Рабочая учебная программа конспекты лекций материалы для лабораторных работ материалы для самостоятельной работы контрольно-измерительные материалы список литературы

Тема 2. Композитные материалы с армированной структурой. Практическое применение композитов в технике и промышленности. Перспективы развития конструкционных материалов. (1 час.) Углепластики (или карбон, карбонопластики, от «carbon», «carbone» — углерод) — полимерные композиционные материалы из переплетённых нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных (например, эпоксидных) смол. Плотность — от 1450 кг/м³ до 2000 кг/м³. Материалы отличаются высокой прочностью, жёсткостью и малой массой, часто прочнее стали, но гораздо легче (по удельным характеристикам превосходит высокопрочную сталь, например 25ХГСА). Вследствие дороговизны (при экономии средств и отсутствии необходимости получения максимальных характеристик) этот материал обычно применяют в качестве усиливающих дополнений в основном материале конструкции. Основные сведения Основная составляющая часть углепластика — это нити углерода. Такие нити очень тонкие (примерно 0,005-0,010 мм в диаметре), сломать их очень просто, а вот порвать достаточно трудно. Из этих нитей сплетаются ткани. Они могут иметь разный рисунок плетения (ёлочка, рогожа и др.). Для придания ещё большей прочности ткани из нитей углерода кладут слоями, каждый раз меняя угол направления плетения. Слои скрепляются с помощью эпоксидных смол. Нити углерода обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Термическая обработка состоит из нескольких этапов: Первый из них представляет собой окисление исходного (полиакрилонитрильного, вискозного) волокна на воздухе при температуре 250 °C в течение 24 часов. В результате окисления образуются лестничные структуры. После окисления следует стадия карбонизации — нагрева волокна в среде азота или аргона при температурах от 800 до 1500 °C. В результате карбонизации происходит образование графитоподобных структур. Процесс термической обработки заканчивается графитизацией при температуре 1600-3000 °C, которая также проходит в инертной среде. В результате графитизации количество углерода в волокне доводится до 99 %. Помимо обычных органических волокон (чаще всего вискозных и полиакрилонитрильных), для получения нитей углерода могут быть использованы специальные волокна из фенольных смол, лигнина, каменноугольных и нефтяных пеков. Кроме того, детали из карбона превосходят по прочности детали из стекловолокна, но, при этом, обходятся значительно дороже аналогичных деталей из стекловолокна. Дороговизна карбона вызвана, прежде всего, более сложной технологией производства и большей стоимостью производных материалов. Например, для проклейки слоев используются более дорогие и качественные смолы, чем при работе со стеклотканью, а для производства деталей требуется более дорогое оборудование (к примеру, такое как автоклав). Недостатком карбона является боязнь «точечных» ударов. Например, капот из карбона может превратиться в решето после частого попадания мелких камней. В отличие от металлических деталей или деталей из стеклоткани, восстановить первоначальный вид карбоновых деталей невозможно. Поэтому, после даже незначительного повреждения всю деталь придется менять целиком. Кроме того, детали из карбона подвержены выцветанию под воздействием солнечных лучей. Что делает его хрупким и непригодным к дальнейшему использованию. Наконец, когда приходит время для замены детали, существует целый ряд относительно простых шагов, которые могут быть предприняты для утилизации пластмассы, стали и алюминия. Углепластик же не так лёгок и дешев в переработке и поэтому его вторичное использование под большим вопросом. Производство Прессование. Углеткань выстилается в форму, предварительно смазанную антиадгезивом (например, мыло, воск, воск в бензине, Циатим-221, кремнийорганические смазки). Пропитывается смолой. Излишки смолы удаляются в вакууме(вакуум-формование) или под давлением. Смола полимеризуется, иногда при нагревании. После полимеризации смолы изделие готово. Контактное формование. На примере изготовления бампера: берется металлический исходный бампер («болван»), смазывается разделительным слоем. Затем на него напыляется монтажная пена (гипс, алебастр). После отвердевания снимается. Это матрица. Затем её смазывают разделительным слоем и выкладывают ткань. Ткань может быть предварительно пропитанной, а может пропитываться кистью или поливом непосредственно в матрице. Затем ткань прокатывается валиками — для уплотнения и удаления пузырьков воздуха. Затем полимеризация (если отвердитель горячего отвержения, то в печи, если нет, то при комнатной температуре — 20 °C). Затем бампер снимается, если надо — шлифуется и красится. Трубы и иные цилиндрические изделия производят намоткой. Форма волокна: нить, лента, ткань. Смола: эпоксидная или полиэфирная. Возможно изготовление форм из углепластика в домашних условиях, при наличии опыта и оборудования. Применение Углепластики широко используются при изготовлении лёгких, но прочных деталей, заменяя собой металлы, во многих изделиях от частей космических кораблей до удочек, среди которых: ракетно-космическая техника; авиатехника (самолётостроение, вертолётостроение (например, несущие винты)); судостроение (корабли, спортивное судостроение); автомобилестроение (спортивные автомобили (например, бамперы, пороги, двери, крышки капотов), мотоциклы, болиды Формулы 1: кокпиты и обтекатели), а также при оформлении салонов; наука и исследования; усиление железобетонных конструкций; спортивный инвентарь (роликовые коньки, велосипеды, футбольные бутсы, хоккейные клюшки, лыжный спорт (лыжи, палки, ботинки), ракетки для тенниса, основания для настольного тенниса, лезвия коньков, стрелы, оборудование виндсерфинга, моноласты), вёсла; медицинская техника; рыболовные снасти (удилища); профессиональные фото- и видеоштативы; бытовая техника (отделка корпусов телефонов, ноутбуков, рукояти складных ножей и пр.); моделизм; музыкальные инструменты (струны); изготовление индивидуальных супинаторов (особенно для спорта). Амфорные металлы (метглассы, металлические стекла), твердые некристаллические металлы и их сплавы. Основной метод получения аморфных металлов — быстрое охлаждение (со скоростями ~1000 К/с) жидкого расплава, такие аморфные сплавы называются металлическими стеклами (метглассами). Тонкие пленки аморфных металлов получают конденсацией паров или напылением атомов на холодную подложку. Можно также получить аморфные металлы при электрохимическом осаждении и при облучении кристаллических металлов интенсивными потоками ионов или нейтронов. У аморфных металлов, так же как и у всех веществ в аморфном состоянии отсутствуют характерные для кристаллов дифракционные максимумы на рентгено-, нейтроно- и электронограммах образцов при их исследовании дифракционными методами. Аморфные металлы — метастабильные системы, термодинамически неустойчивые относительно процесса кристаллизации. Поэтому для характеристики аморфных металлов и пленок используют такой параметр, как термостабильность, который показывает температуру (температуру кристаллизации Tкрист), отжиг при которой в течение 1 ч приводит практически к полной кристаллизации образца. Ткрист аморфных металлов варьируется в пределах 300 – 1000 К. Металлические стекла практически стабильны при Tкрист - 200 К. Времена кристаллизации при этом оцениваются в сотни лет. Для стабилизации в состав аморфного металла вводят аморфизирующие примеси. Аморфные металлические стекла — метглассы — обладают комплексом уникальных свойств. Физические и химические свойства металлов в аморфном состоянии существенно отличаются от их свойств в кристаллическом состоянии. Прочность и твердость аморфных металлов значительно выше, чем в кристаллическом состоянии, пределы текучести и прочности для ряда металлических стекол близки к рассчитанным теоретическим значениям. Однако модули упругости аморфных металлов ниже, чем в кристаллическом состоянии, что может быть связано с уменьшением сил межатомной связи. Механические свойства аморфных металлов в значительной степени определяются отсутствием дислокаций. Отсутствие дислокаций приводит к тому, что металлические стекла обладают очень высокой прочностью, а благодаря высокой твердости они износостойки. Однако отсутствие дислокаций приводит к снижению пластичности аморфных сплавов. Металлические стекла не так хрупки, как обычное стекло, их можно прокатывать при комнатной температуре. Среди других уникальных особенностей металлических стекол можно отметить слабое поглощение звука, каталитические свойства. Одним из основных преимуществ аморфных металлических сплавов является их исключительно высокая коррозионная стойкость, которая у некоторых металлических стекол на несколько порядков выше, чем у лучших нержавеющих сталей. Во многих агрессивных средах (морской воде, кислотах) металлические стекла вообще не корродируют. Предполагается, что основная причина высокой коррозионной стойкости аморфных сплавов заключается в отсутствии специфических дефектов кристаллической решетки — дислокаций и границ между зернами. Бездефектная структура аморфного сплава передается образующейся на начальных стадиях коррозионного процесса на его поверхности тонкой окисной пленке, которая в дальнейшем защищает металл. Благодаря сочетанию некоторых физических свойств аморфных сплавов, в частности, магнитных и электрических, они нашли широкое применение. Одно из важнейших применений аморфным металлов — в микроэлектронике для создания диффузионных барьеров на границе металл-полупроводник. Широко используются аморфные сплавы (см. Аморфные магнетики) например, для изготовления магнитных накопителей (благодаря уникальной магнитомягкости у таких материалов магнитная анизотропия меньше на два порядка, чем в обычных сплавах). Амфорные магнетики - класс магнитных материалов, сочетающих определ. магнитную атомную структуру, напр. ферромагнитную, с аморфной атомной структурой в ограниченном интервале темп-р. Возможность существования А. м. была впервые показана теоретически в 1960 [1]. Полученные А. м. но магн. свойствам не уступают или близки к лучшим кристаллич. магн. материалам, но технология их изготовления существенно проще. Особенности магн. состояния А. м. определяются особенностями аморфного состояния вещества - отсутствием дальнего и наличием ближнего атомного порядка, термодинамич. неравновесностью, флуктуациями атомных магн. моментов, обменных и анизотропных взаимодействий. Указанные флуктуации и топологич. особенности строения "сетки" атомов аморфного вещества формируют магн. структуры А. м. Теоретич. и эксперим. исследования показали, что существуют след. типы А. м.: ферромагнетики (ФМ), спиновые стёкла (СС), ферримагнетики (ФИМ), неупорядоченные ферромагнетики (НФМ), неупорядоченные ферримагнетики (НФИМ). Последние два типа А. м. наз. также асперомагнитными и сперимагнитными соответственно. Теория допускает также возможность неупорядоченного антиферромагн. состояния. На рис. 1 схематически представлены указанные структуры А. м. и примеры магнетиков соответствующих типов. Во всех магн. структурах А. м. (кроме СС) существует дальний магн. порядок. Структуры ФМ и НФМ (рис. 1, а, г) имеют ненулевой макроскопич. спонтанный магн. момент (МK0). Их различие связано со стохастичностью и существенной неколлинеарностью структуры НФМ. Состояние СС (рис. 1, б)представляет собой систему хаотически "замороженных" в пространстве магн. моментов с общим моментом М=0. Наконец, состояния ФИМ и НФИМ (рис. 1, в, д)характерны для двухкомпонентных систем типа сплавов переходных 3d- и 4f-металлов. НФИМ отличается неупорядоченностью и неколлинеарностью магн. моментов. Физ. свойства А. м. специфичны, напр. перевод магнетика в аморфное состояние вызывает, как правило, снижение темп-ры магнитного фазового перехода в парамагн. состояние. Флуктуации обменных взаимодействий в случае аморфного ФМ увеличивают скорость снижения спонтанной намагниченности при увеличении температуры. Рис. 1. Типы магнитных структур аморфных магнетиков а-ферромагнитная; б - спиновое стекло; в-ферримагнитная; г - неоднородная ферромагнитная, д - неоднородная ферримагнитная. Точки и кружки обозначают места локализации атомных магнитных моментов в структурах ФМ и СС точки - атомы железа, в структуре ФИМ - атомы кобальта, кружки - атомы гадолиния, в структурах НФМ точки - атомы гадолиния, в структуре НФИМ - атомы железа, кружки - атомы диспрозия. Энергетич. спектр элементарных магн. возбуждений аморфного ФМ имеет "ротонный" характер (см. Квазичастица), т. е. существует минимум энергии при значении волнового числа, определяемом характерным размером неоднородности структуры. Низкотемпературная "магнитная" часть теплоёмкости некоторых редкоземельных А. м. линейно зависит от темп-ры. При идеальной изотропии аморфного вещества макроскопич. магн. анизотропия в нём отсутствует. Однако локальная магн. анизотропия, возникающая, напр., от анизотропии локального внутрикристаллического поля, оказывает важное влияние на магн. свойства А. м. Так, коэрцитивная сила аморфного ФМ увеличивается очень резко, когда энергия одноионной локальной анизотропии становится сравнимой с энергией обменного взаимодействия. Это явление используют для создания магнитно-жёстких А. м. Реальные А. м. не являются макроскопически изотропными из-за различных, гл. обр. технол., причин и обычно обладают макроскопич. магн. анизотропией. МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный федеральный университет» (ДВФУ) ИНЖЕНЕРНАЯ ШколА двфу МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ по дисциплине «Современные конструкционные материалы» 151600.68 - «Прикладная механика» г. Владивосток 2012 ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ (44 часа, из них в интерактивной форме – 10 часов) Лабораторные работы с использованием методов активного обучения представляют собой групповые консультации, на которых устраивается подробный разбор выдаваемого материала по темам текущих занятий с целью разъяснения отдельных, сложных или практически значимых вопросов изучаемой программы, в ходе которых после краткого изложения основных вопросов темы студенты задают преподавателю вопросы, ответам на них может отводиться до 25% учебного времени, а в конце занятия проводится небольшая дискуссия - свободный обмен мнениями, где преподаватель подводит итоги. Лабораторная работа №1. (8 часов, из них 2 час. - с использованием методов активного обучения) Определение прочностных и пластических характеристик конструкционных материалов при испытании на растяжение. Цель работы. Изучить поведение материала под действием внешнего нагружения, что позволит определить его механические свойства, а также допустимые пределы нагрузки для каждого конкретного материала. По полученным данным возможно произвести сопоставимую оценку различных материалов. Результаты определения механических свойств используют в расчетной конструкторской практике при проектировании машин и конструкций. Теоретическая часть и описание экспериментальной установки. К механическим свойствам материала относится прочность, характеризующая сопротивление материала деформации и разрушению, и пластичность, характеризующая способность материала к остаточной деформации без разрушения. Прочностные и пластические характеристики конструкционных материалов определяются при статических испытаниях на растяжение, при которых прилагаемая нагрузка возрастает медленно и плавно. При этих испытаниях применяют образцы цилиндрические или плоские с прямоугольным поперечным сечением (рисунок 1). Рисунок 1. Стандартные цилиндрический (а) и плоский (б) образцы для испытания на растяжение. h- длина головки, при помощи которой образец закрепляется в захват машины; L0 - начальная расчетная длина образца; d0- начальный диаметр рабочей части цилиндрического образца; a0 - начальная толщина рабочей поверхности плоского образца; b0 - начальная ширина рабочей части плоского образца; R - радиус закругления переходной зоны; L - общая длина образца. Машины для испытания на растяжение имеют приспособление, которое автоматически вычерчивают диаграмму зависимости между нагрузкой Р приложенной к образцу, и полученным удлинением L. На рис. 2 представлен ряд диаграмм, относящихся к углеродистой стали при различном процентном содержании углерода. На этих диаграммах видно, что увеличение содержания углерода повышает сопротивление разрыву стали, но одновременно с этим удлинение при разрыве падает, т.е. сталь с высоким содержанием углерода является менее пластичной. Рисунок 2. Диаграммы растяжения для сталей с различным содержанием углерода На диаграмме растяжения, рис. 3, по вертикальной оси отложены величины нагрузок Р, Н, а по горизонтальной оси - величины абсолютных удлинений образца L, мм. Как видно на диаграмме до точки () удлинение прямо пропорционально нагрузкам. Нагрузка, соответствующая точке , называется нагрузкой предела пропорциональности. Тангенс угла наклона прямой OA к оси абсцисс характеризует модуль упругости Е материала, определяющий жесткость материала. Физический смысл модуля упругости заключается в том, что он характеризует сопротивляемость металла упругой деформации, т.е. смещению атомов из положения равновесия в кристаллической решетке и определяется силами межатомной связи. При дальнейшем повышении нагрузки происходит нарушение пропорциональности между напряжением и удлинением в результате возникновения остаточных удлинений. Выше Рпц начинается значительное отклонение кривой, которая затем переходит в горизонтальную линию, что характеризует увеличение удлинения образца без возрастания нагрузки. Материал как бы течет, поэтому нагрузка, соответствующая горизонтальному участку БВ на кривой, называется нагрузкой  соответствующей физическому пределу текучести . Если при растяжении образца не образуется горизонтальной площадки, то за нагрузку Р соответствующую условному пределу текучести, принимают ту нагрузку, которая вызывает остаточное удлинение, равное 0,2% расчетной длины образца. Рисунок 3. Диаграмма растяжения в координатах нагрузки. Образование площадки текучести при  связывают с закреплением дислокаций примесными атомами внедрения. Дальнейшее повышение нагрузки (кривая ВГ) вызывает более значительную пластическую деформацию во всем объеме металла. Наибольшая нагрузка , предшествующая разрушению образца, соответствует пределу прочности (временному сопротивлению). Далее в образце начинает образовываться шейка (местное уменьшение сечения образца) и нагрузка в связи с этим понижается. В результате множественного скольжения и пересечения дислокаций в шейке образуется высокая плотность вакансий, укрупнение которых приводит к возникновению пор. Сливаясь, поры образуют трещину, которая распространяется в направлении, поперечном оси растяжения и при нагрузке, соответствующей точке , (точка Д), происходит разрыв образца.

Похожие:

	Рабочая учебная программа дисциплины Конспекты лекций Материалы для... Учебно-методический комплекс составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального...		Рабочая программа учебной дисциплины (рпуд) 5 конспекты лекций 33... Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального...
	Рабочая программа учебной дисциплины 5 Конспекты лекций 12 Материалы... Специальность —240802. 65 Основные процессы химических производств и химическая кибернетика		Рабочая программа учебной дисциплины (рпуд) 6 конспект лекций 20... Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального...
	Рабочая программа учебной дисциплины 5 Конспект лекций 21 Материалы... Министерством образования Российской Федерации 27 марта 2000 г. Номер государственной регистрации 260 гум/сп. Специальность 021100...		Конспект лекций 12 материалы практических занятий 18 материалы для... В соответствии с назначением учебной дисциплины, ее основной целью является изучение теории и практики этики деловых отношений, позволяющие...
	Рабочая программа учебной дисциплины Конспекты лекций Материалы для... Целью данного курса является изучение студентами современной внешней политики Российской Федерации в контексте нового миропорядка,...		Учебно-методического комплекса дисциплины рабочая программа учебной... Материалы для организации самостоятельной работы студентов
	Учебной дисциплины 3 менеджмент 3 конспекты лекций 25 материалы практических... Рабочая программа составлена на основании типовой программы гос впо и авторских разработок		Учебной дисциплины 3 гражданское право 3 конспекты лекций 11 материалы... Рабочая программа составлена на основании типовой программы гос впо и авторских разработок
	«Служебные части речи» Контрольно-измерительные материалы. Русский язык: 7 класс / Сост. Н. В. Егорова. — М.: Вако, 2019. — 96 с. — (Контрольно-измерительные...		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Контрольно-измерительные материалы. Русский язык: 9 класс / Сост. Н. В. Егорова. — М.: Вако, 2010. — 96 с. — (Контрольно-измерительные...
	Рабочая программа учебной дисциплины Контрольно-измерительные материалы... Учебно-методический комплекс составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального...		Пояснительная записка Контрольно-измерительные материалы по дисциплине «Информатика» Контрольно-измерительные материалы по дисциплине «Информатика» составлены в соответствии с требованиями Государственного образовательного...
	Рабочая программа учебной дисциплины Материалы для организации самостоятельной... Содержание дисциплины «Физическая культура» предусматривает изучение техники различных видов спорта, а именно – спортивных игр (волейбол,...		Учебно-методический комплекс включает в себя учебную рабочую программу... Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального...