Характеристика конструкционных материалов: виды, свойства

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.

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.

Свойства конструкционных материалов

Их подразделяют на три группы – механические, физические и эксплуатационные.

Физические свойства конструкционных материалов — это параметры, которые можно измерить. Механические свойства считаются показателем поведения материала при различных условиях его нагружения. Эксплуатационные свойства определяют потребительскую ценность материала, например, долговечность и износостойкость.

Обычно все виды свойств рассматривают совместно.

Механические свойства

Определяются химическим составом и внутренней структурой материала, например размером зерна или направлением волокон. На уровень этих свойств влияют условия обработки, особенно, если обработка сопровождается перестройкой внутренней структуры. Уровень механических свойств зависит от условий применения.

Многие механические свойства взаимозависимы: высокие характеристики в одной категории могут сочетаться с более низкими характеристиками в другой. Например, более высокая прочность может быть достигнута за счет более низкой пластичности. Таким образом, верное понимание среды, в которой работает изделие, приводит к выбору оптимального материала.

Основные механические свойства:

• предельное сопротивление внешним нагрузкам – растяжению, сжатию, изгибу, сдвигу;
• деформируемость без потери целостности;
• упругость;
• удельная вязкость разрушения.

Физические свойства

Наряду с механическими определяют способность материала удовлетворять производственным требованиям, однако в большинстве случаев мало изменяются от условий внешней обработки.

Основные физические свойства:

• плотность;
• электропроводность;
• теплопроводность/теплоёмкость (иногда сюда же вносят температуропроводность);
• температуры перехода в различное структурное состояние;
• коэффициенты объёмного расширения.

Физические свойства могут измеряться непосредственно. Для каждого вида материала разработаны стандартные методики оценки, поэтому результат определяют узкие диапазоны значений. Выбор происходит обычно уже по заданным значениям физических параметров.

Технологические свойства

Используются для определения способности материала к обработке. Включают в себя пластичность и жёсткость, причём численные нормируемые параметры здесь отсутствуют. Технологические свойства конкретизируются для определённых условий обработки и устанавливаются исключительно по результатам испытаний на специализированном лабораторном оборудовании.

Эксплуатационные свойства

Необходимы для оценки долговечности/износотойкости изделия, которое изготовлено из данного конструкционного материала. Износостойкость — это мера способности материала противостоять контактному трению, которое может принимать различные формы:

• адгезию (сцепление;
• истирание;
• царапание, долбление;
• температурный износ.

Управление фактическими эксплуатационными показателями входит в число обязательных этапов конструирования детали или узла.

Химические свойства

Более значимы для материалов, состав которых может изменяться под влиянием внешних условий. К таким свойствам относят:

• стойкость против коррозии (для металлов);
• химическая стабильность (для пластика;
• инертность при воздействии внешних агрессивных сред.

Стабильность химических свойств имеет решающее значение при выборе типа композитов.

Особенности профессии

Работа материаловедов позволяет усовершенствовать многие существующие материалы, например: 

• экологичные упаковки для всех видов товаров, которые разлагаются в земле за короткое время;
• создание новейших материалов, благодаря которым происходит освоение космического пространства;
• материалы и топливо для автомобилей, позволяющие снизить выбросы выхлопных газов;
• безопасные материалы для стоматологических процедур;
• новейшие системы для компьютеров и прочих девайсов, которые повышают их функциональность.

Также люди этой профессии изучают уже существующие материалы, находя для них новые сферы применения. Их работа очень важна, ведь она направлена на улучшение экологической ситуации на планете. Можно выделить несколько направлений материаловедения: 

• космическое;
• нанотехнологии;
• кристаллография;
• изучение металлов или керамики;
• биоматериалы (изучение материалов, используемых в медицине).

Люди этой профессии занимаются анализом свойств (химических, физических) и изучением состава материала, разработкой новых материалов, технологий их изготовления и утилизации. За последние 10 лет люди этой специальности все более востребованы на рынке труда, ведь необходимо искать новые материалы для освоения космоса, создания экологичных автомобилей и других материалов, в которых так нуждается современный рынок. 

Плюсы и минусы профессии

Плюсы

• Профессия популярная, поэтому для получения высшего образования не придется переезжать в другой регион.
• Возможность получить бесплатное образование в своем регионе.
• Престижная профессия.
• При наличии опыта заработная плата может достигать 200 тыс. руб.
• Перспективы карьерного роста и получения ученой степени.
• Рабочие места есть всегда, ведь профессия достаточно редкая.
• Работа с лучшими технологиями и оборудованием.

Минусы

• Без высшего образования работать материаловедом нельзя.
• Работа может быть связана с командировками.
• Профессия требует усидчивости, ведь анализ материалов и некоторые эксперименты могут проводиться годами.
• Необходимо не только знать теорию, но и уметь применять знания во время практических исследований.
• Высокая ответственность.

Общие сведения

Изучение любой специальности следует начинать с рассмотрения её основных характеристик. Эта информация поможет определить сильные и слабые стороны профессии, особенности выбора сотрудников и варианты обучения.

Направления исследований

Материаловедение — это наука, которая занимается изучением различных свойств материалов. Она разделена на 5 основных направлений, среди которых есть не только современные, но и немного устаревшие.

Перечень направлений:

• космическое;
• нанотехнологии;
• кристаллография;
• металлургия;
• биоматериалы.

Плюсы и минусы

Человек, который хочет связать свою жизнь с материаловедением, должен знать достоинства и недостатки специальности. Это даст возможность лучше понять особенности будущей профессии и заранее подготовиться к неприятным моментам. Главные преимущества:

• большое количество учебных заведений;
• престижность;
• простота трудоустройства;
• достойная заработная плата;
• возможность быстрого карьерного роста.

Отрицательные моменты:

• необходимость получения высшего образования;
• частые командировки;
• высокая ответственность.

Важные качества специалистов

Специалисты по материаловедению должны обладать определёнными личными качествами. Они помогут сотруднику полностью раскрыть способности и добиться успехов в работе. Необходимые качества:

• ответственность;
• педантичность;
• скрупулёзность;
• аналитический склад ума;
• склонность к изучению точных наук;
• любознательность;
• стремление помогать;
• коммуникабельность.

Требования и обязанности

Чтобы человек мог хорошо справляться с поставленными задачами, он должен отвечать всем требованиям, предъявляемым к представителям профессии. Их не слишком много, поэтому отбор кандидатов проходит большинство специалистов. Основные требования:

• высшее образование в профильном вузе;
• глубокие познания в математике, физике, химии, материаловедении и других науках;
• опыт работы со специальными приборами (спектроскопом, разными видами микроскопов, прессами, печами, электрохимическими аппаратами);
• умение работать в команде и перенимать опыт у коллег;
• постоянное повышение квалификации;
• хорошее состояние здоровья.

Общие обязанности:

• подготовка проектов по внедрению современных технологий в производственный процесс;
• применение, утилизация или изменение свойств различных материалов;
• проведение испытаний и тестирование образцов;
• анализ итоговых результатов;
• наладка специального оборудования и уход за ним;
• ведение документации и составление отчётов о проделанной работе.

Обучение профессии

Выпускники школ, которые хотят получить высшее образование, часто выбирают профессию инженер-материаловед. Такая особенность обусловлена универсальностью специальности, большим количеством бюджетных мест в вузах и относительной простотой поступления.

Выбирая учебное заведение, нужно заранее знать, какие экзамены придётся сдавать на ЕГЭ. Наиболее популярными предметами являются:

• русский язык;
• математика;
• физика;
• химия.

Некоторые вузы также требуют сдачу иностранного языка и информатики.

Чтобы стать материаловедом, нужно выбирать соответствующие специальности. Альтернативой может стать учёба на факультетах материалографии, машиностроения и металлообработки. Поступившие студенты могут выбирать очную, заочную или смешанную форму обучения. Для получения степени бакалавра придётся учиться 4—5 лет, магистра — 6—7 лет. Лучшие вузы России:

• Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (Москва);
• Челябинский государственный университет (Челябинск);
• Тольяттинский государственный университет (Тольятти);
• Оренбургский государственный университет (Оренбург);
• Уральский федеральный университет им. Б. Н. Ельцина (Екатеринбург).

Направления подготовки и обязанности

Описываемая специальность предполагает подготовку квалифицированных кадров для:

• научно-исследовательской и аналитической работы;
• проектно-технологической и производственной деятельности;
• организации и управления профильным производством.

В должностные обязанности дипломированных материаловедов входят:

1. Подготовка планов работы, инженерных программ и рекомендаций, упрощающих введение инновационных технологий в производственный процесс.
2. Разработка и постановка конкретных задач подчиненным сотрудникам.
3. Использование, усовершенствование, утилизация органических и неорганических материалов.
4. Создание нанопокрытий, полимерных пленок, гибридных образцов, их тестирование и конспектирование хода испытаний.
5. Определение инструментов и способов диагностики, контроля качества сырья, заготовок, полуфабрикатов и готовых изделий из него.
6. Анализ результатов, полученных в процессе тестирования, и обработка результатов.
7. Выстраивание производственной цепочки и управление ею.
8. Ведение нормативно-технической документации, подготовка отчетов.

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.

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.

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.

Кем работать?

Основная специальность – материаловед, но есть и смежные вакансии, которые может занять выпускник профильного ВУЗа. Это:

• инженер по наноэлектронике;
• исследователь;
• композитчик;
• машиностроитель;
• металловед;
• конструктор новых сплавов.

Ежегодно перечень предложений расширяется, появляются новые перспективные профессии, которые эксперты рынка труда называют профессиями будущего.

Материаловед

Основная обязанность материаловеда – изучение структуры и свойств материалов и дальнейшее создание прочных, легких, экологически чистых модификаций на их основе.

В последнее десятилетие приоритетом является создание новых товарных упаковок, которые могут перерабатываться или быстро и без последствий разлагаются.

Второе не менее важное направление – поиск решений, которые существенно сократят образование бытовых отходов. Материаловеды также тщательно изучают возможности использования материалов в новых сферах и для реализации новых целей

Наноэлектроник

Специалист по наноэлектронике сосредоточен на создании микроэлектроники, нанотехники, микросхем из инновационного сырья, другими разработками в этом направлении.

Исследователь

Из названия понятно, что инженер-исследователь генерирует идеи, воплощает их в новое сырье, продукцию, изучает ее свойства и участвует в исследованиях.

Для такой работы необходим технический склад ума, усидчивость, хорошее знание математики и математического моделирования, умение составлять нормативно-техническую документацию.

Композитчик

Еще одна профессия, появление которой эксперты рынка труда прогнозируют в 2020 году. Композитчик будет заниматься преимущественно композитными материалами, подбирать наиболее оптимальные образцы для изготовления деталей, узлов, запчастей и других изделий.

Выбор базового материала во многом определяет способ производства. Акцент – на изготовление продукции методом 3D-печати.

Машиностроитель

У специалиста по материалам в сфере машиностроения узкая специализация – он сосредоточен на подборе и усовершенствовании материалов для изготовления деталей, кузова автомобилей, средств автоматики.

В его обязанности входит проведение расчетов, проектирование (если речь идет о выпуске новых станков и механизмов), осуществлении авторского надзора на всех стадиях реализации проекта.

Металловед

Основная задача инженера-металловеда – проектирование, создание, тестирование, доработка и модернизация сплавов металлов, дальнейшее внедрение их в производство.

Способы изготовления продукции из новых сплавов с учетом их структуры и других особенностей также подбирают металловеды.

Инженеры-металловеды работают в крупных металлургических концернах, а также в профильных НИИ.

Конструктор новых сплавов

В настоящее время известно порядка 100 элементов, образующих сплавы. Конструктор занимается изучением свойств каждого элемента и моделирует новые сплавы, прогнозируя их прочность, упругость, термические характеристики.

Возможных сочетаний и комбинаций могут быть сотни тысяч. Конструирование новых многокомпонентных сплавов позволяет получить материал с конкретными свойствами, наиболее полно соответствующими эксплуатационным параметрам готового изделия.

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.

Заключение

Получив специальность «Материаловедение и технологии материалов», у новоиспеченного специалиста не возникнет проблем с трудоустройством. Он может стать инженером на любом крупном заводе или комбинате. Те специалисты, которые имеют определенные познания в области обработки металлов и диплом о высшем образовании, могут рассчитывать на должности технолога-термиста и дефектоскописта.

Достаточное количество промышленных предприятий и организаций тяжелой промышленности нуждаются в металлургах и металлографах. Если изначально овладеть теоретическими знаниями в сфере обработки металлов, в таком случае можно сначала трудоустроиться на должность инженера, продолжить обучение, получив специализацию «инженер по химическому и спектральному анализу» либо «инженер-испытатель покрытий».

Специальность «Материаловедение и технологии материалов» настоящее время стала одной из основных дисциплин для тех студентов, которые занимаются машиностроением.

Студенты изучают ассортимент тех материалов, которые уже используются в тяжелой промышленности, а также прогнозируют создание новых веществ, предназначенных для металлургической отрасли.