В ноябре учащиеся образовательного направления «Наноиндустрия и нанотехнологии»познакомятся с новой учебной программой «Физическое металловедение в машиностроении», которая направлена на формирование представлений о связи состава, структуры и свойств металлов и сплавов, современных методах их исследования и применении материаловедения в промышленности.

Мы пообщались с Натальей Викторовной Бибик, инженером сектора обслуживания научных исследований НИЛ физики ионно-плазменной модификации твёрдых тел кафедры физики твёрдого тела и нанотехнологий физического факультета Белорусского государственного университета, и Ильёй Васильевичем Кондрусем., заведующим лабораторией «Наноиндустрия и нанотехнологии» Национального детского технопарка, которые поделились подробностями о новой программе.

1. Как появилась идея создания программы и почему это направление важно для современной промышленности?

Для сотрудников кафедры физики твёрдого тела и нанотехнологий физика металлов — не просто дисциплина, а область профессиональной деятельности, в которой ежедневно открываются новые возможности для создания более прочных и надёжных материалов.

Идея программы появилась во время работы с учащимися на образовательных сменах. Мы увидели, что ребята искренне интересуются профессиональной деятельностью учёных и инженеров, и решили сделать программу максимально практико-ориентированной.

Физическое металловедение — прикладная наука, поэтому важно показать учащимся, как научные разработки применяются на реальных промышленных предприятиях.

Программа была разработана в тесном сотрудничестве с белорусскими предприятиями с учётом потребностей производства и исследовательских возможностей лаборатории.

2. Что изучает физическое металловедение?

Физическое металловедение — прикладная наука о связи между составом, структурой и свойствами материалов.

Развитие современных технологий требует создания новых материалов: прочных, лёгких, устойчивых к высоким температурам, радиации и другим нагрузкам. Например, ракета должна выдерживать многократные взлёты и посадки, защищать экипаж от космического излучения и сохранять работоспособность при входе в атмосферу.

Именно такие задачи решает физическое металловедение. Сегодня учёные не только изучают свойства существующих материалов, но и создают новые объекты с уникальными характеристиками.

Основой материаловедения является правило трёх «С»:

состав — структура — свойства.

3. Как атомное строение металлов и сплавов влияет на их свойства?

Один и тот же химический элемент может образовывать материалы с совершенно разными свойствами в зависимости от того, как организованы его атомы.

Например, атомы углерода могут формировать алмаз — один из самых твёрдых материалов, а также графит — слоистый материал, который хорошо проводит электрический ток.

Человек научился создавать и новые формы углерода: углеродные нанотрубки и фуллерены. Они применяются в биомедицине, авиастроении, автомобилестроении и других высокотехнологичных областях.

Понимание строения вещества открывает путь к созданию материалов будущего.

4. Что такое фазовые превращения и диаграммы состояния?

Фазовые превращения — это переходы вещества из одного фазового состояния в другое. Они происходят при нагреве, охлаждении, деформации или изменении химического состава и определяют структуру материала.

Диаграмма состояния — это графическое отображение фазового равновесия системы в координатах «температура — состав». По сути, это навигатор для инженера.

Зная диаграмму, можно предсказать, что произойдёт со сплавом при нагреве или охлаждении, и подобрать режим обработки для получения нужных свойств.

Классический пример — диаграмма железо–цементит. Она объясняет, почему одна и та же сталь после медленного охлаждения становится мягкой и пластичной, а после закалки — твёрдой и хрупкой.

Без понимания фазовых превращений невозможно создать прочный инструмент или надёжный элемент конструкции.

5. Какими методами учащиеся будут исследовать металлы и сплавы?

Лаборатория «Наноиндустрия и нанотехнологии» оснащена комплексом оборудования для комплексного исследования сталей, сплавов, металлокерамики и композиционных материалов.

Учащиеся смогут работать с:

  • сканирующим электронным микроскопом;
  • энергодисперсионным спектрометром;
  • рентгеновским дифрактометром;
  • микротвердомером по Виккерсу;
  • профилометром;
  • тепловизорами и пирометрами;
  • муфельной и трубчатой ИК-печами;
  • магнетрон-напылительной установкой.

Такое оборудование позволяет исследовать морфологию поверхности, элементный состав, фазовый состав, структуру, твёрдость, шероховатость и другие характеристики материалов.

6.Какие практические навыки получат участники при подготовке образцов и проведении экспериментальных испытаний?

Учащиеся освоят полный цикл работы с образцами:

  • подготовку материала;
  • термическую и химико-термическую обработку;
  • работу на аналитическом оборудовании;
  • исследование структуры и свойств;
  • обработку полученных данных;
  • формулирование выводов.

Все работы будут выполняться на реальном лабораторном оборудовании.

Такие навыки востребованы в заводских лабораториях, научно-исследовательских центрах и на современных производствах.

7.Какие возможности отечественной промышленности и достижения белорусской науки в области прикладного материаловедения изучат учащиеся? 

Программа изначально разрабатывалась в тесной кооперации с белорусскими предприятиями и научными организациями, с учетом сопоставления потребностей производства и исследовательско-инновационных возможностей. Поэтому учащиеся видят не абстрактную науку, а конкретные технологические задачи, которые сегодня стоят перед реальным секторомэкономики. Промышленные предприятия, с которыми связано направление: Белорусский металлургический завод, Минский автомобильный завод, Минский тракторный завод, Минский завод колесных тягачей; Минский моторный завод, Минский подшипниковый завод,  «ИНТЕГРАЛ», «АТЛАНТ», «Планар», «Пеленг», МЗОР и другие. Научно-исследовательские организации и учреждения образования: Институт порошковой металлургии им. Романа;Минский НИИ радиоматериалов; Институт тепло- и массообмена им. Лыкова; Физический факультет БГУ;Физико-технический институт.

Учащиеся познакомятся с тем, как научные разработки внедряются в реальное производство: от литейных и порошковых технологий до термической и химико-термической обработки, от неразрушающего контроля до нанесения покрытий. Учебные экскурсии будут организованы на профильные предприятия и в научно-исследовательские организации, что позволит увидеть полный цикл – от идеи до серийного изделия.

8.Какие эксперименты и проекты смогут выполнить участники в рамках программы? 

Программа устроена так, что каждый учащийся проходит полный цикл научно-технического проекта: от постановки задачи и пробоподготовки до термомеханической обработки, исследования состава и структуры, механических испытаний, обработки данных и публичной защиты. Поэтому проект – это не «упражнение по методичке», а реальная исследовательская работа с конкретным результатом. В программе заложены примерные направления проектов, и учащийся может выбрать то, что ему ближе: влияние режимов термической обработки на структуру и микротвердость углеродистой стали; получение и исследование спеченных композитов на основе железа с различными легирующими добавками;разработка и анализ композиционного материала на основе алюминиевого сплава с армирующими частицами и ряд других. Темы исследований берутся также из запросов предприятий. Партнеры программы – БМЗ, МАЗ, МТЗ, МЗКТ и другие предприятия – ставят конкретные технологические задачи, которые требуют исследования. Это могут быть задачи по выбору режимов термической обработки, по оценке остаточных напряжений после обработки, по влиянию пористости на прочность спеченных изделий, по коррозионной стойкости покрытий и другие. Именно такие запросы становятся основой для проектов учащихся. Это делает работу не абстрактной, а востребованной – учащийся видит, что его результат нужен на производстве.

9.Где учащиеся смогут применить полученные знания и навыки в дальнейшем?

Программа дает не абстрактное знакомство с материаловедением, а реальный опыт работы на серьезном исследовательском оборудовании. Учащиеся уже понимают, что такое фазовый анализ, микроструктура, механические испытания. Это делает выбор специальности осознанным и дает преимущество при поступлении.

Второе – целевое обучение и работа на предприятиях-партнерах. За программой стоит конкретные предприятия, с которыми налажено сотрдничество: Белорусский металлургический завод, МАЗ, МТЗ, МЗКТ, Минский моторный завод, «ИНТЕГРАЛ», «Планар», «Пеленг» и другие. Часть проектов выполняется по запросам этих предприятий, поэтому учащиеся видят производство не со стороны, а изнутри. Это прямой путь к целевому обучению и трудоустройству.

Третье – научная карьера. Многие продолжают свои проекты в вузах и научных организациях: на физфаке БГУ, в Физико-техническом институте, в Институте порошковой металлургии им. Романа, в Институте тепло- и массообмена им. Лыкова. Программа закладывает исследовательскую культуру: постановка задачи, планирование эксперимента, работа с литературой и патентами, обработка данных, публичная защита.

И четвертое – универсальные навыки. Даже если учащийся выберет смежную область – приборостроение, авиакосмические технологии, энергетику, – умение работать с оборудованием, анализировать структуру и свойства материалов, обрабатывать данные остается востребованным. А системное инженерное мышление – тем более.

Главное, что дает программа, – это реальный опыт: небольшой, но настоящий научно-технический проект, выполненный от начала до конца, с конкретным результатом и защитой. Именно это становится основой для дальнейшего профессионального самоопределения.