Engenharia de materiais para todos

Prefácio da primeira edição

Esta publicação já traz em seu título um grande desafio. Engenharia de Materiais para Todos ousa enfrentar a questão da democratização do conhe­ci­­mento. Isso se torna mais importante quanto mais rápido é o avanço­ da ciência e da tecnologia sobre o nosso cotidiano. Como pode exercer seus plenos direitos de cidadão aquele que não tem acesso aos conhecimentos que lhe permitam entender ou mesmo ter uma ideia das consequências das tecnologias utilizadas em seu dia a dia?

Os materiais tiveram papel fundamental na própria evolução da humanidade, desde seu início, quando o homem começou a escolher materiais disponíveis na natureza para utilizar como instrumentos. O ser humano foi aprendendo a utilizar e depois a produzir os materiais de que necessitava por meio da experimentação. No entanto, foi apenas depois de um certo desenvolvimento da ciência, já no século XIX, que se começou a entender por que alguns materiais têm certas propriedades e outros apresentam outras. Assim, foi possível começar a planejar o que fazer na fabricação para obter materiais com propriedades melhores para cada aplicação.

Atualmente existe uma ciência dos materiais. Seu desenvolvimento é tal que são utilizados materiais com propriedades que eram inimagináveis há menos de 20 anos. Esse é, por exemplo, o caso dos materiais utilizados em chips de memórias de vários gigabytes que cabem na ponta de nossos dedos, carregando centenas de músicas, fotos ou filmes. Existem também os sensores, que permitem que as máquinas sejam controladas por computadores, e até coisas mais corriqueiras, como as novas embalagens de alimentos e bebidas, que mudam suas formas de comercialização e influenciam os hábitos alimentares da população. Tudo isso afeta nossas vidas, as relações entre as pessoas e o meio ambiente.

Entender como isso tudo funciona também exige conhecimentos sobre materiais. Assim, a ciência dos materiais já faz parte dos conhecimentos mínimos a que todos precisam ter acesso na educação básica, como as habilidades de ler e escrever e os conhecimentos de matemática, química, física e biologia. Como necessidade básica, essa educação é, então, um direito de todos. Não é por simples curiosidade que uma das características do ser humano é a busca por compreender e saber como funcionam as coisas; isso acontece principalmente por necessidade.

Engenharia de Materiais para Todos começa bem a enfrentar o seu desafio. Não cai na tentação de somente falar das curiosidades dos materiais nas novas tecnologias, tampouco de mostrar como tudo isso é muito complicado. Pelo contrário, aqui o leitor encontrará as pistas que levam desde seus conhecimentos de ciências básicas até o começo de uma compreensão dos materiais, falando dos átomos até os materiais compósitos. Assim, os textos apresentados são acessíveis aos estudantes do ensino médio e, por não deixar de lado a precisão e o rigor dos conceitos abordados, podem contribuir para a formação inicial de engenheiros.

Este livro é uma boa contribuição para que professores, escolas e a Universidade Pública realizem uma de suas tarefas: fazer do conhecimento um bem público.

Prof. Dr. Roberto Tomasi

Ex-Pró-reitor de Graduação da UFSCar (gestão 2004-2008)

Professor-associado II do DEMa/UFSCar

São Carlos, 8 de maio de 2009

Prefácio da segunda edição

Desde 2009, quando o Engenharia de Materiais para Todos foi lançado, o mundo dos materiais já se modificou, tanto com relação a descobertas de novos materiais ou desenvolvimento de melhorias de propriedades dos já existentes como também em relação à importância que se dá aos vários tipos de materiais como potencializadores de melhorias de produtos e componentes.

A rapidez com que as tecnologias vão se alterando ou se aperfeiçoando modifica diversos aspectos de nosso cotidiano. Em relação ao conhecimento sobre os materiais, não é diferente. Igualmente rápido também se transforma o desenvolvimento dos materiais, as suas técnicas de processamento, as suas aplicações nos mais diversos setores da economia. Incluem-se neste turbilhão de transformações também questões relacionadas ao ensino sobre materiais, principalmente no que se refere à Ciência dos Materiais e à Engenharia de Materiais, e nessa correnteza vão todas as outras engenharias, necessariamente.

Por isso, decidimos fazer uma pequena, mas importante, complementação para esta segunda edição em 2014. Além de algumas atualizações em alguns capítulos da primeira edição, foram acrescentados dois novos capítulos. Um deles se intitula Biomateriais: um breve histórico, que introduz o leitor aos materiais usados para substituir alguma parte de nosso corpo ou para funcionar em contato íntimo com o tecido vivo. Os biomateriais vêm para facilitar e prolongar a vida das pessoas. Um segundo novo capítulo trata da Introdução aos nanomateriais, assunto atual e que está transformando todos os conceitos sobre materiais. Nas chamadas nanociência ou nanotecnologia, manipulam-se os detalhes dos materiais na escala nanométrica (0,000000001 metro), isto é, numa escala praticamente atômica. O terceiro capítulo adicionado a esta edição é denominado Informação tecnológica em engenharia de materiais. Tão importante quanto os próprios materiais, a informação sobre produtos, tecnologias, processos, fabricação, economia, matérias-primas e tantos outros aspectos tem cada vez mais valor num mundo altamente informatizado. Com certeza, o Engenharia de Materiais para Todos se tornou mais atrativo. Esperamos que alunos e professores do ensino médio e estudantes e professores dos cursos de qualquer modalidade de engenharia, com destaque para os de Engenharia de Materiais, encontrem nesta segunda edição inspiração para seus estudos, sua aprendizagem e seus ensinamentos. Não temos como fugir do mundo dos materiais. Então, o melhor é procurarmos entendê-lo da melhor forma possível. Desejamos boa leitura e bons estudos.

José de Anchieta Rodrigues

Professor-associado 4

Daniel Rodrigo Leiva

Professor adjunto I

São Carlos, 17 de junho de 2014

UFSCar/CCET/DEMa

Prefácio da Terceira Edição

Com muita alegria trazemos a você leitor mais uma edição do livro Engenharia de Materiais para Todos. Desde o lançamento da primeira edição em 2010, já se passaram 10 anos, e a Ciência e a Engenharia de Materiais seguem evoluindo e transformando a economia e a sociedade, no Brasil e no mundo, através de melhorias em produtos e processos, as quais são alcançadas quando se desvendam detalhes das correlações entre estrutura, processamento, propriedades e aplicações dos materiais.

Em 2020, foram comemorados 50 anos da Engenharia de Materiais no Brasil. Em 1970, tinha início na Universidade Federal de São Carlos o curso de graduação pioneiro na área no País. Atualmente são mais de 50 cursos em todo o território nacional, contribuindo de forma decisiva para a academia e indústria brasileiras, alavancando nosso desenvolvimento econômico e social, uma vez que a Engenharia de Materiais é a engenharia das engenharias, uma engenharia habilitadora, que traz soluções para todas as outras, como a Civil, Mecânica, Química, Elétrica, Aeronáutica etc. – todas precisam de materiais adequados e cada vez melhores para seus projetos e atividades.

Sabemos da importância de divulgar cada vez mais a Engenharia de Materiais junto ao público do ensino médio, para que os estudantes conheçam e assim possam se engajar nesta profissão tão importante. Também para os alunos do primeiro ano de qualquer outro curso de engenharia, este livro desperta a sua atenção para a importância dos materiais nos mais diferentes produtos e processos.

Nesta terceira edição, contamos com o apoio do projeto Movimenta Materiais (2019-2026), iniciativa de aprimoramento do curso da UFSCar, financiada pela CAPES e Comissão Fulbright, que deverá trazer atividades de modernização que sejam inspiradoras para outros cursos também. Entre estas iniciativas, incluem-se os esforços de divulgação da Ciência e Engenharia de Materiais. Fizemos uma revisão cuidadosa de todos os capítulos, e trazemos outros dois novos, intitulados Aprender Engenharia de Materiais: passado, presente e futuro, e Materiais para manufatura aditiva, que esperamos possam trazer ainda mais novidades para nossos leitores.

Desejamos a todos uma ótima leitura.

José de Anchieta Rodrigues

Daniel Rodrigo Leiva

Organizadores

São Carlos, 15 de dezembro de 2020

Departamento de Engenharia de Materiais

Universidade Federal de São Carlos

1. A carreira de Engenharia de Materiais e suas oportunidades

Tomaz Toshimi Ishikawa[1]

Para conceber o título de engenheiro, todas as instituições de ensino superior exigem formação de cinco anos. Ao longo do tempo, a Engenharia foi sendo dividida em áreas específicas do conhecimento, como a Engenharia Civil, responsável pelas construções de edificações. E mesmo essa Engenharia foi subdividida em especializações particulares, surgindo as áreas de saneamento, hidráulica, pontes e barragens, estruturas, rodovias, construções urbanas etc.

No Brasil, a Engenharia Metalúrgica, responsável pelo processamento e pela utilização de materiais metálicos, era predominante até a década de 1970, enquanto outros materiais como os polímeros, as cerâmicas e os compósitos eram utilizados em menor escala pela indústria brasileira. Nunca havia se pensado em criar uma Engenharia que estudasse, desenvolvesse e pesquisasse as mais diversas aplicações das diferentes classes de materiais mencionadas.

Em 1970, criou-se um curso pioneiro no Brasil e na América Latina, denominado Curso de Graduação em Engenharia de Materiais na Universidade Federal de São Carlos. Até então, poucas universidades no mundo tinham um curso específico sobre materiais.

A Engenharia de Materiais pode ser definida como a área do conhecimento ligada ao estudo, ao desenvolvimento, à produção e à utilização de materiais com aplicação tecnológica.

Na década de 1970, o mercado de trabalho não conseguia absorver facilmente os profissionais formados por falta de informação sobre a nova modalidade de Engenharia, mas, a partir dos anos 1980, a necessidade desses profissionais começou a crescer e, atualmente, existe uma demanda plena pelo engenheiro de materiais.

Assim, em todas as modalidades de Engenharia, principalmente nas tradicionais, nas quais a relação entre o número de candidatos para inserção profissional no mercado de trabalho e o número de vagas é altíssi­ma, os profissionais formados em Engenharia de Materiais enfrentam concorrência menor, o que contribui significativamente para a inserção no mercado de trabalho.

O número de instituições de ensino superior que criaram esse curso era limitado até a década de 1990, quando comparado com outras categorias de Engenharia, uma vez que tal modalidade exige alto investimento em laboratórios e professores de boa formação.

A partir da década de 1990, a necessidade e, como consequência, a procura por essa modalidade de Engenharia aumentaram consideravelmente, e, assim, dezenas de cursos foram criados em várias instituições de ensino superior. Segundo um levantamento feito no e-MEC (http://emec.mec.gov.br), em abril de 2020, existem mais de 50 cursos de graduação em Engenharia de Materiais espalhados pelo Brasil.

O profissional formado em Engenharia de Materiais trabalha em empresas que processam materiais e sua função é, geralmente, otimizar os processos de forma que os custos sejam reduzidos sem que o produto perca suas características, enquanto outros profissionais atuam na pesquisa e no desenvolvimento de forma a melhorar o desempenho dos materiais sem aumentar os custos.

O mercado de trabalho absorve esse profissional nas mais diversas áreas dentro das indústrias aeronáutica, automobilística, petroquímica, metalúrgica, siderúrgica, de pisos e revestimentos, louças sanitárias, refratários, vidros, de embalagens plásticas, indústrias de transformação de matéria-prima em produtos, entre dezenas de outras.

Nota-se que alguns egressos do curso de Engenharia de Materiais partem para o empreendedorismo, criando pequenas ou microempresas na área de Engenharia de Materiais, e uma porcentagem significativa desses profissionais tem tido sucesso na carreira.

Finalmente, vários engenheiros de materiais prosseguem seus estudos ingressando em programas de pós-graduação em Engenharia de Materiais ou áreas correlatas, com o objetivo de se tornarem pesquisadores ou de continuarem na área acadêmica para que futuramente possam se dedicar ao ensino e à pesquisa nas mais diversas instituições, como professores e/ou pesquisadores.

Em São Carlos, na Universidade Federal de São Carlos, no curso de Graduação em Engenharia de Materiais (Decreto no 76.789 de Reconhecimento do Curso, 15 de dezembro de 1975) já se formaram mais de 2.100 engenheiros de materiais, conforme informações da coordenação desse curso.

Enquanto isso, o Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais da UFSCar formou 879 mestres em Engenharia de Materiais e 415 doutores em Ciência e Engenharia de Materiais até o início de fevereiro de 2020, segundo a coordenação desse programa. O curso de mestrado foi criado em 1979 e o de doutorado, em 1987. Esse Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais tem sido destaque. Desde 1998 até o presente momento (2020), em avaliações trienais e mais recentemente quadrienais vem obtendo avaliação máxima pela Coordenação de Aperfeiçoamento de Professores do Ensino Superior (Capes/MEC), tendo padrão internacional com nota 7, que é o valor máximo na escala de avaliação daquela instituição.

A procura pelas indústrias de bons profissionais de Engenharia de Materiais tem sido muito grande nas últimas décadas, especialmente pelos formados no curso de graduação em Engenharia de Materiais da UFSCar.

A tradição do curso pioneiro e a boa avaliação pelas revistas especializadas refletem que baixíssima porcentagem dos formandos não é absorvida pelo mercado de trabalho, e assim pode-se concluir que essa carreira tem sido de muito sucesso entre as várias Engenharias no Brasil desde a sua criação em 1970.

Leituras recomendadas

Básicas:

http://www.dema.ufscar.br – portal do Departamento de Engenharia de Materiais da Universidade Federal de São Carlos.

O departamento agrega todos os professores que ministram disciplinas no curso de Engenharia de Materiais. É possível acessar informações sobre os laboratórios, as pesquisas, os programas de estágios, a grade curricular do curso e o perfil dos professores e suas linhas de pesquisa, bem como os artigos publicados.

http://www.mec.gov.br – portal do Ministério da Educação.

Nele é possível acessar inúmeras informações sobre as instituições de ensino superior, sua classificação, as condições de cada uma das instituições no Brasil, nas mais diversas áreas do conhecimento.

1 Engenheiro de materiais, professor titular do DEMa/UFSCar. Email: [email protected].

2. Um curso de graduação em Engenharia de Materiais

Walter Libardi[1]

Breve histórico

A Engenharia de Materiais caracteriza-se pela geração e aplicação de conhecimentos que relacionam a composição dos materiais, bem como o processamento, suas propriedades e aplicações. Essas relações envolvem conhecimentos de Física e Química. Assim, o curso de Engenharia de Materiais apresenta em seu currículo forte base nessas disciplinas. Além disso, oferece conhecimentos em Matemática, outra matéria indispensável, bem como forte interdisciplinaridade.

Foi a partir da década de 1950 que a área de Engenharia e Ciência dos Materiais começou a adquirir especificidade como campo de pensamento e de trabalho. Esse pensamento se fundamentava no conceito de que as propriedades e o comportamento dos materiais têm relação direta com sua estrutura interna. No entanto, os primeiros cursos de Ciência e Engenharia de Materiais foram criados somente na década de 1960, com o objetivo de formar profissionais nesse novo campo de atuação.

Ao profissional formado em Ciência e Engenharia de Materiais cabia atender às necessidades de outras engenharias, que buscavam em seus projetos a utilização de novos materiais ou mesmo materiais já conhecidos com melhor desempenho.

O termo Materials Science foi utilizado pela primeira vez como nome de um departamento acadêmico na Northwestern University em 1959. A justificativa para o nome centrava-se na importância da Ciência e Engenharia de Materiais (em inglês, Materials Science and Engineering). Nos anos seguintes, muitas outras universidades americanas utilizaram o nome Materials Science para suas unidades acadêmicas, sendo a maioria delas em substituição ao nome Metallurgy (Metalurgia).

Os cursos de Metalurgia, que até então se preocupavam somente com o estudo dos materiais metálicos, começaram a se preocupar também com os materiais cerâmicos, inicialmente, e, em seguida, com os materiais poliméricos. No final da década de 1960, a maioria dos departamentos de Metalurgia transformou-se em departamentos de Ciência e Engenharia de Materiais, principalmente pelo desenvolvimento das pesquisas com materiais cerâmicos e vidros. A partir dessa época, começou a existir interesse pelos materiais compósitos, que seria a quarta categoria na classificação dos materiais.

A consolidação do curso de graduação em Ciência e Engenharia de Materiais ocorreu na década de 1970 com sua criação em várias partes do mundo. Foi nessa época que se criou o Curso de Graduação em Engenharia de Materiais na Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), que começa a funcionar em março de 1970, com a criação da Universidade Federal de São Carlos, em São Carlos-SP.

Ele foi o pioneiro em nosso país, sendo que um segundo curso só começou a funcionar em 1979 na Universidade Federal de Campina Grande (antiga Universidade Federal da Paraíba), no estado da Paraíba. O terceiro foi em 1990 na Universidade Estadual de Ponta Grossa, no estado do Paraná.­ Atualmente, já são mais de 50 cursos de Graduação em Engenharia de Materiais distribuídos em quase todo o Brasil, o que mostra a consolidação dessa área profissional no país.

O curso da UFSCar

O curso da UFSCar apresenta em seu currículo a possibilidade de o aluno se formar em uma das três ênfases: cerâmicas, metais e polímeros, podendo ainda obter complementação em uma segunda ou até em uma terceira ênfase. Mesmo que o aluno escolha somente uma ênfase, terá conhecimento mínimo exigido nas outras.

Uma característica importante de um curso de Engenharia de Materiais é o grande número de disciplinas que envolvem atividades práticas. Isso explica a grande quantidade de laboratórios existente no Departamento de Engenharia de Materiais, que acolhe esse curso. Um fato de destaque do curso da UFSCar é o estágio supervisionado obrigatório durante um semestre, cujo objetivo é promover um treinamento prático ao aluno, oferecendo o ambiente de trabalho real que não pode ser simulado na Universidade. Esse sistema de estágio tem coordenação, a qual se incumbe de procurar a empresa em que o aluno irá estagiar. Durante o estágio, o aprendiz é orientado por um professor da Universidade e por um profissional da empresa.

Tendo em vista as exigentes necessidades do mercado, o currículo do curso de Engenharia de Materiais da UFSCar foi sofrendo modificações, aperfeiçoando-se cada vez mais. A mais recente começou a vigorar a partir de 2005, e mesmo esta já recebeu alterações para melhorá-lo ainda mais. Com característica diferente dos currículos anteriores, o atual pretende que o profissional formado seja mais generalista, e, assim, o conhecimento mínimo exigido fora da ênfase escolhida pelo aluno é maior. Além disso, nesse atual currículo procura-se aumentar a participação do aluno em atividades extraclasse, bem como o ensino de disciplinas que envolvem a utilização de computadores. Outra melhoria importante foi a flexibilização do período do estágio profissional.

Para isso, existem salas de aula especiais onde o aprendizado é todo realizado por meio de computadores e com uma interação direta entre professor e aluno. Outra novidade nesse atual currículo é que algumas disciplinas profissionalizantes foram antecipadas para os primeiros semestres do