Материаловедение и защитные технологии

Содержание:

1. Цель, задачи и содержание курса
2. Основы металлургического производства
   1. Литейное производство
      1. Изготовление литейных форм и стержней
      2. Машины и механизмы, применяемые в литейном производстве
      3. Металлы и сплавы, применяемые для получения отливок
      4. Процесс изготовления отливок
   2. Схема доменного производства
      1. Основные продукты доменного производства
   1. Металлургия стали
      1. Конвертерное производство стали
      2. Мартеновский способ выплавки стали
      3. Выплавка стали в электропечах
      4. Раскисление стали (завершающая операция)
      5. Строение стального слитка
   2. Производство других металлов
      1. Металлургия меди
      2. Металлургия титана
      3. Процесс получения алюминия электролизом
   3. Основы порошковой металлургии
      1. Методы получения порошков
      2. Формование порошков
      3. Спекание и его разновидности
      4. Порошковые материалы и изделия
   4. Напыление материалов. Сущность, методы и оборудование
      1. Вакуумное напыление
      2. Газотермическое напыление (ГТН)
      3. Методы газотермического напыления
      4. Назначение металлических газотермических покрытий
3. Способы получения заготовок
   1. Методы изготовления деталей для машиностроения
      1. Классификация материалов, применяемых в современном машиностроении
      2. Пути повышения качества и эффективности использования композиционных материалов
   2. Получение заготовок литьем. Специальные способы литья
      1. Способы литья их преимущества и недостатки
      2. Кокильное литье или литье в металлические формы
      3. Центробежное литье
      4. Литье под давлением
      5. Литье в оболочковые формы
      6. Литье по выплавляемым моделям
   3. Обработка материалов давлением (ОМД)
      1. Явление возврата и рекристаллизации
      2. Прокатка
      3. Прессование
      4. Волочение
      5. Ковка
      6. Штамповка
4. Сварка металлов
   1. Сущность процесса сварки
      1. Сварка пластическим деформированием
      2. Сварка плавлением
      3. Структурно-фазовые превращения при сварке
   2. Электрическая дуговая сварка
      1. Сущность электродуговой сварки
      2. Классификация дуговой сварки
      3. Строение и свойства электрической дуги
      4. Условия устойчивого горения сварочной дуги
      5. Ручная дуговая сварка
      6. Полуавтоматическая дуговая сварка
   3. Автоматическая сварка
      1. Технологические особенности сварки закрытой дугой
      2. Флюсы применяемые для автоматической сварки
      3. Технология автоматической сварки под флюсом
      4. Электрошлаковая сварка
   4. Электрическая контактная сварка
      1. Точечная сварка
      2. Шовная сварка
   5. Специальные способы сварки
      1. Электронно-лучевая и лазерная сварка
      2. Сварка взрывом
      3. Сварка трением
   6. Источники тока для питания сварочной дуги
   7. Дефекты сварных соединений и причины их образования
   8. Пайка материалов
      1. Способы пайки
      2. Материалы для пайки
      3. Способы пайки в зависимости от источника энергии
      4. Типы паяных соединений
      5. Подготовка деталей к пайке
5. Обработка металлов резанием
   1. Общие сведения
      1. Движения в процессе обработки заготовки
      2. Приводы и передачи станков
      3. Элементы режима резания
      4. Геометрия инструмента
   2. Назначение и технологические возможности метода обработки точением
      1. Обработка заготовок на станках токарной группы
      2. Сверлильно-расточные работы
      3. Обработка заготовок на сверлильных и расточных станках
      4. Фрезерование
6. Электрофизические и электрохимические способы обработки конструкционных материалов
   1. Электроэрозионная обработка
   2. Электрохимическая обработка
   3. Анодно-механическая обработка
   4. Ультразвуковые методы обработки металлов и неметаллических материалов

Технологии получения современных материалов§3. Композитные материалы

Композитный материал (композит) — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из нескольких компонентов (с различными физическими и химическими свойствами) с чёткой границей раздела между ними. Примером композита является известная вам фанера, склеенная из нескольких слоёв шпона, а в 5 классе вы ознакомились с гетинаксом — слоистым пластиком из спрессованной бумаги, пропитанной смолой.

Современные композиты часто приобретают новые улучшенные свойства, которыми отдельные, входящие в них компоненты, не обладают — это повышенная прочность, износостойкость, защита от механических повреждений и агрессивной среды и др.

Обычно инженеры создают композитные материалы для решения какой-либо конкретной задачи. Не существует универсального композитного материала для выполнения множества функций.

На рисунке 6 показаны композитные панели, широко применяемые при строительстве зданий, сооружений и изготовлении разнообразных технических объектов.

Рис. 6. Композитные панели: а — общий вид; б — вид в разрезе: 1 — защитная плёнка; 2 — лакокрасочное покрытие; 3 — лист алюминия; 4 — пластик; 5 — лист алюминия; 6 — антикоррозионное покрытие

Стеклопластики являются одним из самых доступных и недорогих композитов. Это материалы, состоящие из стеклянного волокна и связующего вещества — полимера. Детали из стеклопластика могут иметь любую форму, цвет и толщину.

До недавнего времени стеклопластики использовали преимущественно в самолётостроении, кораблестроении и космической технике. В настоящее время из стеклопластиков производят следующие изделия: дверные, оконные и другие профили, бассейны, водные аттракционы, водные велосипеды, лодки, лыжи, хоккейные клюшки, рыболовные удилища, навесы на остановках общественного транспорта, кузовные панели для грузовых и легковых автомобилей, трубы различного назначения и др. (рис. 7). Стеклопластик также широко применяют в жилищном строительстве.

Рис. 7. Изделия из стеклопластика: а — детская площадка; б — лодка; в — хоккейная коробка; г — скамейка

В домах детского творчества школьники часто вручную изготавливают стекло пластиковые корпуса моделей судов, самолётов, машин из эпоксидного клея и стеклоткани.

Биметалл — композитный материал, состоящий из двух или более различных металлических слоёв металлов или их сплавов. В бытовой технике (электрических утюгах, чайниках и др.) часто применяют биметаллические пластины из стали и меди. При повышении температуры медная часть пластины удлиняется сильнее, чем стальная, в результате чего пластина изгибается (рис. 8) и отключает электрический прибор, не допуская его перегрева (свойство теплового расширения металлов вы будете изучать на уроках физики).

Рис. 8. Биметаллическая пластина: а — в исходном состоянии; б — после нагрева: 7 — медь; 2 — сталь

Биметалл применяют для чеканки монет, изготовления термометров, корпусов атомноэнергетического оборудования, при изготовлении узлов ракетно- космической техники и т. д.

Практическая работа № 2

1. Назовите предметы обихода, изготавливаемые ранее из простых материалов (древесины, глины, металлов и др.), а в настоящее время — из современных материалов (пластмассы, керамики и др.).

2. Перечислите в рабочей тетради изделия, изготовленные из современных материалов, имеющиеся в вашем классе, школе, школьном дворе.

3. Рассмотрите изделия из пластмасс, предложенные учителем. Изучите значки маркировки пластмассы, нанесённые на эти изделия. Пользуясь таблицей 1, сделайте вывод о разрешённой области применения данных изделий.

Запоминаем опорные понятия

Композитный материал (композит), стеклопластики, биметалл.

Проверяем свои знания

1. Чем отличаются композитные материалы от других материалов?

2. Назовите примеры применения стеклопластиков.

3. Что такое биметалл?

§ 3§ 4

Профессии будущего

Технический прогресс не замедляет обороты, рождая потребность в новых профессиях. Среди них – science-художники и дизайнеры носимых энергоустройств. Появление этих профессий прогнозируют в 2021-2023 годах.

Science-художник

Специалист, использующий в своем творчестве научные достижения и данные исследований. Эта деятельность взаимодополняющая, когда творец может предложить работу, в которой отображена окружающая действительность, грядущие изменения

Важно, чтобы готовый продукт вызывал у зрителя или пользователя яркие эмоции

Наглядный пример для иллюстрации – писатель Жюль Верн, придумавший и подробно описавший в своем романе подводную лодку задолго до ее появления. Иными словами, Science-art задает направление развития.

Дизайнера носимых энергоустройств

Носимые энергоустройства – товары и гаджеты, предназначенные для индивидуального использования. Все они генерируют энергию небольшой мощности. Дизайнер придумывает концепцию и форму, подбирает цвета и фактуры, с которыми пользователю будет комфортно взаимодействовать.

К носимым энергоустройствам относятся не только гаджеты, а и обувь, одежда, аксессуары. Появление профессии прогнозируют к 2025 году, но базовую подготовку можно получать уже сейчас.

Трудоустройство, зарплата и карьера

Специалист по материаловедению может проявить себя в различных сферах деятельности. Такая универсальность делает профессию одной из наиболее востребованных в России. Возможные места работы:

• военная промышленность;
• IT-компания;
• научно-исследовательский институт;
• заводская лаборатория;
• компания, занимающаяся робототехникой;
• фирма, разрабатывающая и внедряющая системы автоматизации.

В большинстве случаев материаловеды получают хорошую зарплату. Её размер у молодых специалистов составляет 25—30 тыс. рублей, у профессионалов — до 100 тыс. рублей. Величина оклада зависит от множества различных факторов, начиная со степени квалификации сотрудника и заканчивая местом работы.

Прекрасную карьеру может построить не только материаловед, который стал учёным и написал множество научных трудов, но и простой работник предприятия (инженер, материаловед-химик и т. д. ). В первом случае специалист имеет шанс получить различные учёные степени и занять руководящие должности в НИИ, во втором — пройти путь от рядового сотрудника до начальника отдела, подразделения или всего предприятия. В любом случае придётся много учиться и постоянно повышать свой профессиональный уровень.

Трудоустройство

 Маркетинговый анализ показывает высокую востребованность магистров по данному направлению на международном рынке образовательных услуг. Магистры подготовлены к активной профессиональной деятельности в качестве:

• исследователя в сфере разработки новых материалов различного назначения;
• технолога по получению изделий из материалов с заданными свойствами;
• специалиста по разработке software в области новых материалов и технологий их получения.

Выпускники трудоустраиваются:

• на предприятия Минатома; Минавиапрома; предприятия и организации Национальной нанотехнологической сети; инновационные предприятия, создаваемые при поддержке Госкорпорации «Роснанотех»; предприятия-резиденты четырех особых экономических зон технико-внедренческого типа; предприятия авиакосмического комплекса; машиностроительные компании;
• в нанотехнологических центрах; научно-исследовательских организациях и вузах; институтах РАН.

Примеры трудоустройства

Научные, проектные и производственные организации и предприятия

• ОАО «Новосибирское авиационное производственное объединение им. В.П. Чкалова»;
• Федеральное государственное унитарное предприятие «Исследовательский центр им. М. В. Келдыша»;
• ООО «Научно-производственное предприятие «Нанокомпакт», г. Томск;
• ОАО «Российская самолётостроительная корпорация «МиГ»;
• MERZ Freedom Technologies, Germany; 
• Université de Lorraine, France
• Казахский национальный университет, Казахстан; 
• Карагандинский государственный университет, Казахстан;
• Гжельский завод «Электроизолятор», Москва; 
• ООО «Уралспецтранс», Екатеринбург; 
• ЗАО «НЭВЗ-КЕРАМИКС», Новосибирск; 
• ОАО «ТомскНИПИнефть», Томск; 
• НПФ «МИКРАН», Томск; 
• ООО «Томскнефтехим», Томск; 
• НПЦ ОАО «Полюс», Томск; 
• ОАО «Манотомь», Томск; 
• АО «Сибхимкомбинат», Северск

Компании топливно-энегетического комплекса

Компания «Шлюмберже» «Schlumberger Information Solutions» (SIS).

Предприятия государственной корпорации «Росатом»

• «Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики», г. Саров;
• «Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики», г. Снежинск.

Перспективы

Технолог и художник по материалам может реализовать творческий потенциал в мастерских по обработке гранита, мрамора, других камней, на ювелирных фабриках, в компаниях, занимающихся разработкой промышленного дизайна.

Одна из наиболее востребованных и прибыльных сфер деятельности – дизайн и изготовление памятников, надгробий. Мастера получают фиксированный оклад и процент от заказов. Оплата труда специалистов без опыта или с минимальным опытом стартует с 45-50 тысяч рублей.

Кем еще может работать выпускник факультета «Технологии обработки материалов»? На рынке труда есть спрос на:

• дизайнеров мебели, изделий из керамики и малой пластики;
• специалистов по созданию и росписи витражей;
• 3D дизайнеров;
• художников по металлу, дереву, стеклу.

Промышленный дизайнер

Востребованная профессия с хорошими перспективами. Промышленный дизайн охватывает разные производства:

• текстильное;
• кожгалантерейное;
• мебельное;
• деревообрабатывающее;
• автомобилестроительное;
• проектирование машин, станков и другого оборудования.

Главная задача промышленного дизайнера – придумать и создать продукцию, в которой эргономика сочетается с эстетикой и функциональностью.

Эргономичность готовых образцов – основной критерий оценки работы специалиста. Работа над проектом включает все этапы: от создания эскиза и его визуализации до конструирования отдельных элементов продукта и презентации его прототипа.

Промышленные дизайнеры часто участвуют в научных исследованиях, касающихся эргономики, а также контролируют испытания опытных образцов перед их запуском в серийное производство.

Востребованному работнику нужны знания в области инженерии, механики, рисования, а также чувство стиля и цвета. Промышленные дизайнеры не создают чертежи самостоятельно – их задача сводится к оптимизации существующих товаров, чтобы повысить их эстетическую и практическую ценность, привлекательность в глазах потребителей.

Заработная плата по России в среднем – 70-75 тысяч рублей. Крупные компании предлагают штатным сотрудникам 150-170 тысяч рублей.

Дизайнер-визуализатор

Визуализатор разрабатывает и оформляет 3D-объекты. Его услуги востребованы в рекламе, киноиндустрии, при разработке сайтов, компьютерных игр, мобильных приложений.

Все чаще открывают подобные вакансии архитектурные бюро, студии дизайна интерьера, компании по созданию упаковки. Оплата труда – 45-55 тысяч рублей, встречаются предложения с окладом 205 тысяч.

Особенности направления

Инженеры, получившие подобную специализацию, занимаются подготовкой заданий на разработку проектной документации, проводят патентные исследования, направленные на создание инновационных направлений. Они ищут оптимальные варианты переработки и обработки различных материалов, устройств, установок, их технологического оснащения с помощью автоматических систем проектирования.

Дипломированные специалисты проводят оценку экономической рентабельности определенного технологического процесса, принимают участие в проведении анализа альтернативных способов производства, организуют обработку и переработку продукции, участвуют в процессе сертификации изделий, технологий.

Оплата труда

Компании, где можно работать материаловедом

Формирование заработной платы для людей этой профессии зависит от региона проживания, опыта работы, профиля и высшего учебного заведения, в котором специалист получил образование. 

Карьера 

Материаловед – это не только инженер, но и ученый, поэтому у него есть перспективы карьерного роста. Специалист такого уровня может получать ученые степени и шагать по карьерной лестнице от рядового специалиста до начальника отдела.

Для получения опыта специалисты, которые закончили высшее учебное заведение, могут проходить практику на профильных предприятиях.

Профессиональные знания 

Материаловед в своей работе использует качественно оборудование и разнообразные приборы, необходимые для анализа тех или иных материалов: 

• электрохимические приборы;
• спектроскопы;
• методы и приборы для анализа (оптические, туннельные микроскопы и другие);
• приборы для химического синтеза (автоклавы, прессы, печи и другие). 

Также широко применяется компьютерное моделирование и внедряемые новшества, поэтому людям этой профессии необходимо изучать научные работы, чтобы не пропустить появление новых технологий и методик анализа. 

Известные люди этой профессии 

1. Альтман Мориц Борисович – известный российский материаловед, специализировался на области авиации и металлургии.
2. Бурханов Геннадий Сергеевич – российский материаловед, лауреат Государственных премий, профессор.
3. Митин Борис Сергеевич – российский материаловед, профессор.

Чем занимаются выпускники

Различные вещества и материалы используются в любой отрасли промышленности. Металл, фанера, краска, пластмасса – это все необходимое для выпуска готовой продукции сырье. Магистры материаловедения и технологий моделируют, изготавливают, совершенствуют различные вещества, субстанции, сплавы. Промышленные предприятия заинтересованы в современных специалистах, которые могут создавать композиты и наноматериалы. Внедрение инновационных технологий помогает укрепить конструкции, повысить КПД, уменьшить силу трения и нагрев поверхностей, снизить риск экологического загрязнения. Направление не перестает развиваться и предлагает специалистам решать новые творческие задачи.

Навыки

Государственный стандарт определяет паспорт компетенций, в соответствии с которым студенты во время обучения овладевают общими и профессиональными навыками. Благодаря теоретическим и практическим занятиям магистры умеют:

• различать типы и марки материалов;
• совершенствовать технологические процессы получения и обработки материалов;
• обслуживать оборудование, используемое для изготовления материалов;
• создавать новые технологии и материалы, внедрять их в производство;
• подбирать материалы в соответствии с элементами конструкции и оборудованием;
• обеспечивать экологическую безопасность;
• читать и создавать чертежи;
• пользоваться стандартами;
• создавать техническую документацию.

Дисциплины

Теоретическая часть учебного плана включает изучение обязательных и профильных дисциплин. Студенты получают общие знания по философии, математическому моделированию, информационным технологиям, деловому иностранному языку, материаловедению. Чтобы знать свою область деятельности и правильно выполнять профессиональные обязанности, магистранты изучают узкоспециализированные дисциплины в соответствии с рабочей программой. Например:

• основы автоматического проектирования в изучаемой области;
• вопросы сварки плавлением;
• управление свойствами неразъемных соединений;
• технологии создания материалов;
• основы физики и химии полимеров;
• физические основы прочности и механика разрушения материала;
• технологическое оборудование и автоматизация на производстве;
• теория обработки полимерных материалов;
• модификация композитов;
• разрушение и усталость материалов;
• переработка полимеров и композитов;
• основы теории реологии.

Практика

Часть практических занятий (учебная) проходит в университете. Магистранты осваивают навыки написания научно-исследовательской работы, ставят опыты и эксперименты на базе студенческой лаборатории.

Вторая часть практики проходит на предприятии, где стажируются будущие специалисты. Прикладные навыки отрабатываются непосредственно в условиях профессиональной деятельности. Параллельно студенты проводят исследования и пишут научную работу, которая становится основой ВКР.

После успешного освоения теоретических и прикладных навыков магистранты допускаются к сдаче междисциплинарного государственного экзамена и защиты выпускной квалификационной работы. Пройдя испытания, студенты получают степень магистра.

Где работать?

Инженер по материаловедению и технологиям может работать в государственных и коммерческих структурах, которые занимаются:

• выпуском продукции оборонного значения;
• робототехникой;
• биотехнологиями;
• IT и нанопроизводством;
• разработкой и внедрением систем автоматизации;
• научными исследованиями;
• лабораторными испытаниями экспериментальных образцов.

Материаловед – это ученый, исследователь и инженер в одном лице, поэтому карьеру он может сделать в научной и производственной сфере. В первом случае карьерный рост будет заключаться в подготовке и защите диссертаций, получении ученых степеней, всероссийском и международном признании.

Во втором случае выпускник начнет работать рядовым специалистом и шаг за шагом дорастет до менеджера, начальника отдела, а затем и до руководителя филиала или предприятия.

Конкурентные преимущества

 Выпускник программы «Materials Science (Материаловедение)» способен:

• осуществлять научно-исследовательскую работу в области современного материаловедения, создания новых материалов, исследования их свойств, разработки технологии их получения, конструирования материалов с заданными свойствами на базе компьютерных технологий;
• осуществлять производственно-технологическую деятельность, обеспечивающую внедрение и эксплуатацию новых наукоемких разработок, востребованных на мировом рынке в области производства, применения и диагностики наноматериалов и покрытий;
• осуществлять поиск и получение новой информации, необходимой для решения инженерных задач в области интеграции знаний применительно к своей сфере деятельности, к активному участию в инновационной деятельности предприятий и организаций, в том числе транснациональных компаний;
• обосновывать и отстаивать собственные заключения и выводы в аудиториях разной степени профессиональной ориентации, заниматься организационно-управленческой деятельностью в междисциплинарных областях производства, осознавать ответственность за принятие своих профессиональных решений, работать в интернациональной команде.

Выпускник программы «Материаловедение и технологии материалов» способен:

• осуществлять научно-исследовательскую работу в области современного материаловедения, создания новых материалов, исследования их свойств, разработки технологии их получения, конструирования материалов с заданными свойствами на базе компьютерных технологий;
• осуществлять производственно-технологическую деятельность, обеспечивающую внедрение и эксплуатацию новых наукоемких разработок, востребованных на мировом рынке в области производства, применения и диагностики наноматериалов и покрытий;
• разрабатывать наноматериалы и покрытия новых поколений;
• решать проблемы промышленных предприятий, включая управление проектами, обучение персонала, выбор и проведение исследовательских работ.

Выпускник программы «Производство изделий из наноструктурных материалов» способен:

• работать на современных технологических установках, приборах анализа и контроля наноструктур;
• применять специализированное и распространенное программное обеспечение;
• адаптироваться к динамике мирового развития производства разнообразных изделий из нанокерамики, нанокомпозитов, других материалов на основе нанопорошков;
• ориентироваться в океане информации о такой междисциплинарной сфере, как наноиндустрия, включающей огромный спектр разнообразных технологий;
• применять знания иностранного языка в сфере профессиональной коммуникации;
• работать в команде для решения комплексных задач;
• создать и организовать новое производство.

Специфика обучения

Бакалавры в этом профиле обучаются следующим навыкам:

• подбирать информацию об имеющихся материалах, используя базы данных, а также разнообразные литературные источники;
• анализировать, отбирать, оценивать по эксплуатационным характеристикам материалы, выполняя при этом структурный комплексный анализ;
• коммуникативным навыкам, а также умению работать в команде;
• собирать информацию в сфере осуществляемых экспериментов, составлять отчеты, обзоры, определенные научные публикации;
• оформлять документы, записи, протоколы опытов.

Бакалавры имеют навыки проверки создаваемых проектов на полное соответствие всем законодательным нормативам. Они проектируют высокотехнологические процессы, предназначенные для начальных исследовательских и проектно-технологических структур, организуют и оснащают рабочие места необходимым оборудованием.

Практические занятия по дисциплине материаловедение

Кафедра материаловедения имеется в каждом техническом вузе. В период прохождения заданного курса студент изучает следующие методы и технологии:

Основы металлургии – история и современные методы получения сплавов металлов. Производство стали и чугуна в современных доменных печах. Разливка стали и чугуна, методы повышения качества продукции металлургического производства. Классификация и маркировка стали, ее технические и физические характеристики. Выплавка цветных металлов и их сплавов, производство алюминия, меди, титана и других цветных металлов. Применяемое при этом оборудование.

• Основы материаловедения включают в себя изучение литейного производства, современного его состояния, общих технологических схем получения отливок.
• Теорию о пластической деформации, чем отличаются деформация холодная и горячая, что такое наклеп, сущность горячей штамповки, способы холодной штамповки, спектр применения штамповочных материалов.
• Ковка: сущность этого процесса и основные операции. Что такое продукция прокатного производства и где она применяется, какое оборудование требуется для проката и волочения. Как получают готовую продукцию по этим технологиям, и где ее применяют.
• Сварочное производство, его общая характеристика и перспективы развития, классификация методов сварки различных материалов. Физико-химические процессы получения сварных швов.
• Композитные материалы. Пластмассы. Способы получения, общие характеристики. Методы работы с композитными материалами. Перспективы применения.