Часть лекций происходит в форме лекции-беседы, позволяющей привлечь внимание студентов к наиболее важным вопросам темы и определяющей темп изложения учебного материала с учетом особенностей студентов.
Методы обучения, применяемые при изучении дисциплины, способствуют закреплению и совершенствованию знаний, овладению умениями и получению навыков в области современного материаловедения. Содержание учебного материала диктует выбор методов обучения:
- информационно-развивающие – лекция, объяснение, демонстрация, решение задач, самостоятельная работа с рекомендуемой литературой;
- проблемно-поисковые и исследовательские – самостоятельная проработка предлагаемых проблемных вопросов по дисциплине.
При проведении части практических (семинарских) занятий в аудитории, оснащенной мультимедийной техникой (ноутбуком и проектором), излагаются и анализируются рефераты.
При проведении части практических (семинарских) занятий в форме учебной дискуссии по методу «круглого стола» проводится детальный анализ вопросов технологии, свойств и применения материалов в соответствии с приведенным ниже списком тем (по выбору преподавателя).
Предусмотрены встречи с российскими и зарубежными специалистами в области технологии и диагностики материалов, проводимые в виде лекций и мастер-классов.
Примерная тематика практических занятий (семинаров)
Основные принципы классификации материалов
Типы кристаллических решеток
Диффузия в твердых телах
Твердые растворы. Ограниченная растворимость
Фазовые диаграммы. Линии ликвидуса, солидуса, точка эвтектики
Классификация и маркировка сталей, чугунов и цветных сплавов.
Основные представления о диаграммах состояния двойных и тройных сплавов и способах их построения.
Диаграмма железо-углерод. Фазы и превращения на диаграмме железо-углерод.
Инструментальные стали
Полимерные композиционные материалы
Цветные металлы и их сплавы
Получение материалов и покрытий сублимацией в вакууме
Магнетронные методы получения материалов
Электрические свойства материалов
Диэлектрические свойства материалов и величины их характеризующие
Упругие свойства материалов
Возможности современной микроскопии. Виды микроскопов и принцип их работы.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы
студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Самостоятельная работа студентов в объеме 112 часов по дисциплине «Основы материаловедения» проводится в течение всего периода изучения дисциплины и заключается в чтении и изучении литературы, подготовке к лекциям, к контрольной работе, в выполнении заданий лектора.
Самостоятельная работа студентов подразумевает работу под руководством преподавателей (консультации и помощь в написании рефератов и при выполнении домашних заданий) и индивидуальную работу студента в компьютерном классе или библиотеке.
Рекомендуется:
- для качественного усвоения материала лекций разбирать вопросы, изложенные в каждой очередной лекции, до следующей, по непонятым деталям консультироваться у лектора, читать соответствующую литературу;
- при подготовке к семинарским занятиям пользоваться рекомендациями преподавателя, ведущего семинары, готовить краткий конспект по вопросам темы, изучать рекомендуемую основную и дополнительную литературу;
- при подготовке к контрольной работе пользоваться лекциями и рекомендованной литературой;
- задания, которые даются лектором во время лекции по отдельным вопросам, обязательны для выполнения, и качество их выполнения будет проверяться во время экзамена.
Вопросы и задания для самоконтроля при выполнении самостоятельной работы
Понятие фазы в химии.
Дайте определение компонента. В чем состоит различие двухфазного и двухкомпонентного сплавов? При каких условиях чистый (т.е. однокомпонентный) металл может быть двухфазным?
Назовите основные виды твердых фаз в металлических сплавах.
Фазовые диаграммы. Дайте определения линии ликвидуса, солидуса, точки эвтектики и перитектики.
Что называется фазой, компонентом, числом компонентов и степенью свободы? Запишите уравнение правила фаз Гиббса.
Приведите характерные виды диаграмм фазового равновесия двухкомпонентных систем.
Диаграмма состояния железо – углерод.
Диффузия в твердых телах.
Какой процесс называют диффузией? Чем различаются самодиффузия и гетеродиффузия?
Какие механизмы диффузии наиболее вероятны?
Как зависит коэффициент диффузии от температуры?
Твердые растворы. Ограниченная растворимость. Приведите примеры веществ.
Перечислите типы кристаллических решеток.
Чем различаются аморфное и кристаллическое состояния твердого вещества? Какое твердое тело называют кристаллическим?
Что понимают под сингонией? Перечислите сингонии кристаллов и укажите элементы симметрии, характерные для каждой из сингоний?
Что понимают под трансляцией? Сколько решеток Браве существует?
Что лежит в основе классификации дефектов кристаллического строения?
Какие точечные, линейные, поверхностные и объемные дефекты могут существовать в реальных кристаллах?
Металлокерамика.
Полимерные композиционные материалы.
Надежность конструкций. Методы упрочнения. Подбор материалов.
Что представляют собой твердые растворы? Какие типы твердых растворов существуют и каковы особенности твердых растворов каждого типа?
Что представляют собой диаграммы состояния и в чем заключается их практическое значение? Перечислите и поясните сущность основных методов построения диаграмм состояния.
Начертите диаграмму состояния двойных сплавов, компоненты которых имеют неограниченную растворимость в твердом состоянии. Укажите, каким фазам соответствует каждая область этой диаграммы. Определите в каком-либо сплаве состав фаз и количественное соотношение фаз при определенной температуре.
Начертите диаграмму состояния сплавов, компоненты которых имеют ограниченную растворимость в твердом состоянии, и рассмотрите процессы кристаллизации сплавов разного состава.
Начертите диаграмму состояния двойных сплавов, компоненты которых полностью нерастворимы в твердом состоянии. Рассмотрите процессы кристаллизации в доэвтектическом, эвтектическом и заэвтектическом сплавах. Укажите, сколько фаз существует совместно в момент эвтектической кристаллизации. Можно ли считать эвтектику самостоятельной фазой?
Начертите диаграмму состояния сплавов, компоненты которых образуют химическое соединение, и рассмотрите процессы кристаллизации сплавов разного состава.
Начертите диаграмму состояния сплавов, компоненты которых испытывают полиморфные превращения, и рассмотрите процессы кристаллизации сплавов разного состава.
На примере диаграммы состояния для случая неограниченной взаимной растворимости компонентов в твердом состоянии рассмотрите процесс кристаллизации какого-либо сплава.
Перечислите основные физико-механические свойства чистого железа. Охарактеризуйте полиморфные превращения в железе и укажите, при каких температурах они совершаются.
Дайте характеристику фаз, встречающихся в железоуглеродистых сплавах, - феррита, аустенита, цементита, графита.
Начертите по памяти диаграмму состояния железо—цементит, нанесите на нее все принятые буквенные обозначения и все характерные температуры и концентрации; обозначьте на диаграмме все фазы и структурные составляющие. Поясните, каким превращениям при нагреве и охлаждении соответствует каждая линия этой диаграммы.
Что представляют собой ледебурит и перлит? Являются ли они самостоятельными фазами?
Какие превращения совершаются в сплавах железа с 0,6%; 1,2%; 3% и 5% углерода при охлаждении из жидкого состояния до комнатной температуры?
В чем заключается различие между стабильной и метастабильной диаграммами состояния железоуглеродистых сплавов? При каких условиях процесс кристаллизации сплавов описывается диаграммой состояния одного или другого типа?
Как классифицируются железоуглеродистые сплавы по составу и структуре? Каково принципиальное различие между сталями и чугунами?
Какую структуру имеют доэвтектоидная, эвтектоидная и заэвтектоидная стали? Какую структуру имеют доэвтектический, эвтектический и заэвтектический чугуны? Какие пределы концентраций углерода свойственны каждому из перечисленных железоуглеродистых сплавов?
Каковы основные структурные составляющие в сером чугуне?
При реализации программы дисциплины «Основы материаловедения» студентам предлагается выполнить не менее 2-х рефератов по темам из предлагаемого списка.
Примерный перечень предлагаемых тем рефератов:
Классификация химических элементов. Таблица Менделеева.
Виды химических связей.
Валентность вещества.
Понятие фазы в химии. Гетерофазные вещества.
Биоматериалы и материалы, применяемые в медицине.
Металлокерамика.
Материалы для оптоволоконных линий.
Сенсорные материалы.
Синергетика. Самоорганизация в материалах.
Материалы, используемые в молекулярной электронике.
Материалы нанотехнологий (нанотрубки, фуллерены и т.д.) и их использование.
Элионная обработка материалов.
Процесс сварки и пайки металлов.
Легированные и собственные полупроводники.
Жидкие кристаллы.
Атомно-силовая микроскопия.
Рентгеноструктурный анализ.
Электронная микроскопия.
Вторично-ионная микроскопия.
Оже-спектрометрия.
Металло-графический анализ.
Методы материаловедения, применяемые в судебной экспертизе.
Специфика анализа биологических объектов.
В ходе изучения дисциплины проводится один письменный экспресс-опрос на тему «Структура и строение материала».
Варианты заданий для письменного экспресс-опроса:
Вариант 1
Понятие элементарной ячейки. Типы кристаллических решеток (описание и изображение), примеры материалов.
Изобразить и описать гексагональную базоцентрированную решетку.
Вариант 2
Строение материала. Понятие элементарной ячейки. Симметрия кристаллических решеток: сингонии (описание).
Изобразить кубическую гранецентрированную решетку.
Вариант 3
Дефекты кристаллического строения. Классификация дефектов.
Изобразить и описать тетрагональную примитивную решетку.
Вариант 4
Виды ограниченных твердых растворов.
Изобразить и описать триклинную примитивную решетку.
Вариант 5
Условия неограниченной растворимости компонент материала.
Изобразить и описать ромбическую объемоцентрированную решетку.
Вариант 6
Строение материала. Симметрия кристаллических решеток: сингонии (описание).
Изобразить ромбическую объемоцентрированную решетку.
В ходе изучения дисциплины студенты выполняют одну контрольную работу на тему «Анализ диаграмм состояния».
При подготовке к контрольной работе необходимо использовать материал прочитанных лекций.
Задания для выполнения контрольной работы:
Начертить диаграмму состояния двухкомпонентной системы (рис. 1,2) и провести ее анализ в направлениях, указанных в пунктах 2-6 .
Указать на рисунке, каким фазам соответствуют разные области этой диаграммы, и написать, какому превращению при охлаждении и нагреве соответствует каждая из ее линий.
Кратко описать превращения, происходящие в двух отмеченных на диаграмме сплавах при их медленном охлаждении от расплавленного состояния до температуры, соответствующей оси абсцисс диаграммы. Указать окончательные структуры этих сплавов.
Проанализировав процесс формирования структуры сплавов других составов, выписать все возможные типы окончательных структур сплавов данной системы; для каждой из структур указать интервал составов сплавов, к которому эта структура относится.
Для двух заданных сплавов построить кривые охлаждения и указать на них критические точки. Отметить, какие критические точки выражены появлением на кривой охлаждения горизонтальной площадки, а какие — изменением наклона кривой охлаждения.
Для двух заданных сплавов определить химические составы и относительные количества фаз при температурах, указанных в табл. 1.
Номер диаграммы состояния
|
Номер сплава
|
Температура,
°С
|
Номер диаграммы состояния
|
Номер
Сплава
|
Температура,
°С
|
0
|
I
|
20
|
5
|
I
|
650
|
II
II
|
150
|
II
|
200
|
1
|
I
|
200
|
6
|
I
|
800
|
II
II
|
20
|
II
|
1400
|
2
|
I
|
100
|
7
|
I
|
600
|
II
II
|
200
|
II
|
300
|
3
|
I
|
20
|
8
|
I
|
210
|
II
II
|
650
|
II
|
20
|
4
|
I
|
600
|
9
|
I
|
200
|
II
|
1000
|
II
|
280
|
Таблица 1.
Рис. Варианты диаграмм состояния двухкомпонентных систем 0-3
Рис. Варианты диаграмм состояния двухкомпонентных систем 4-7
Вопросы для проведения аттестации по итогам освоения дисциплины
(в форме экзамена)
Область изучения материаловедения. Материалы и их классификация. Эволюция материалов. Классификация химических элементов. Таблица Менделеева. Виды химических связей. Валентность вещества.
Классификация материалов.
Строение материала. Понятие элементарной ячейки. Типы ячеек. Типы кристаллических решеток. Сингонии.
Дефекты кристаллического строения. Классификация дефектов. Влияние дефектов на прочность материала.
Диффузия в твердых телах.
Твердые растворы. Ограниченная растворимость. Классификация сплавов и твердых растворов.
Понятие фазы в химии. Гетерофазные вещества.
Диаграмма состояния (фазовая диаграмма). Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния.
Фазовые диаграммы однокомпонентных веществ. Линии ликвидуса, солидуса, точка эвтектики. Фазовые диаграммы двух- и трехкомпонентных веществ. Виды фазовых диаграмм.
Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния.
Железоуглеродистые сплавы, их классификация. Влияние примесей и углерода на свойства сталей. Диаграмма состояния железо – цементит (углерод)
Классификация сталей. Инструментальные стали.
Чугуны. Строение, свойства, классификация.
Цветные металлы и их сплавы.
Собственные и легированные полупроводники.
Керамика, металлокерамика, стекла.
Пластмассы и пластики.
Резины и каучуки.
Композитные материалы.
Биосовместимые материалы и материалы, применяемые в медицине.
Методы получения сплавов, ультрадисперсных материалов, покрытий.
Механическая обработка материалов. Виды износа материалов. Фрикционные и антифрикционные материалы Усталость, ползучесть, твердость материалов.
Физические свойства материалов.
Эксплуатационные и технологические свойства материалов.
Методы исследования химического состава и структуры материалов.
|
