Научно-исследовательская работа

Кафедра материаловедения и проектирования технических систем >>> Состав кафедры Учебная работа Научно-исследовательская работа Студентам Партнерам Абитуриентам

Научно-исследовательская и инновационная деятельность

На кафедре сформированы новые научные направления, отвечающиесовременным требованиям промышленности

разработка теоретических и технологических основ создания новых материалов, в т.ч. в пленочном исполнении, с использованием механического легирования, плазмохимического синтеза и нанотехнологий;
разработка технологических принципов и создание высокоэффективных технологий осаждения методами элионики защитно-декоративных, износо- и коррозионностойких покрытий на изделия из широкого класса материалов;
создание новых конструкций энерго- и ресурсосберегающего дереворежущего инструмента, разработка прогрессивных технологий его упрочнения и оптимальных режимов эксплуатации;
изучение свойств металлических конструкционных материалов в условиях воздействия механических колебаний широкого амплитудно-частотного диапазона;

разработка эффективных технологических процессов поверхностного упрочнения;
разработка и практическая реализация методов ускоренных усталостных испытаний деталей машин;
применение систем конечно-элементного анализа при проектировании несущих металлоконструкций и соединений деталей машин.

Наноматериалы и нанотехнологии

Нанотехноло́гия — область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами. Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы размерами от 1 до 100 нанометров обычно называют «наночастицы». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эфективностью, зато более дёшевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров — белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные наночастицы могут самовыстраиваться в определённые структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства.

Разработки кафедры:

1. Антифрикционные композиционные материалы на основе алюминия.

Специалистами кафедры материаловедения и технологии металлов проводятся работы в направлении создания новых металлических материалов на основе алюминия и наноуглеродных материалов. Были получены опытные образцы.


а	б	в

Микроструктура образцов лигатур Al-C: а – Al + 10% фуллереновой черни, ´ 500; б – Al + 10% фуллеренов, ´ 500;
в – Al + 10% фуллереновой сажи, ´ 500

Разработанные антифрикционные композиционные материалы на основе алюминия с добавками ультрадисперсных углеродных материалов обладают повышенными свойствами, что позволяет рекомендовать их взамен деталей узлов трения из бронзы, а также алюминий-графитовых изделий. Полученные материалы могут найти широкое применение при создании объектов новой техники, отличающихся высокими техническими характеристиками, в частности, для прецизионных деталей машиностроения, изделий, работающих на трение при повышенных нагрузочно-скоростных условиях.

2. Сверхтвердые аморфнонанокристаллические композиты на основе наноуглерода с добавкой железа, спеченные при высоком давлении.

В результате проведения комплекса работ спеканием под высоким давлением 4 ГПа фуллереновой сажи после исчерпывающей экстракции из нее фуллеренов с добавлением 10% Fe получены образцы нанокомпозита с микротвердостью включений сверхтвердой фазы близкой к твердости алмаза, фазы-основы до 14.6 ГПа. Нанокомпозит имеет удельный вес 2.14…2.18 г/см3 и характерный стекловидный излом.

а б

Результаты анализа нанокомпозита Сэфс–10 масс.% Fe с использованием ПЭМ и Рамановской спектроскопии: а, б – тонкая структура и картина дифракции в ПЭМ, по стрелке 1 – нанокристаллический участок, по стрелке 2 – аморфный участок; б – картина дифракции с аморфного участка (рис. а, по стрелке 2)

Полученный углеродный нанокомпозит на основе C-10%Fe, является аморфным материалом, подобным стекловидному углероду, содержащим нанокристаллические включения сверхтвердой фазы. При этом, его высокая твердость является изотропной, как это характерно для аморфного алмаза.

3. Методика ускоренных усталостных испытаний металлических материалов и оборудование для ее реализации.

Методика ускоренных усталостных испытаний металлических материалов отличается от традиционных низкочастотных методик использованием высоких частот нагружения (18 кГц) для определения низкочастотных характеристик усталости металлических материалов. Позволяет определить характеристики усталости (пределы выносливости, кривые усталости соответствующих 50% вероятности разрушения, оценка среднего значения и среднего квадратического отклонения предела выносливости) металлических материалов.

Преимущества разработки:

•обеспечивает сокращение времени исследований характеристик усталости металлических материалов в 10-15 раз за счет снижения времени нагружения образцов без снижения точности прогноза;

•обеспечивается снижение трудо- и энерогозатрат на проведение исследований характеристик усталости металлических материалов.

4. Технологический процесс поверхностного упрочнения тяжелонагруженных зубчатых колес методом боросилицирования.

Сотрудниками кафедры рзработаны технологические процессы (борирование, боросилицирование, бороалюмосилицирование, карбонитрация), обеспечивающие повышение сопротивления изнашиванию тяжелонагруженных зубчатых колес. Разработанные режимы и составы обеспечивают снижение интенсивности изнашивания таких колес в 1,3-1,5 раза. Использование таких упрочненных колес позволяет увеличить межремонтный период наработки ряда деталей трансмиссии мобильных машин на 50-65 %.

5. Новые конструкции энерго- и ресурсосберегающего дереворежущего инструмента.

Фреза многофункциональная.

Предназначена для обработки нескольких профильных поверхностей одной фрезой на заготовках из древесины и древесных материалов. Фреза оснащена четырьмя съемными режущими элементами, которые представляют собой полые вставки с цилиндрическим хвостовиком и кольцевой режущей кромкой на торце. Боковые поверхности вставок при повороте на 90° спланированы в виде плоской поверхности, по радиусу, с двумя радиусными углублениями, с угловой режущей кромкой, тем самым обеспечивая обработку одним комплектом вставок четырех профильных поверхностей. Свободное удаление стружки через полый режущий элемент снижает силовые параметры процесса резания.

Фреза с облегченным корпусом.

Фреза предназначена для обработки плоских поверхностей заготовок из древесины и древесных материалов. Корпус фрезы представляет собой коробчатое сечение квадратной или прямоугольной формы торцы которого заточены и образуют режущий клин. На боковых поверхностях просверлены посадочные отверстия. Фреза может быть оснащена сменными режущими пластинами с механическим креплением.Особенностью конструкции является то, что стружка из зоны резания удаляется через корпус в «свободном» падении, что благоприятствует снижению силовых параметров резания.

Фреза радиусная.

Фреза сконструирована в первую очередь для обработки радиусных пазов больших размеров на заготовках из древесины и других конструкционных материалов небольшой прочности. Инструмент спроектирован по принципу совмещения радиусного режущего элемента с несущей способностью корпуса. Корпус фрезы представляет собой кольцо с посадочным отверстием перпендикулярным боковой поверхности, режущей радиусной кромки на торце кольца и скосом противоположного торца. Особенностью конструкции является удаление стружки из зоны стружкообразования в «свободном падении», что положительно влияет на уменьшение силовых параметров резания.Разновидность конструкции - корпус может иметь прямоугольное, коробчатое сечение, в том числе оснащенными съемными твердосплавными пластинами.

Фреза с регулируемыми угловыми параметрами

Фреза предназначена для изучения влияния угловых параметров резания на силовые показатели. Фреза имеет реечный корпус на торцах открытые цилиндрические отверстия в которые вставляют цилиндрические вставки с продольными пазами для установки сменных режущих пластин, а фиксация осуществляется стяжными болтами благодаря наличию системы прорезей в корпусе. Путем поворота цилиндрических вставок регулируется соотношение величин переднего и заднего углов. Конструкция фрезы характеризуется небольшой металлоемкостью.

В 2024 г. кафедрой выполняются следующие научно-исследовательские работы:

Задание 4.1.10 ГПНИ «Материаловедение, новые материалы и технологии», подпрограмма «Многофункциональные и композиционные материалы» «Влияние условий получения силицидов на формирование структуры и свойств отливок».

Научный руководитель – к.т.н., доцент Д.В. Куис
Задание 4.1.13 ГПНИ «Материаловедение, новые материалы и технологии», подпрограмма «Многофункциональные и композиционные материалы» «Исследование влияния режимов термохимической обработки на структурообразование и фазовый состав композиционного материала поверхностно-модифицированных слоев легированных конструкционных сталей».

Научный руководитель – к.т.н., доцент Д.В. Куис
Задание 3.1.10 ГПНИ «Материаловедение, новые материалы и технологии», подпрограмма «Электромагнитные, пучково-плазменные и литейно-деформационные технологии обработки и создания материалов» «Структурообразование, физико-механические и эксплуатационные свойства многокомпонентных оксикарбонитридных упрочняющих покрытий из высокоэнтропийных сплавов на изделиях инструментального назначения».

Научный руководитель – к.т.н., доцент Д.В. Куис
Задание 1.07 ГПНИ «Механика, металлургия, диагностика в машиностроении», подпрограмма «Механика» «Теоретическое обоснование и разработка технологических процессов поверхностного упрочнения с использованием высокоэнергетических технологий, обеспечивающих повышение характеристик усталости металлических».

Научный руководитель – к.т.н., доцент С.Е. Бельский

Научно-исследовательская работа студентов

Научно-исследовательская работа студентов организуется как часть учебного процесса, обеспечивая развитие творческого отношения специалистов в своей деятельности, расширение их кругозора и более глубокую проработку отдельных вопросов программного материала, а также приобретения навыков работы с научно-технической литературой.

Преподаватели кафедры руководят научной работой студентов, о чем свидетельствуют доклады на студенческих научных конференциях БГТУ, а также участие в конкурсах студенческих НИР. Основные направления работ – исследования структуры и свойств наноматериалов, вакуумно-плазменных покрытий, исследования в области износостойкости деревообрабатывающих инструментов, проектировании элементов технических систем, исследовании характеристик усталости металлич и др.

На кафедре действуют 7 студенческих научно-исследовательских кружка:

1. Наноматериалы и покрытия (научный руководитель – к.т.н., доц. Д.В. Куис).

2. Фуллереносодержащие и наноструктурированные материалы (научный руководитель – д.т.н., проф. Н.А. Свидунович).

3. Энерго- и ресурсосбережение при обработке материалов резанием (научный руководитель – к.т.н., доц. Д.В. Куис).

4. Исследование характеристик циклической прочности металлических материалов, кинетики их физико-механических характеристик и проектирование элементов оборудования для реализации циклического нагружения образцов (научные руководители – к.т.н., доц. Бельский С.Е., к.т.н., доц. Блохин А.В.)

5. Разработка высокоэффективных процессов поверхностного упрочнения деталей машин, работающих в условиях сложного нагружения (научные руководители - к.т.н., доц. Пищов М.Н., к.т.н., доц. Бельский С.Е., к.т.н., доц. Сурус А.И.)

6. Проектирование элементов конструкций лесных машин и подъемно-транспортных механизмов с использованием МКЭ. (научные руководители - к.т.н., доц. Сурус А.И., асс. Лось А.М., к.т.н., доц. Блохин А.В.);

7. 3D-проектирование элементов технических систем (научные руководители - асс. Лось А.М., к.т.н., доц. Блохин А.В.).

Результаты исследований представляются на ежегодных внутривузовских конференциях студентов и магистрантов (доклады студентов 68-й научно-технической конференции студентов и магистрантов 17-22 апреля.2017 г.), а также высылаются на Республиканский конкурс научно-исследовательских работ студентов.

Студенты, принимающие активное участие в научно-исследовательской работе кафедры материаловедения и проектирования технических систем, привлекаются к изобретательской деятельности, внедрению результатов исследований в учебный и производственный процессы.