www.fem.unicamp.br/~caram/estrutura.pdf
Caram, 2015. Disponível http://www.fem.unicamp.br/~caram/estrutura.pdf
ALOTROPIA DO F (ferro)
ccc
cfc
ccc
Até 910°C
De 910-1394°C
De 1394°C-PF
• Temperatura ambiente o Ferro tem estrutura
CCC, número de coordenação 8, fator de
empacotamento de 0,68 e um raio atômico de
1,241Å.
• A 910°C, o Ferro passa para estrutura CFC,
número de coordenação 12, fator de
empacotamento de 0,74 e um raio atômico de
1,292Å.
• A 1394°C o ferro passa novamente para CCC.
Caram, 2015. Disponível http://www.fem.unicamp.br/~caram/estrutura.pdf
O sistema cristalino está baseado na geometria da célula
unitária, na forma do paralelepípedo;
A geometria é definida em termos de seis parâmetros:
Os comprimentos das três arestas a,b e c;
Três ângulos entre os eixos α,β,γ;
Ciência e Engenharia dos Materiais – Uma introdução. Callister, Willian D.
Estes sistemas incluem todas as possíveis geometrias de divisão do
espaço por superfícies planas contínuas
x, y, z = eixos
a, b, c = comprimentos das arestas
, , = ângulos interaxiais
Célula Unitária
Reticulado
Prof. Eleani Maria da Costa. – DEM PUCRS. Disponível
http:// www.feng.pucrs.br/~eleani/Protegidos/3-%20estrutura_cristalina.ppt.
Células Unitárias
Estruturas Cristalinas formadas por unidades básicas e repetitivas;
sólido cristalino
Representado pela célula Unitária, que é o menor arranjo de átomos;
Existem 7 sistemas cristalinos básicos que englobam todas as substâncias
cristalinas conhecidas
Prof. Rubens Caram. Disponível http://www.fem.unicamp.br/~caram/estrutura.pdf
Os 7 sistemas são:
Sistema cúbico;
Tetragonal;
Hexagonal;
Ortorrômbico;
Romboédrico;
Monoclínico;
Triclínico.
Prof. Rubens Caram. Disponível http://www.fem.unicamp.br/~caram/estrutura.pdf
Ortorrômbico
a # b # c e α = β = γ = 90°
Prof. Rubens Caram. Disponível http://www.fem.unicamp.br/~caram/estrutura.pdf
Maioria dos elementos metálicos (90%) cristaliza-se com estruturas
altamente densas:
Cúbica de Corpo Centrado (CCC)
Cúbica de Face Centrada (CFC)
Hexagonal Compacta (HC)
Dimensões das células cristalinas metálicas são pequenas:
Aresta de uma célula unitária de Fe à temperatura
ambiente é igual a 0,287 nm
Sólidos Cristalinos de 1 único elemento:
52% - estrutura cúbica
28% - estrutura hexagonal
20% - outros 5 tipos estruturais
Prof. Rubens Caram. Disponível http://www.fem.unicamp.br/~caram/estrutura.pdf
•
FONTE: CALLISTER e RETHWISCH, 2012.
OU
FONTE: STROHAECKER et al., 2014.
• Ligação atômica de natureza não direcional;
• Mínimas restrições com relação a quantidade e posição de
átomos vizinhos;
• Elevado número de átomos visinhos;
• Arranjos atômicos compactos;
• No modelo de esferas rígidas, cada esfera representa um
núcleo iônico;
• Na maioria dos metais são encontradas estruturas cristalinas:
cúbica de face centradas (CFC), cúbica de corpo centrado
(CCC) e hexagonal compacta (HC).
FONTE: CALLISTER e RETHWISCH, 2012.
Sistema mais comum encontrado nos metais;
Os átomos estão localizados em cada um dos vértices e nos centros de todas as faces do cubo;
Cada átomo em um vértice é compartilhado por oito células unitárias;
Um átomo localizado no centro de uma face pertence a apenas duas células unitárias;
Essas posições são equivalentes, a translação do vértice do cubo, a partir de um átomo
localizado no centro do vértice para um átomo no centro de uma das faces não altera a
estrutura da célula unitária.
Um oitavo de cada um dos oito átomos nos vértices (1) e metade de cada um dos seis átomos
das faces (3), pode ser atribuido a uma célula inteira, ou seja, quatro átomos inteiros;
Número de coordenação = 12 ;
FEA = 0,74 (máximo empacotamento possível para esferas de mesmo diâmetro);
Ex: cobre, alumínio, prata e ouro.
FONTE: CALLISTER e RETHWISCH, 2012.
Estruturas cristalinas cúbica de face centradas (CFC)
FONTE: SILVA, 2014.
•
FONTE: CALLISTER e RETHWISCH, 2012.
Célula unitária cúbica, com átomos localizados em todos os
oito vértices e um unico átomo no centro.
FONTE: SILVA, 2014.
•
FONTE: CALLISTER e RETHWISCH, 2012.
FONTE: PACIORNIK, 2014.
• É formada por dois hexágonos sobrepostos e entre eles existe um plano intermediário de três
átomos. Nos hexágonos existem seis átomos nos vértices e um outro no centro.
FONTE: CALLISTER e RETHWISCH, 2012.
FONTE: SILVA, 2014.
Número de átomos na célula unitária = 6 (um sexto de
cada um dos 12 átomos nos vértices das faces superior e
inferior, metade de cada um dos dois átomos no centro
das faces superior e inferior e todos os três átomos
interiores no plano intermediário);
Os metais não cristalizam no sistema hexagonal simples
porque o fator de empacotamento é muito baixo,
exceto cristais com mais de um tipo de átomo.
FONTE: CALLISTER e RETHWISCH, 2012.
• A razão a/c vale, para os metais 1,633, exceto para
alguns metais.
• a e c representam respectivamente a menor e a
maior dimençãoda célula unitária;
• Número de coordenação = 12;
• FEA = 0,74;
• Ex: Cádmio, magnésio, titânio e zinco.
FONTE: CALLISTER e RETHWISCH, 2012.
FONTE: PACIORNIK, 2014.
•
FONTE: CALLISTER e RETHWISCH, 2012.
•
Fator de empacotamento atômico 0,74
Forma mais eficiente de empacotamento
Cúbica de face centrada e Hexagonal compacta
Além da representação por células unitárias, elas podem ser
representadas por planos compactos de átomos
Ambas estruturas (CFC e HC) podem ser geradas pelo
empilhamento planos compactos
A diferença entre as duas é a seqüência de empilhamento
Um segundo plano compacto pode ser posicionado de forma
equivalente, porém o terceiro plano pode ter o centro de seus
átomos alinhados ou não com a posição da primeira camada.
A - centro dos átomos no plano compacto;
B e C – depressões triangulares formado por três átomos
adjacentes onde o próximo plano irá de encaixar
Depressões com vértice para cima são as chamadas “B”
Depressões com vértice para baixo são as chamadas “C”
• Seqüência de empilhamento de planos compactos ABAB... –
estrutura hexagonal compacta
• Seqüência de empilhamento de planos compactos ABCABC...
– estrutura cúbica de face centrada
Fonte: Silva e Zerefino, 2005.
Em um sólido cristalino, quando o arranjo periódico e repetido
dos átomos é perfeito ou se estende por toda a amostra, sem
interrupções, o resultado é um monocristal.
• Todas as células unitárias
interligam-se da mesma
maneira e possuem a mesma
orientação.
Se for permitido que as
extremidades de um monocristal
cresçam sem qualquer restrição
externa, o cristal assumirá uma
forma geométrica regular, com
faces planas, como acontece
com algumas pedras preciosas.
A forma é um indicativo da
estrutura cristalina.
Provavelmente, a manifestação mais evidente de uma ordem cristalina, é a forma de um monocristal
que tenha crescido por processos naturais. A figura mostra um cristal gigante de quartzo.
Observa-se que sua simetria é aproximadamente hexagonal, como se deveria esperar da estrutura
cristalina do quartzo.
http://www.conversatorio.com.br/wp-
content/uploads/2013/04/Aula-03-04-2013.pdf
A maioria dos sólidos cristalinos é composta por um conjunto de muitos cristais pequenos
ou grãos; são chamados policristalinos.
Pequenos núcleos de
cristalização
Crescimento dos
cristalitos; obstrução de
alguns grãos adjacentes
Conclusão da
solidificação; foram
formados grãos com
formas irregulares
A estrutura de grãos
como ela apareceria sob
um microscópio
Fonte: Callister, 2012
Algumas propriedades físicas dependem da direção
cristalográfica na qual as medições são tomadas;
Direcionalidade das propriedades é conhecida com
Anisotropia;
Isotropia – propriedades medidas são independentes
da direção;
Materiais policristalinos – magnitude da propriedade
medida representa uma média dos valores direcionais;
Material possui textura - materiais policristalinos que
possuem uma orientação cristalográfica preferencial.
http://www.joinville.udesc.br/portal/professores/daniela/materiais/Aula_3___Estrutura_Cristalina.pdf
As propriedades físicas dos monocristais dependem da direção
cristalográfica na qual as medições são feitas.
• Essa direcionalidade das propriedades é denominada anisotropia e está associada à
variação do espaçamento atômico ou iônico em função da direção cristalográfica.
• Exemplo: módulo de elasticidade e
condutividade elétrica, que podem
ter diferentes valores nas direções
[100] e [111].
Para muitos materiais policristalinos, as orientações cristalográficas dos grãos
individuais são totalmente aleatórias.
A dureza do diamante depende
da orientação do corte
Embora cada grão possa ser anisotrópico, uma
amostra composta pelo agregado de grãos se
comporta de maneira isotrópica. Assim, a
magnitude de uma propriedade medida
representa uma média dos valores direcionais.
Coordenadas dos Pontos e direções cristalográfica
A posição de qualquer ponto localizado no interior de uma célula unitária pode ser
especificada em termos de suas coordenadas, calculadas como múltiplos fracionários dos
comprimentos das arestas das células unitárias, isto é, em termos de a, b e c.
Exemplo 01: Para a célula abaixo (a) localizar a coordenada ¼ ,1 , ½
Fonte: Ciência e Engenharia de Materiais: uma introdução –
Callister, JR., William D., 1940.
Exemplo 02: Especifique as coordenadas de pontos para todas as posições
atômicas da célula CCC.
Fonte: Ciência e Engenharia de Materiais: uma introdução –
Callister, JR., William D., 1940.
Direções cristalográficas
É uma linha entre dois pontos (um vetor).
Regras para a determinação de direções cristalográficas:
•Desenhar um vetor na direção desejada;
•Decompor o vetor em componentes projetando-as nos eixos de
coordenadas;
•Registrar as componentes na ordem x, y, z;
•Multiplicar as componentes pela menor constante que resulte em três
índices inteiros;
•O resultado são os três índices de Miller. Expressos entre colchetes
representam uma direção cristalográfica.
Exemplo 03: Determine os índices para a direção mostrada na figura abaixo. As
projeções do vetor na origem são: a/2, b e 0c.
Fonte: Ciência e Engenharia de Materiais: uma introdução –
Callister, JR., William D., 1940.
Famílias de Direções e Planos Cristalográficos
•Famílias de planos equivalentes são expressas entre { };
•Os seis planos das faces do cubo podem ser expressas por { 1 0 0 };
•Famílias de direções são expressas entre < >;
•As seis direções ±x, ±y, ±z podem ser representadas por: <1 0 0>;
•As faces do cubo acima
•têm índices de Miller:
•(100), (010), (001),
•(100), (010) e (001).
Direções Cristalográficas em Cristais Hexagonais
Simetria hexagonal:
Direções equivalentes não irão possuir mesmo conjuntos de índices.
Sistema Coordenado
de Miller-Bravais [uvtw]
Sistema Coordenado de Miller-Bravais [uvtw]
u = 1/3 (2u’- v’)
v = 1/3 (2v’ – u’)
t = -1/3 (u’+v’)
w = w’
Exemplo 04 : Determine
os índices para a
direção mostrada
na figura.
[010] = [1210]
-
a3
a1
a2
z
As orientações dos planos em uma estrutura cristalina são
representadas de uma semelhante.
Em todos os sistemas cristalinos, à excessão do sistema
hexagonal, os planos são especificados por três Índices de
Miller na forma (hkl).
Quaisquer dois planos paralelos entre si são equivalentes e
possuem índices idênticos.
O procedimento para determinar os valores dos índices h, k e l
são:
Se o plano passa através da origem, ou outro plano paralelo deve ser
construído no interior da célula unitária mediante uma translação
apropriada, ou uma nova origem deve ser estabelecida no vértice da
outra célula.
Ou o plano cristalográfico intercepta ou ele é paralelo a um dos três
eixos; o comprimento da interseção no infinito e, portanto, um
índice igual a zero.
• Os valores inversos desses números são
obtidos. Um plano paralelo a um eixo pode ser considerado como tendo
uma interseção no infinito e, portanto, um índice geral igual a zero.
• Se necessário, esses três números são mudados para o conjunto de
menores números inteiros pela multiplicação, ou divisão por um fator
comum.
• Finalmente, os índices não inteiros, não são separados por vírgula, são
colocados entre parênteses (hkl)
Determinar os Índices de Miller para o plano abaixo:
Uma vez que o plano passa através da origem selecionada O, uma nova origem
deve ser escolhida no vértice de uma célula unitária adjacente, identificada como
O’ e que está mostrada na figura (b). Esse plano é paralelo ao eixo x e a interseção
pode ser tomada como ∞ a. As interseções com os eixos y e z, referenciadas à nova
origem O’, são –b e c/2, respectivamente. Dessa forma, em termos dos parâmetrosda rede a,b e c, essas interseções são ∞, -1 e ½. Os inversos desses números são 0,
-1 e 2; e uma vez que todos são inteiros, nenhuma redução adicional é necessária.
Finalmente, colocando entre parênteses, tem-se (012)
Plano (1,1,1)
1/8 de átomo
1 átomo inteiro
• Justificando: Ra= 0,124 nm; λ=0,0711 nm; θ=46,21°
• Estrutura da aresta: a=4R√3 > a=4 x 0,124 x √3 > a=0,859 nm.
• Dhlk= a²/√h²+k²+l² > Dhlk= 0,859²/ √1²+1²+1² > Dhlk= 0,4261 nm
• nλ= 2 Dhlk senθ > nλ= 2 x 0,4261 x sem 46,21 > nλ= 0,6152 > n=0,6152/0,0711 > n=8,652
• “n” deve ser número inteiro - A lei específica que ocorrerá difração para células unitárias que possuem átomos
posicionados somente no vértice da célula. “n” é igual a 8 vértices.
A difratometria de raios X corresponde a uma das principais
técnicas de caracterização microestrutural de materiais
cristalinos.
Os raios X, ao atingirem um material (obstáculos) podem
ser espalhados elasticamente – sem perda de energia pelos
elétrons.
“A difração é uma consequencia de relações de fase
específicas estabelecidas entre duas ou mais ondas que
foram dispersas pelos obstáculos.” – CALLISTER, 2007
As condições para que ocorra a difração vão depender da
diferença de caminho percorrido pelos raios X e o
comprimento de onda da radiação incidente – Lei de Bragg
– n λ = 2 d senθ
A intensidade difratada depende do número de elétrons no
átomo.
Quando os raios X incidem
numa substância de
estrutura aleatória, são
disperses em todas as
direções.
No entanto, em planos
cristalinos haverá direções
preferenciais nas quais se dá
interferência construtiva ou
destrutiva dos raios X.
A técnica consiste na incidência
da radiação em uma amostra e na
detecção dos fótons difratados,
que constituem o feixe difratado.
Serve para estudar os efeitos
causados pelo material sobre esse
feixe de radiação.
Determina experimentalmente a
estrutura cristalina do material.
Os raios X de comprimento de onda 154 pm incidem num
cristal e são refletidos em um ângulo de 22,5°.
Considerando que n=1, calculi o espaçamento entre os
planos de átomos que são responsáveis por essa reflexão.
Solução:
d = n . λ
2 sen θ
d = 1 . 154
2 sen 22,5°
Fonte: Cristalografia e Difração em Raio X – Michele Oliveira
d = 154
2 . 0,383
d = 201 pm
Não apresentam arranjo atômico regular e sistemático ao
longo de distâncias atômicas grandes;
Também chamados de sólidos amorfos;
Suas estruturas atômicas lembram as de um líquido;
O termo já foi utilizado como sinônimo de vidro. Atualmente,
sólido amorfo é considerado o conceito abrangente e vidro
um caso especial.
São exemplos de materiais amorfos: vidros, géis, ceras,
plásticos, nanoestruturas;
Formados durante a solidificação do material;
Um material pode ser formado de maneira cristalina ou não,
dependendo da facilidade em que ele alcance um estado
ordenado durante o processo de solidificação;
Os materiais amorfos são caracterizados por uma estrutura
atômica complexa e que apresenta dificuldade de ordenação;
O resfriamento rápido, em temperaturas inferiores à
temperatura de congelamento, favorece a formação de
materiais não-cristalinos pelo pouco tempo disponível para a
ordenação durante o processo.
Esquemas bidimensionais para as estruturas do:
(a) dióxido de silício cristalino;
(b) dióxido de silício não-cristalino.
(a) (b)
CRISTALINOS
Partículas ordenadas;
Ponto de fusão bem definido;
Anisotrópicos (propriedades são
diferentes em cada direção do
material);
Quando cortados, apresentam um
corte limpo.
NÃO-CRISTALINOS
Partículas sem ordenação;
Ponto de fusão indefinido;
Isotrópicos (propriedades são iguais
em todas as direções do material);
Quando cortados, apresentam um
corte irregular.
CRISTALINOS
Resfriamento escalonado (reta entre a
e b representa o processo de
cristalização);
NÃO-CRISTALINOS
Resfriamento suave;
CRISTALINOS
Difratograma esquemático;
NÃO-CRISTALINOS
Difratograma esquemático;
EXERCÍCIO
65) Os picos de difração mostrados na Figura 3.22 (livro) estão identificados
de acordo com as regras de reflexão para estruturas CCC (isto é, a soma h
+ k + l deve ser par). Cite os índices h,k e l para os quatro primeiros picos
de difração de cristais CFC consistentes com a condição de h,k e l serem
todos pares ou ímpares.
R.: No caso da estrutura cristalina CFC, os planos difratores são aqueles
cujos índices de Miller são todos pares ou todos ímpares (zero é
considerado par). Por conseguinte, na estrutura cristalina CFC, os planos
difratores são {111}, {200}, {220}, etc., que estão indicados na Tabela 5.3
(SMITH e HASHEMI, 2012).
Referências
BECKER, Daniela. Estrutura de Sólidos Cristalinos. Material didático-
Aula 03. Joinville. 2009. Disponível
em:<http://www.joinville.udesc.br/portal/professores/daniela/materiais/A
ula_3___Estrutura_Cristalina.pdf>. Acesso: março de 2014.
SMITH, William, F.; HASHEMI, Javad. Fundamentos de Engenharia e
Ciência dos Materiais. 5ª ed. São Paulo: AMGH Editora Ltda, 2012.
CALLISTER, William D. Jr. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução;
São Paulo – 2011.
http://www.uvm.edu/~mcase/courses/chem23/lecture19.pdf;
http://www.sciencehq.com/chemistry/crystalline-and-amorphous-solids.html;
PACIORNIK, SIDNEI. Estrutura Cristalina. Departamento de Ciência dos Materiais e
Metalurgia da PUC-Rio. Disponivel em: <http://pt.slideshare.net/niqueloi /estrutura-
cristalina>. Acesso em: 25 de março de 2014.
SILVA, FELIPE RODRIGUES DA. Tipos de estrutura cristalina e seus elementos.
Senai Robert Simonsen. 2009. Disponivel em:
<http://amigonerd.net/exatas/engenharia/tipos-de-estrutura-cristalina-e-seus-
elementos>. Acesso em: 25 de março de 2014.
STROHAECKER, TELMO ROBERTO; FRAINER, VITOR JOSÉ; TIER, MARCO DURLO.
Princípios de Tratamentos Térmicos em Aços e Ferros Fundidos. FURG, UFRGS,
Unipampa. Disponivel em: <http://www.ebah.com.br/content/ABAAAe9PIAF/trat-
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Callister, Willian D., 1940. Ciência e engenharia de materiais; tradução Sergio Murilo
Stamile Soares; revisão técnica José Roberto Moraes de Almeida. Rio de Janeiro; LTC,
2012.
Caram, Rubens - 2015. Disponível http://www.fem.unicamp.br/~caram/estrutura.pdf,
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Shackelford, James F. Introdução à ciência dos materiais para engenheiros / James F.
Schackelford; tradução Daniel Vieira; revisão técnica Nilson C. Cruz. São Paulo: Pearson
Prentice Hall, 2008.
Ciência dos Materiais Multimídia.
http://www.cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=12&top=51
Estrutura Cristalina
http://www.conversatorio.com.br/wp-content/uploads/2013/04/Aula-03-04-2013.pdf
Diamantes para toda obra
http://super.abril.com.br/ciencia/diamantes-toda-obra-439860.shtml
http://www.fem.unicamp.br/~caram/estrutura.pdf
http://www.cienciadosmateriais.org/index.php?acao=exibir&cap=12&top=51
http://www.conversatorio.com.br/wp-content/uploads/2013/04/Aula-03-04-2013.pdf
http://www.conversatorio.com.br/wp-content/uploads/2013/04/Aula-03-04-2013.pdf
http://www.conversatorio.com.br/wp-content/uploads/2013/04/Aula-03-04-2013.pdf
http://www.conversatorio.com.br/wp-content/uploads/2013/04/Aula-03-04-2013.pdf
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