ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»
Согласовано | Утверждаю | |
Руководитель ООП по направлению 150100 декан МФ проф. | Зав. кафедрой МиТХИ проф. |
ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«Физика прочности и механика разрушения»
Направление подготовки: 150100 «материаловедение и технология новых материалов»
Профиль подготовки: «Материаловедение и технологии новых материалов»
Квалификация (степень) выпускника: бакалавр
Форма обучения: очная
Составитель: доцент
Санкт-Петербург
2012
Составитель доцент
Научный редактор профессор
1. Цели и задачи дисциплины.
Цель изучения дисциплины “Физика прочности и механика разрушения" - дать студенту знания по теоретическим основам формирования механических и физических свойств, разработка материалов с заданными физико-механическими характеристиками, научить определению механических и физических свойств материалов конструкционного и функционального назначения.
Задачи изучения дисциплины – усвоение основных теоретических основ формирования физико-механических свойства материалов.
2. Место дисциплины в структуре ООП.
Курс «Физика прочности и механика разрушения» является комплексной дисциплиной и базируется на знаниях, полученных при изучении фундаментальных химических и общеинженерных дисциплин таких как: «Неорганическая химия», «Физика», «Высшая математика», «Информатика», «Сопротивление материалов».
Знания и умения, приобретенные при изучении курса, будут использованы в процессе освоения последующих дисциплин – «Машиностроительные материалы», «Методология выбора материалов и технологий в машиностроении».
3. Требования к результатам освоения дисциплины:
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций: ОК9, ПК3, ПК6, ПК11.
В результате изучения дисциплины студент должен:
знать: природу упругости, пластичности и разрушения материалов; природу электрических, магнитных и тепловых свойств материалов; основные факторы, влияющие на механические и физические свойства материалов; принципы упрочнения материалов; принципы создания материалов с особыми физическими свойствами.
уметь: определять стандартными методами физико-механические свойства материалов; ставить задачи и составлять программы комплексных исследований свойств материалов и изделий; использовать результаты исследования механических и физических свойств для оценки качества материалов и изделий, для моделирования и оптимизации технологических процессов с целью получения заданных эксплуатационных свойств материалов.
Владеть: навыками использования технических средств и комплексных методик для измерения, контроля и испытания основных свойств материалов и изделий из них, и их использования в исследованиях и расчетах
4. Объём дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоёмкость дисциплины составляет 7 зачётные единицы.
Вид учебной работы | Всего часов | Семестры | |
3 | 4 | ||
Аудиторные занятия (всего) | 115 | 51 | 64 |
В том числе: | |||
Лекции | 49 | 17 | 32 |
Практические занятия (ПЗ) | 33 | 17 | 16 |
Семинары (С) | – | – | – |
Лабораторные работы (ЛР) | 33 | 17 | 16 |
Самостоятельная работа (всего) | 101 | 50 | 51 |
В том числе: | |||
Курсовой проект (работа) | – | – | – |
Расчётно-графические работы | – | – | – |
Реферат | – | – | – |
Другие виды самостоятельной работы: | |||
Подготовка отчета по лабораторным работам | 20 | 10 | 10 |
Защита лабораторных работ | 20 | 10 | 10 |
Работа с литературой | 61 | 30 | 31 |
Вид промежуточной аттестации (зачёт, экзамен) | Зачёт | ||
Общая трудоёмкость час зач. ед. | 252 | 252 | |
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Содержание раздела |
1. | 1. Введение. Механические свойства. Часть 1. | Предмет "Механические свойства материалов" и его место в ряду специальных дисциплин. Требования, предъявляемые к механическим свойствам конструкционных и функциональных машиностроительных материалов. Классификация механических свойств. Краткая история развития науки о механических свойствах материалов. |
2. | 2. Общая характеристика механических свойств и испытаний. Механические свойства. Часть 1. | Напряжения. Виды напряжений. Тензор напряжений. Деформации. Виды деформации. Тензор деформаций. Схемы напряженного и деформированного состоянийпри механических испытаниях различных видов. Коэффициенты "мягкости" и трехосности схемы напряженного состояния. Классификация механических испытаний: по схеме напряженного или деформированного состояния, по способу нагружения образца, по характеру изменений нагрузки во времени. Условия подобия механических испытаний: геометрические, механические, физические. Масштабный фактор. Гомологическая температура. Статистическая обработка результатов механических испытаний. |
3. | 3. Упругие свойства и неполная упругость. Механические свойства. Часть 1. | Закон Гука и константы упругих свойств. Природа упругости твердых тел. Элементарный и обобщенный закон Гука для изотропных тел. Связь между характеристиками упругости. Анизотропия упругих свойств. Влияние температуры и холодной пластической деформации на характеристики упругости металлов. Зависимость модулей упругости гомогенных и гетерогенных металлических сплавов от их состава и структуры. Упругие свойства керамики и полимеров. Методы определения упругих свойств. Неполная упругость металлов: эффект Баушингера, упругое последействие и релаксация напряжений. Механический гистерезис и внутреннее трение как следствие неупругих эффектов при деформации металлов. Характеристики внутреннего трения. Температурная зависимость внутреннего трения. Методы измерения внутреннего трения и применяемая аппаратура. Сверхупругость (эффект памяти формы), ее природа. Использование ЭПФ в машиностроении и приборостроении. |
4. | 4. Пластическая деформация. Механические свойства. Часть 1. | Низкотемпературная пластическая деформация скольжением. Связь величины макроскопического сдвига с характеристиками дислокационной структуры. Линии и полосы скольжения. Кристаллография и системы скольжения в металлах с кубическими и гексагональными кристаллическими решетками. Особенности скольжения в кристаллах с объемноцентрированной кубической решеткой. Развитие деформации в монокристаллах с г. ц.к. решеткой при низких температурах. Стадии пластической деформации: легкое (одиночное) скольжение, множественное скольжение, поперечное скольжение. Эволюция дислокационной структуры при пластической деформации. Влияние ориентировки относительно оси растяжения на картину пластической деформации. Пластическая деформация поликристаллов. Образование текстуры деформации. Особенности пластической деформации скольжением в монокристаллах и поликристаллах металлов с г. п. и о. ц.к. решетками. Деформационное упрочнение металлических монокристаллов. Приведенное напряжение сдвига, фактор Шмида. Кривые деформационного упрочнения монокристаллов металлов с г. ц.к., г. п. и о. ц.к. решетками. Три стадии деформационного упрочнения. Динамический возврат. Деформационное упрочнение поликристаллов. Уравнение Петча-Холла. Пластическая деформация металлов двойникованием. Кристаллография и системы двойникования в металлах с кубическими и гексагональными кристаллическими решетками. Соотношение скольжения и двойникования в процессе пластической деформации. Картина пластической деформации и кривые деформационного упрочнения при двойниковании. Влияние энергии дефектов упаковки и схемы напряженного состояния на пластическую деформацию и их деформационное упрочнение. Зависимость критического приведенного напряжения сдвига и коэффициентов упрочнения от температуры. Термический возврат и динамическая полигонизация при высокотемпературной деформации. Теплая и горячая деформация. Динамическая рекристаллизация. Влияние скорости деформации на структуру и упрочнение металлов при пластической деформации. Основные положения уравнения теории термически активируемой пластической деформации. Сверхпластическая деформация. Ползучесть и ее виды. Кривые ползучести. Стадии ползучести. Зависимость скорости ползучести от напряжений и температуры. Особенности пластической деформации в условиях ползучести при высоких гомологических температурах. Пластическая деформация ковалентных и ионных кристаллов. Зависимость характера деформирования от скорости деформирования. Деформация поликристаллических керамик. Деформация аморфных веществ. Модельные представления о деформации полимеров, хаотическая деформация полимеров в стеклообразном, высокопластичном и кристаллическом состояниях. Механизмы упрочнения: деформационное упрочнение, субструктурное упрочнение, твердорастворное упрочнение, дисперсионное твердение, создание гетерогенных и анизотропных структур. Реализация различных механизмов при разработке высокопрочных материалов. Влияние примесей, легирования и структуры на пластическую деформацию и упрочнение металлов: образование атмосфер примесных атомов на дислокациях, изменение энергии дефектов упаковки, увеличение сил трения решетки при движении дислокаций, упорядочение твердого раствора. Растворное упрочнение. Упрочнение когерентными и некогерентными частицами избыточных фаз. Композиционные минералы. |
5. | 5. Разрушение. Механические свойства. Часть 1. | Виды разрушения: отрыв и срез. Схемы разрушения при различных механических испытаниях. Условия перехода от хрупкого отрыва к вязкому срезу. Диаграмма механического состояния . Основные стадии разрушения: зарождение зародышевой трещины, распространение трещины. Энергоемкость и скорость распространения трещины при вязком и хрупком разрушении. Механизмы зарождения трещин. Модели образования трещин у вершин дислокационных скоплений. Распространение трещин. Основные представления линейной механики разрушения. Теория хрупкого разрушения Гриффитса. Критерий Гриффитса для металлов. Сопротивление движению трещин. Коэффициент интенсивности напряжений и вязкость разрушения. Учет пластической деформации при разрушении. Нелинейная механика разрушения. Вязкое разрушение. Зарождение трещины при вязком разрушении. Локализация деформации и образование шейки при растяжении. Структура поверхности при вязком разрушении. Хрупкое разрушение. Опасность хрупкого разрушения. Кристаллография распространения хрупкой трещины (трещины скола). Структура поверхности разрушения. Фасетки скола. Классификация изломов. Зависимость перехода от вязкого разрушения к хрупкому от температуры, структуры материала и условий испытаний, скорости деформации и наличия надрезов. Схема и температура вязко-хрупкого перехода. Хладноломкость металлов и способы борьбы с ней. Причины склонности к хрупкому разрушению металлов и сплавов с о. ц.к. решеткой. Роль примесей внедрения. Зависимость температуры вязко-хрупкого перехода от размеров зерна. Разрушение при высокотемпературной ползучести. Природа усталостного разрушения. Особенности пластической деформации и разрушения при циклическом нагружении. Механизмы зарождения и распространения усталостных трещин. Строение усталостного излома. Влияние различных факторов на предел выносливости: характеристики цикла напряжений, состояние поверхности, наличие концентраторов напряжений, температура испытаний. Термическая усталость. Связь выносливости с другими механическими свойствами. Изнашивание и износостойкость металлов. Разновидности изнашивания. Кривая износа при нормальном изнашивании. Недопустимое изнашивание (повреждаемость). Способы повышения износостойкости металлов. Прочность и разрушение полимеров и полимерных композиционных материалов. Математическое моделирование процесса разрушения. Физические основы повышения сопротивляемости разрушению металлических и неметаллических материалов. |
6. | 6. Методы механических испытаний и оборудование для испытаний. Механические свойства. Часть 1. | Государственные стандарты на статические методы испытания металлов. Методика проведения испытаний на растяжение, применяемые машины и образцы. Кривые растяжения и прочностные характеристики, определяемые при растяжении: предел пропорциональности, предел упругости, предел прочности. Физическая природа и способы определения предела пропорциональности. Физическая природа пределов упругости и текучести. Условный и физический предел текучести. Причины образования зуба и площадки текучести на кривой растяжения. Деформационное старение. Влияние температуры испытаний на величину физического и условного пределов текучести. Предел прочности. Равномерная и сосредоточенная деформации. Диаграмма истинных напряжений при растяжении. Характеристики пластичности при растяжении: относительное удлинение и относительное сужение. Связь характеристик пластичности и прочности. Работа пластической деформации при растяжении. Испытания на двухосное растяжение методом выдавливания. Испытания на сжатие. Жесткость напряженного состояния. Схема испытаний, применяемые образцы и способы устранения трения. Диаграммы сжатия и характеристики прочности и пластичности. Условные и истинные диаграммы деформации для хрупких и пластичных материалов. Технологические пробы на сжатие. Испытания на изгиб. Схемы испытания. Диаграмма изгиба, номинальные и реальные прочностные характеристики, определяемые при изгибе. Характеристики пластичности. Технологические пробы на изгиб. Испытания на кручение. Особенности схемы напряженного состояния. Методика испытания на кручение, применяемые машины и образцы. Диаграмма кручения и основные характеристики упругости, прочности и пластичности. Технологические пробы на кручение. Применение концентраторов напряжений при статических испытаниях. Растяжение и изгиб образцов с надрезом. Схема напряженного состояния и коэффициент концентрации напряжений. Растяжение надрезанного образца с перекосом. Методика испытаний на вязкость разрушения, применяемые образцы. Условия определения вязкости разрушения при плоском деформированном состояний. Диаграммы нагрузка-смещение, нагрузка-раскрытие трещины. Практическое значение вязкости разрушения как характеристики трещиностойкости материала. Зависимость трещиностойкости от состава и структуры материала. Скорости деформирования и деформации при статических и динамических испытаниях. Особенности пластической деформации и разрушения при динамическом нагружении. Динамические испытания на изгиб образцов с надрезом. Используемые образцы и оборудование. Методика определения ударной вязкости и температуры вязко-хрупкого перехода. Разделение ударной вязкости на составляющие. Оценка склонности к хрупкому разрушению по результатам ударных испытаний. Общая характеристика испытаний на твердость. Физический смысл твердости. Связь между твердостью и прочностью металлов. Государственные стандарты на определение твердости. Твердость по Бринеллю. Схема и методика испытаний, расчет числа твердости. Условия геометрического подобия. Твердость по Виккерсу. Схема и методика испытаний, расчет числа твердости. Особенности и назначение метода микротвердости. Твердость по Роквеллу. Схема и методика испытаний, шкалы твердости, физический смысл числа твердости по Роквеллу. Жаропрочность металлических материалов и ее количественные характеристики. Методика испытаний на ползучесть, применяемые малины и образцы. Предел ползучести. Предел длительной прочности и долговечности. Испытания на длительную прочность, применяемые образцы и методика. Релаксация напряжений и связь с ползучестью. Методика испытаний на релаксацию, применяемые схемы и образцы. Методика проведения усталостных испытаний. Циклы напряжений и их характеристики. Схемы нагружения, применяемые машины и образцы. Кривые усталости и определение предела выносливости. Методы статистической обработки результатов усталостных испытаний. Испытания на малоцикловую усталость и её характеристики. Скорость роста трещины при усталости. Циклическая трещиностойкость и её характеристики. Диаграмма усталостного разрушения. |
5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
№ п/п | Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин | № № разделов данной дисциплины, необходимых для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин | ||||||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | ||
1 | Машиностроительные материалы | – | – | + | + | + | + | – | – | + | + | – | + | + |
2 | Технология материалов и покрытий | – | – | + | + | + | – | – | – | + | – | – | + | |
3 | Физика прочности и механика разрушения | + | + | + | + | + | + | – | – | – | – | – | – | – |
4 | Методология выбора материалов и технологий в машиностроении | – | + | + | + | + | + | – | – | + | + | – | + | + |
5.3. Разделы дисциплин и виды занятий
№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Лекции | Прак. зан. | Лаб. зан. | Семин. | СРС | Всего час. |
ВСЕГО | 49 | 33 | 33 | 115 | |||
1 | 1. Введение. Механические свойства. Часть 1. | 1 | - | - | 1 | ||
2 | 2. Общая характеристика механических свойств и испытаний. Механические свойства. Часть 1. | 3 | - | - | 3 | ||
3 | 3. Упругие свойства и неполная упругость. Механические свойства. Часть 1. | 2 | - | 17 | 19 | ||
4 | 4. Пластическая деформация. Механические свойства. Часть 1. | 2 | 8 | - | 10 | ||
5 | 5. Разрушение. Механические свойства. Часть 1. | 2 | - | - | 2 | ||
6 | 6. Методы механических испытаний и оборудование для испытаний. Механические свойства. Часть 1. | 7 | 9 | - | 16 |
6. Лабораторный практикум:
№ п/п | № раздела дисциплины | Наименование лабораторных работ | Трудо-ёмкость (час.) |
1. | 3 | Определение модуля нормальной упругости динамическим методом. | 6 |
2. | 3 | Определение модуля Юнга статическим методом. | 6 |
3. | 3 | Определение предела упругости при изгибе ленточных образцов. | 5 |
4. | 9 | Применение метода измерения удельного электрического сопротивления. | 5 |
5. | 12 | Построение основной кривой намагничивания баллистическим методом. | 5 |
6. | 12 | Исследование влияния термической обработки на магнитные свойства сталей. | 6 |
7. Практические занятия (семинары):
№ п/п | № раздела дисциплины | Наименование практических занятий | Трудо-ёмкость (час.) |
1. | 4 | Анализ диаграммы растяжения и построение диаграммы деформации. | 8 |
2. | 6 | Построение диаграммы наклёпа методом измерения микротвердости. | 9 |
3. | 12 | Определение магнитострикции ферромагнитных материалов тензометрическим методом. | 6 |
4. | 13 | Исследование влияния термической обработки стали на её плотностью. | 5 |
5. | 13 | Определение ТКЛР и температуры Кюри инварных сплавов дилатометрическим методом. | 5 |
8. Примерная тематика курсовых проектов (работ): не предусмотрены
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
а) основная литература
1. Золоторевский. С. Механические свойства металлов: Учебник для вузов. - М.: Металлургия, 1983.- 352с.
б) дополнительная литература
6. Металловедение и термическая обработка стали: Справ. изд. в 3-х т. т./ Под ред. , - 4-е изд., перераб. и доп. Т. I, кн. 2.- М.: Металлургия, 1991. - 402с.
8. , Шершнев и физика полимеров: Учебник для вузов. - М.: Высш. школа, 1988. - 312с.
9. Балтевич керамика: Учеб. пособие для вузов. - М.: Стройиздат, 1984. - 256с.
10. Аскадский полимеров. - М.: Химия, 1973.- 448с.
11. Механические свойства металлов: Методические указания к выполнению лабораторных работ/Сост. .–С-Пб.: СЗПИ, 1999.
в) программное обеспечение: Microsoft Office, Statistica.
г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы: ресурсы Интернет.
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
а) Специализированные аудитории, оснащённые стендовым материалом, образцами технических средств обучения и расходными материалами;
б) кафедральный компьютерный центр.
_____________________________________________________________________________
Разработчики:
кафедра МиТХИ доцент
