Название программы: 150100.68 Методы получения и обработки металлических наноматериалов

 

Магистерское направлени: Материаловедение и технологии материалов

 

Срок обучения: 2 года

Степень: магистр техники и технологий

 

Руководитель магистерской программы: Цеменко Валерий Николаевич, д.т.н., профессор специальность 05.16.06 «Порошковая металлургия и  композиционные материалы»

 

Профиль программы:

 

Одним из приоритетных направлений развития современного материаловедения являются наноматериалы и нанотехнологии.  Предлагаемая программа является оригинальной, характеризуется новизной, целостностью, комплексностью и высокой степенью инновационности.

Магистерская программа «Методы получения и обработки металлических наноматериалов» направлена на опережающую подготовку конкурентоспособных кадров для высокотехнологичных отраслей национальной экономики на основе интеграции образования, науки и промышленности 

 

Концепция:


Магистерская программа посвящена:

 

  • изучению теории и технологии процессов получения и обработки металлических наноматериалов, методам их исследования и проектирования;
  • изучению современных методов механики сплошной среды применительно к процессам получения и обработки наноструктурных материалов. Изучению реологии этих материалов. Построению реологических моделей и экспериментальному определению их характеристик;
  • изучению современных методов управления структурой и свойствами металлов при различных процессах горячей и холодной пластической деформации, в том числе совмещенных процессов пластической деформации и термической обработки и процессов интенсивной пластической деформации;
  • изучению методов математического моделирования и проектирования процессов получения и обработки металлических наноматериалов.
  • изучению процессов получения наноразмерных порошковых материалов и методов их обработки и компактирования;
  • изучению специальных методов исследования металлических наноматериалов функционального назначения.

 

Целью магистерской программы «Методы получения и обработки металлических наноматериалов» является подготовка кадров с квалификацией - магистр техники и технологий, способных разрабатывать, исследовать, модифицировать и использовать (осуществлять переработку, обработку, эксплуатацию и утилизацию) металлических наноматериалов различного функционального назначения; понимать, разрабатывать и управлять процессами их формо- и структурообразования, а также их качеством для различных областей техники и технологии.

 

Объектами профессиональной деятельности выпускников магистратуры по данной программе  являются:


  • современные металлические наноматериалы;
  • технологические процессы производства, обработки и модификации металлических наноматериалов;
  • оборудование, системы управления технологическими процессами;
  • методы и средства испытаний и диагностики;
  • исследования и контроль качества металлических наноматериалов, заготовок, деталей и изделий из них;
  • все виды исследовательского, контрольного и испытательного оборудования, аналитической аппаратуры;
  • компьютерное программное обеспечение для обработки результатов и анализа полученных данных, моделирования поведения материалов, оценки и прогнозирования их эксплуатационных характеристик;

 

Магистрант приобретает широкий спектр общекультурных и профессиональных компетенций:

 

Умение:


- устанавливать с использованием различных методов и подходов возможные причины проявления  тех или иных свойств наноструктурных систем, давать рекомендации по целенаправленному их формированию или устранению; использовать полученные знания для прогнозирования и анализа влияния изменений химического состава, а также условий проведения термомеханической обработки на структуру и механические свойства металлических наноматериалов;

- использовать современное прецизионное оборудование  для изучения процессов формирования металлических наноструктур и информационные ресурсы в научно-исследовательской и расчетно-практической деятельности;

- вести научные виды взаимоотношений: диалог, дискуссию, полемику; совершенствовать знания, создавать условия для научно плодотворного взаимодействия и сотрудничества в профессиональных сообществах;

- применять типовые подходы по обеспечению безопасности жизнедеятельности и экологической чистоты при проведении исследований и в условиях промышленного производства новых материалов;

Способность:


- самостоятельно использовать современные  информационные средства и информационные технологии для проведения литературного обзора по поставленной профессиональной проблеме и приобретения новых знаний;

- формулировать новые исследовательские задачи и планировать работу на основе возникающих проблем; самостоятельно проводить механические испытания, физико-химические исследования с применением современной аппаратуры и обеспечением требуемой точности измерений; самостоятельно выбирать подходящие для заданных условий эксплуатации материалы.

Общенаучные и специализированные профессиональные компетенции приобретаются магистрантом в ходе изучения дисциплин теоретической направленности (табл. 1) и дисциплин прикладного характера (табл.2):

 

Таблица 1. Дисциплины теоретической направленности

 

Дисциплины

Трудоемкость

Зач.ед.

Час

Философские проблемы науки и техники

2

72

Деловой иностранный язык

6,5

234

Математическое моделирование и современные проблемы наук о материалах и процессах

4,5

162

Реология ультрамелкозернистых и наноматериалов

5

180

Физическое и математическое моделирование структуры и свойств металлов

5

180

Современные методы научных исследований

4

144

Материаловедение и технологии современных и перспективных материалов

3,5

126

 

Таблица 2. Дисциплины прикладного характера

 

Дисциплины

Трудоемкость

Зач.ед.

Час

Компьютерные и информационные технологии в науке и производстве

3

108

Технологические основы получения ультрамелкозернистых металлов

5

180

Моделирование и анализ технологических процессов получения наноструктур в металлах

5

180

Методы получения порошковых наноматериалов

5,5

198

Свойства изделий из нанопорошков

3,5

126

Особенности деформирования наноструктурных металлических материалов

3,5

126

Специальные методы исследования металлических наноматериалов

6

216

Экспериментальные методы контроля характеристик и параметров нано- и микроразмерных структур и материалов интегральной электроники

6

216

 

В ходе выполнения лабораторных, практических и научно-исследовательских работ магистрант приобретет инструментальные компетенции, позволяющие работать на современном научном и технологическом оборудовании.

 

Условия обучения


Магистерская подготовка  осуществляется на кафедре «Пластическая обработка металлов», факультета «Технологии и исследования материалов» с 1998 г. Кафедра основана в 1907 году как первая в стране кафедра для подготовки инженеров-металлургов в области обработки металлов давлением. В создании современной теории процессов получения и обработки наноструктурированных металлических и композиционных материалов методами ОМД большой вклад внесли профессора кафедры: А.И. Рудской, Н.Г. Колбасников  и другие преподаватели и научные сотрудники кафедры. Основными направлениями развития теории и технологии получения металлических наноматериалов развиваемых на кафедре является изучение реологии этих материалов и создание промышленных технологий получения конструкционных и функциональных наноструктурированных металлических материалов, оптимизация процессов интенсивной пластической деформации на основе математического моделирования.

Нормативный срок освоения основной образовательной программы подготовки магистра по направлению 150100.68 «Материаловедение и технологии материалов» при очной форме обучения на бюджетной основе – 6 лет. Основная образовательная программа подготовки магистра состоит из программы подготовки бакалавра по соответствующему направлению (4 года) и специализированной подготовки магистра (2 года).

 

Требования к поступающим


Общие требования к уровню подготовки магистра определяются содержанием аналогичного раздела требований к уровню подготовки бакалавра и требованиями, обусловленными специализированной подготовкой. Требования к уровню подготовки бакалавра изложены в п.7 государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования бакалавра по направлению 150100.62 «Материаловедение и технологии материалов».

Лица, желающие освоить программу специализированной подготовки магистра, должны иметь высшее профессиональное образование определенной ступени, подтвержденное документом государственного образца.

Лица, имеющие диплом бакалавра по направлениям 150100.62 «Материаловедение и технологии материалов» и 150400.62 «Металлургия», зачисляются на специализированную магистерскую подготовку на конкурсной основе. Условия конкурсного отбора определяются вузом на основе государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования бакалавра по данному направлению.

Лица, желающие освоить программу специализированной подготовки магистра по данному направлению и имеющие высшее профессиональное образование, профиль которого не входит в состав направлений 150100.62 «Материаловедение и технологии материалов» и 150100.62 «Металлургия», допускаются к конкурсу по результатам сдачи экзаменов по дисциплинам, необходимым для освоения программы подготовки магистра и предусмотренным государственным образовательным стандартом подготовки бакалавра по данному направлению (в зависимости от профиля предшествующей подготовки назначаются экзамены по курсу «Теория обработки металлов давлением» и/или «Механика сплошной среды»).

 

НИР и ОКР кафедры «Пластическая обработка металлов»


На кафедре «Пластическая обработка металлов» проводятся научно-исследовательские работы, связанные с областью магистерской подготовки по следующим основным направлениям:

 

  • исследование влияния механизмов деформирования на формирование структур (в том числе наноструктур) и упрочнение металлов, порошковых и композиционных материалов;
  • получение и обработка металлических наноструктурированных материалов;
  • математическое и компьютерное моделирование процессов пластического деформирования различных материалов.

 

В настоящее время на кафедре проводятся следующие НИР:

 

-       Разработка технологии изготовления заготовок и покрытий из порошковых инструментальных сталей и сплавов с ультра дисперсной структурой и особо высокими механическими и функциональными свойствами. Научный руководитель чл.-корр. РАН Рудской А.И.

-       Разработка, исследование и формирование принципов управления микроструктурой с учетом наследственных свойств конструкционных наноматериалов. Научный руководитель чл.-корр. РАН Рудской А.И.

-       Моделирование процессов интенсивной пластической деформации металлов и уплотняемых пористых материалов. Научный руководитель проф. Золотов А.М.

 

Содержание обучения


1. Философские проблемы науки и техники

 

Роль науки в развитии человечества. Философия техники и методология технических наук. Проблема смысла и сущности техники: «техническое» и «нетехническое». Практически-преобразовательная (предметно-орудийная) деятельность,  техническая и инженерная деятельность, научное и техническое знание. Познание и практика, исследование и проектирование.  

Техника как предмет исследования естествознания. Естественные и технические науки. Первые технические науки как прикладное естествознание. Основные типы технических наук. Тенденции развития материаловедения.

 

2. Деловой иностранный язык

 

Подготовка к осуществлению межкультурной коммуникации с зарубежными коллегами. Формирование, развитие и совершенствование навыков иноязычного общения в ситуациях: развития деловых контактов, связанных с осуществлением делового знакомства, презентацией своей научной работы, научно-технической продукции, проведением телефонных разговоров, написанием деловых писем, подготовкой и участием в деловых встречах, научно-технических конференциях, предполагающих предварительное редактирование и перевод научных статей, обзоров, рефератов и др. документов; написанием и переводом статей в зарубежных научных и научно-технических журналах и др. периодических изданиях; профессионального взаимодействия в сфере материаловедения.

 

3. Математическое моделирование и современные проблемы наук о материалах и процессах

 

Современные методы математического моделирования процессов формирования структуры и свойств металлов и сплавов в процессах их обработки. Методы решения задач термомеханической обработки с использованием метода конечных элементов. Программа Deform-3D. Тенденции и последствия развития материалов. Принципы и методы моделирования структуры материалов и протекающих в них процессов. Новые теоретические подходы в описании состояния и свойств материалов, явлений и процессов.

 

4. Современные методы научных исследований

 

  Методология научных исследований; общие принципы постановки задачи исследования, выбор методов и средств; основные требования к научным отчетам.

  Организация экспериментальных исследований; общие принципы конструирования нестандартных экспериментальных установок; выбор схем измерений; обработка и анализ экспериментальных данных; оценка погрешностей; дискретные и непрерывные случайные величины, их системы; факторы, их уровни, план эксперимента; оптимальность плана и информативность факторов; принципы планирования: невырождаемость, оптимальность и практичность.

 

5. Реология ультрамелкозернистых и наноматериалов

 

Построение определяющих реологических уравнений для процессов ОМД. Статистическое реологическое уравнение деформируемых металлов. Применение теории управления к анализу процессов деформирования металлов. Вероятностные обобщенные модели деформируемых сред. Одномерные реологические модели и экспериментальное определение параметров реологических моделей. Экспериментальное определение плотности вероятности распределения безразмерных пределов текучести. Определение вида и параметров вероятностных функций распределения зерен в УМЗ и НК материалах. Методика определения параметров статических функций по экспериментальным данным.

 

6. Моделирование и анализ процессов деформирования порошковых материалов.

 

Физические основы уплотнения порошковых материалов в процессах деформирования. Прочность порошковых материалов различной плотности при сжатии, растяжении и сдвиге.

Анализ общих свойств предельных поверхностей. Методика построения кривых предельного состояния.

Модель уплотнения и условие пластичности пористого тела. Примеры расчетно-экспериментальных исследований процессов деформирования порошковых и пористых материалов.

 

7. Физическое и математическое моделирование структуры и свойств металлов

 

Механизмы пластической деформации упрочнения и разрушения металлов. Разупрочнение деформированного металла. Сопротивление деформации металлов. Экспериментальные методы исследования и моделирования. Устойчивость пластической деформации Пластичность. Экспериментальные исследования и моделирование. Сверхпластичность. Фазовые и полиморфные превращения в деформированных металлах. Пластическая деформация сплавов с учетом термокинетических диаграмм фазовых превращений. Термомеханическая обработка сталей. Формирование механических свойств сплавов в режимах термомеханической обработки. Компьютерные программы управления свойствами при горячей прокатке. Формирование ударных свойств сплавов. Высокие технологии пластической деформации металлов.

 

8. Компьютерные и информационные технологии в науке и производстве

 

Методы количественной металлографии. Анализ изображений микроструктуры металлов. Компьютерная реализация методов количественного металлографического анализа. Программы металлургической экспертизы «ВидеоТест» и «Thixomet». Механические испытания металлов. Программа TestExpert для обучения методам механических испытаний. Определение свойств металлов при испытаниях на растяжение, сжатие, трехточечный изгиб, ударную вязкость, усталостные испытания.

 

9. Материаловедение и технологии современных и перспективных материалов

 

Типы и классы современных и перспективных материалов. Управление свойствами материалов в процессе их получения и обработки. Тенденции развития современных сталей. Получение и обработка порошковых и композиционных материалов. Получение и свойства функциональных материалов.

 

10. Технологические основы получения ультрамелкозернистых металлов

 

Классификация наноструктурных материалов. Основные методы получения наноструктурных функциональных и конструкционных материалов. Процессы интенсивной пластической деформации (ИПД). Классификация процессов ИПД. Технологические параметры, влияющие на структуру и свойства материалов. Анализ технологических особенностей процессов ИПД. Примеры реализации процессов ИПД.

 

11. Методы получения порошковых наноматериалов

 

Классификация методов получения нанопорошков. Газофазный синтез. Метод термического разложения солей. Получение наноразмерных порошков путем диспергирования. Технологические характеристики нанопорошков. Холодное прессование нанопорошков. Спекание нанопорошков. Горячая экструзия нанопорошков. Применение специальных методов компактирования наноструктурированных  порошковых материалов.

 

12. Особенности деформирования наноструктурных металлических материалов

 

Физико-механические свойства и технологические характеристики УМЗ и НК материалов. Особенности деформирования наноструктурных сплавов на основе железа. Особенности деформирования наноструктурных сплавов на основе алюминия. Особенности деформирования наноструктурных сплавов на основе титана Явление сверхпластичности наноструктурных металлических материалов. Способы обработки других металлических сплавов и металлов.

 

13. Свойства изделий из порошков

 

Порошковые процессы и технологии, позволяющие получать изделия различного функционального назначения. Высокопористые, высокоплотные, износостойкие изделия. Фильтры. Изделия медицинского назначения. Материалы для защиты от радиационного излучения. Адсорбенты.

 

14. Специальные методы исследования металлических наноматериалов

 

Основные методики анализа структуры, основные области применения современных методов исследования, устройство и принцип работы установок и приборов для исследования наноразмерных объектов, а также объемных наностуктурированных материалов. Рентгеновский анализ сплавов. Использование электронной и атомно-силовой микроскопии для определения размеров частиц. Метод малоуглового рентгеновского рассеяния. Мессбауэровская спектроскопия. Определение размеров частиц. Оже и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия.

 

15. Экспериментальные методы контроля характеристик и параметров нано- и микроразмерных структур и материалов интегральной электроники.

 

Данная дисциплина имеет своей целью изучение основ строения материалов и физики происходящих в них явлений, технологии материалов электронной и микроэлектронной техники, материалов наноэлектроники. Формирование навыков экспериментальных исследований свойств материалов электронной и микроэлектронной техники, материалов наноэлектроники.

 

Требования к организации практик


Научно-производственная практика

Цель практики: подготовить студента к решению задач научно-исследовательского характера на производстве и к выполнению выпускной квалификационной работы.

Место проведения практики: промышленные предприятия, научно-исследовательские организации и учреждения, где возможно изучение материалов, связанных с темой выпускной квалификационной работы.

Научно-исследовательская практика

Цель практики: закрепление и углубление теоретических знаний студентов-магистрантов, полученных при обучении, приобретению и развитию навыков самостоятельной научно-исследовательской работы. Практика обеспечивает преемственность и последовательность в изучении теоретического и практического материала, предусматривает комплексный подход к предмету изучения.

Место проведения практики: научно-исследовательские лаборатории ФТИМ, ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», ФГУП ЦНИИМ.

Прохождение практики осуществляется в соответствии с учебным планом и

утвержденной программой практики и завершается составлением отчета о практике и его защитой. 

 

Лаборатории и оборудование


Подготовка магистров по направлению 150100.68 – «Материаловедение и технологии материалов» осуществляется в помещениях кафедры общей площадью 300 м2.

Лекционные, практические занятия, лабораторные работы проводятся на собственных площадях, в аудиториях и лабораториях кафедры. Лекционные занятия проводятся с использованием мультимедийной техники.

 

В рамках программы «Инновационный ВУЗ»  приобретено современное оборудование для исследования физико-механических свойств материалов и моделирования процессов их пластического деформирования. В том числе:

 

  • многофукциональный комплекс Gleeble, который позволяет проводить испытания на растяжение, сжатие и кручение со скоростями деформации до 200 ед./с; получать ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы; исследовать процессы сварки и термомеханической обработки; выполнять дилатометрические исследования
  • комплекс для подготовки образов и исследования структуры американской фирмы Buehler
  • комплекс испытательных машин фирмы Zwick, позволяющий испытывать металлы при сверхнизких и высоких температурах
  • система исследования структуры и анализа изображения фирмы Leika.
  • cканирующий электронный микроскоп высокого разрешения с катодом Шоттки Tescan MIRA 4
  • сканирующий нанотвердомер Hynistron TI 750 Ubi 1 Triboindenter

 

Кафедра «Пластическая обработка металлов» располагает для подготовки магистров современным компьютерным классом площадью 30 кв.м. Все компьютеры соединены в локальную вычислительную сеть с выходом в Internet через отдельный сервер, подключенный к сети университета.

 

На кафедре установлена система, которая позволяет проводить металлографический анализ структур материалов.  Она состоит из оптического микроскопа Neophot 32 и программы анализа изображений «ВидеоТест Мастер-Структура», лазерный анализатор частиц «МикроСайзер 201А». Также на факультете ФТИМ имеется многоцелевой высокоэффективный аналитический автоэмиссионный растровый электронный микроскоп Carl Zeiss SUPRA 55vp. Установленный цветной лазерный принтер с высоким разрешением обеспечивает вывод на печать, что важно для выполнения научно-исследовательских работ.

 

Профессорско-преподавательский состав


Сведения о научном руководителе

Цеменко Валерий Николаевич, д.т.н., профессор

специальность 05.16.06 «Порошковая металлургия и  композиционные материалы»

 

Список основных научных трудов (не более 5)

 

№ п/п

Наименование работы, ее вид (монография, брошюра, статья и др)

Форма работы (печатная, рукописная, на магнитном носителе)

Выходные данные

Объем в п.л. или страницах

Соавторы

1

2

3

4

5

6

1

Теоретические методы определения зоны уплотнения и распределения плотности в очаге деформации при прокатке металлических порошков.   Статья

 

 

печатная

Радиационная повреждаемость и работоспособность конструкционных материалов. Сборник трудов РАН. Санкт-Петербург, 1996, с.89-96

 

0,5

 

Павлов Н.Н.

2

Особенности пластических деформаций порошковых и пористых сред.  Статья

 

печатная

Современные материалы: технологии и исследования.

Труды СПбГТУ №473. Санкт-Петербург: СПбГТУ, 1998, с.78-81

 

0,2

 

-

3

Деформирование порошковых сред.

 Монография

печатная

Санкт-Петербург:

Издательство СПбГТУ,

2001, 104 с.

6,5

-

4

Процессы порошковой металлургии. Теория и физические основы, уплотнения порошковых материалов.

 Учебное пособие.

 

печатная

Санкт-Петербург:

Изд-во Политехн. ун-та,

2005, 115 с.

 

7,5

 

-

5

Разработка модели уплотнения оксидноцинковой керамики при прессовании.      Статья

 

печатная

Металлообработка

Научно-производственный

журнал

№5-6, 2006, с.35-39

 

0,6

Красавина М.А.

и др.

 

Общее количество публикаций – более 100.

 

Количество лиц, подготовивших диссертации под руководством данного научного руководителя и успешно их защитивших – 1.

 

ППС:

  1. профессор Колбасников Н.Г., д.т.н.,
  2. профессор Золотов А.М., д.т.н.,
  3. профессор Коджаспиров Г.Е., д.т.н.
  4. доцент Котов С.А., к.т.н.
  5. доцент Фомин С.Г., к.т.н.
  6. доцент Паршиков Р.А., к.т.н.