Основы технологии получения объемных наноматериалов

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Уфимский государственный авиационный технический университет

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ОБЪЕМНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Учебно-методическое пособие

по преподаванию дисциплины

Уфа 2010

Составитель

УДК

ББК

Учебно-методическое пособие по преподаванию дисциплины «Основы технологии получения объемных наноматериалов» / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т; Сост. – Уфа, 2010. – 16 с.

Излагаются методические рекомендации по преподаванию теоретического материала, проведению практических занятий, промежуточной аттестации и итогового тестирования по дисциплине «Основы технологии получения объемных наноматериалов».

Излагаются методические рекомендации по изучению теоретического материала, выполнению заданий лабораторных и практических занятий по дисциплине «Основы технологии получения объемных наноматериалов».

Предназначено для слушателей образовательной программы опережающей профессиональной переподготовки в области технологий и оборудования для прецизионной электрохимической обработки наноматериалов и нанометрического структурирования поверхности, однако может быть полезно также студентам, преподавателям, школьникам и учителям, инженерам и ученым, широким кругам населения, интересующимся современными проблемами научно-технического прогресса.

Библиогр.: 8 назв.

Рецензенты:

Ó Уфимский государственный

авиационный технический университет, 2010

Содержание

1. Цели и задачи дисциплины ………………………………….	4
2. Методические рекомендации по преподаванию теоретического материала дисциплины ……………………	4
3. Методические рекомендации по проведению лабораторных занятий…...………………………………….	11
4. Методические рекомендации по проведению практических занятий…...………………………………….	12
5. Рекомендуемые учебно-методические издания и иные информационные источники ………………………………..	14

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью изучения дисциплины является формирование у студентов следующей компетенции:

способен проанализировать детали с точки зрения возможности применения нанотехнологий.

Задачами изучения дисциплины является формирование у студентов знаний и умений, соответствующих целевым компетенциям (см. учебную программу по дисциплине).

Дисциплина «Основы технологии получения объемных наноматериалов» базируется на знаниях, полученных при изучении физики и материаловедения в высшей школе. Данная дисциплина следует за дисциплиной «Введение в нанотехнологии» в модуле «Анализ деталей на нанотехнологичность».

Полученные при изучении данной лисциплины знания и умения знания и умения будут необходимы слушателям в дальнейшем обучении при изучении всех последующих дисциплин, а также при подготовке выпускной квалификационной работы.

При изучении дисциплины предусматривается лекционное изложение курса, работа с презентациями лекционного курса, работа с учебниками, учебными и методическими пособиями, а также материалами сети Интернет. Практические и лабораторные занятия призваны закрепить теоретические знания, полученные при прослушивании лекционного курса и самостоятельной работе с учебниками и учебными пособиями, и выработать навыки ориентации в области нанотехнологий и наноматериалов.

Проверка уровня освоения материала дисциплины осуществляется преподавателем на каждой лекции, семинарском занятии, и в виде текущего тестирования.

2. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ПРЕПОДАВАНИЮ

ТЕОРЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ДИСЦИПЛИНЫ

Основной теоретический материал дисциплины излагается в лекционном курсе. При проведении лекций по дисциплине необходимым является использование технических средств обучения, позволяющих сопровождать изложение материала наглядными презентациями, содержащими эффекты анимации и цветового выделения различных смысловых участков текста и, тем самым, акцентировать внимание слушателей на наиболее значимых и важных положениях излагаемого материала.

На первой лекции перед началом изложения основного содержания дисциплины необходимо:

·  познакомить слушателей с целями и задачами дисциплины и дать краткой обзор ее содержания;

·  привести список рекомендованных учебно-методических материалов по дисциплине и предложить эффективную схему их использования;

·  дать рекомендации слушателям по методике самостоятельной подготовки по дисциплине.

В завершении каждой лекции необходимо указать учебно-методические материалы, которые позволят расширить представления слушателей по только что изложенной теме и которые они могут использовать в процессе самоподготовки и самопроверки. Также полезно дать краткое содержание следующей лекции.

Далее приводятся методические рекомендации по преподаванию теоретического материала дисциплины.

Тема 1. Метод кручения под высоким давлением

Знания: Знает основы получения наноструктурных материалов методом ИПД кручением под высоким давлением. Знает характер влияния параметров ИПД кручением на особенности получаемых наноструктур.

Умения: Умеет выбирать параметры метода ИПД кручением для получения объемных наноструктурных материалов.

Лекция: №1

Объем лекций: 2 часа

Объем СРС: 1 час

Дидактические единицы

Цели и задачи технологий получения объемных наноструктурных материалов.

Метод кручения под высоким давлением. Научные основы метода. Историческая справка. Современные подходы к реализации метода кручения под высоким давлением. Идеальная схема и практическая реализация. Расчет степени деформации при кручении под высоким давлением.

Требования к заготовкам для реализации кручения под высоким давлением.

Достоинства и недостатки метода кручения под высоким давлением.

Анализ распределения микротвердости по диаметру заготовок, подвергнутых кручению под высоким давлением. Влияние накопленной степени деформации (числа оборотов) и приложенного давления на однородность микроструктуры заготовок, подвергнутых кручению под высоким давлением.

Влияние параметров кручения под высоким давлением на формирование наноструктурных состояний в заготовках из чистых металлов, сплавов, интерметаллидах.

Расширение возможностей метода кручения под высоким давлением для получения массивных образцов.

Кручение под давлением кольцевых заготовок.

Консолидация порошковых материалов методом кручения под высоким давлением.

Обоснование важности метода кручением под высоким давлением как важного метода, позволяющего развивать основы физики интенсивных пластических деформаций.

Методические рекомендации

Прежде чем сформулировать основные цели и задачи метода кручения под высоким давлением необходимо напомнить слушателям об известных методах пластического деформирования металлов и сплавов, обеспечивающих то или иное изменение формы заготовок.

Следует акцентировать их внимание на изменениях геометрической формы заготовок при использовании традиционных схем деформации (растяжение, осадка, прокатка, волочение и т. д.), а, следовательно, на присущих данным схемам ограничениях в достижении больших пластических деформаций.

На следующем этапе лекции важно затронуть исторические аспекты, связанные с развитием методов достижения чрезвычайно больших деформаций Бриджменом, сделавшим на основании своих исследований вывод о том, что степень деформации скручиванием намного возрастает, если наложить на деформируемую заготовку продольную сжимающую нагрузку.

При изучении принципов метода кручения под высоким давлением следует проанализировать схему метода, показать, что сдвиговая деформация в ходе реализации данного метода не изменяет геометрическую форму деформируемой заготовки. Приложенное высокое сжимающее давление в несколько ГПа и ограничения, накладываемые на изменения геометрической формы заготовки в процессе кручения под высоким давлением позволяют деформировать заготовку до очень больших степеней деформации без появления видимых трещин и разрушеняи заготовки.

На основании сделанного анализа слушатели должны сделать вывод о важности сил трения при реализации метода кручения под высоким давлением. Следует также обратить внимание слушателей на то, что большие силы трения достигаются за счет придания заготовка формы тонкого диска.

Анализ уравнений, используемых для расчета степени деформации при кручении под высоким давлением, должен привести слушателей к убеждению о том, что метод кручения под высоким давлением позволяет реализовать монотонную деформацию с непрерывным нарастанием степени накопленной деформации.

В то же время из уравнений, используемых для расчета степени деформации, следует, что по мере увеличения расстояния от оси кручения до выбранной точки степень деформации должна нарастать. Значит деформация заготовки в разных ее точках различна. Данная занономерность должна быть проиллюстрирована неоднородным распределением микротвердости (малыми значениями в центре и большими на периферии заготовки в форме диска) при малом числе поворотов, т. е. на начальных этапах деформации и при малых приложенных давлениях при кручении под высоким давлением. В то же время следует обратить внимание слушателей на том, что при большом числе оборотов на завершающих этапах деформации и при высоких приложенных давлениях распределение микротвердости вдоль диаметра заготовок в форме диска становится более однородным. Это положение следует подтвердить слайдом с изображениями микроструктуры объемного наноструктурного материала, характерными для центра и периферии заготовок, подвергнутых кручению под высоким давлением при разных приложенных давлениях и числе поворотов.

Важным моментом, доказывающим успешность применения метода кручения под высоким давлением для формирования объемных наноструктурных состояний в различных металлах и сплавах, является демонстрация ПЭМ изображений наноструктур, сформированных в различных металлах и сплавах в результате применения данного метода.

Наконец, в заключение лекции следует продемонстрировать направления развития метода кручением под высоким давлением. Такими направлениями являются кручение под высоким давлением массивных заготовок, кольцевых заготовок, а также консолидация порошков. При этом следует отметить, что консолидация нанопорошков весьма сложный процесс в силу их высокой активности, приводящей к формированию на поверхности порошинок окисной пленки, препятствующей их консолидации.

Тема 2. Метод равноканально-углового прессования

Знания: Знает основы получения наноструктурных материалов методом равноканально-углового прессования.

Умения: Умеет выбирать параметры метода равноканально-углового прессования для получения объемных наноструктурных материалов.

Лекция: №2

Объем лекций: 2 часа

Объем СРС: 1 час

Дидактические единицы

История создания метода РКУП. Принципы метода РКУП. Очаг деформации и плоскость сдвига. Параметры оснастки для РКУП. Влияние параметров оснастки для РКУП на степень деформации при реализации РКУП. Маршруты РКУП. Однородность заготовок в зависимости от маршрутов и числа проходов при РКУП. Влияние скорости и температуры РКУП на размер зерен. Саморазогрев заготовок при РКУП. Формирование объемных наноструктур в зависимости от параметров РКУП. Влияние параметров РКУП на характер границ зерен. Влияние химического и фазового состава на процесс измельчения зерен при РКУП.

Методические рекомендации

В начале лекции слушатели должны быть проинформированы о том, что данный метод деформации был создан в бывшем Советском Союзе, а свое развитие для получения объемных наноструктурных материалов получил в России, что признано в настоящее время во всем мире.

Далее следует акцентировать внимание слушателей на том, что к настоящему времени метод РКУП является основным методом получения объемных наноструктурных материалов.

При рассмотрении принципов метода РКУП вместе со слушателями необходимо обсудить характер процессов, протекающих в очаге деформации, прилегающем к плоскости пересечения каналов в оснастке для РКУП. У слушателей должно быть сформировано представление о том, что процесс РКУП – сложный процесс, зависящий от целого ряда параметров оснастки и самого процессинга.

Наглядное представление влияния параметров оснастки на характер течения материала при РКУП является необходимым условием успешного усвоения слушателями данной темы. В связи с этим необходимо продемонстрировать слушателям наглядный материал, полученный как экспериментальными методами, так и с помощью компьютерного моделирования. При этом влияние каждого параметра оснастки и процессинга следует обсудить отдельно от других.

Для понимания слушателями различий в особенностях, в том числе однородности, течения материала при использовании различных маршрутов РКУП следует проанализировать изменение ориентации плоскости сдвига по отношению к системе координат, связанной с оснасткой.

Также наглядности требует анализ влияния скорости и температуры на характер течения материала и структурообразования при РКУП.

Поскольку деформируемый материал нагревается в процессе РКУП, будет полезно проинформировать слушателей о результатах экспериментальных исследований и теоретических оценках степени разогрева материала. Следует объяснить слушателям по какой причине такой разогрев не фиксируется в ходе кручения под высоким давлением.

В процессе обучения необходимо подкреплять сказанное демонстрацией наглядных изображений микроструктуры, вид который существенным образом определяется параметрами оснастки и процессинга.

Тема 3. Развитие методов ИПД

Знания: Знает пути развития методов ИПД.

Умения: Умеет выбирать технологические схемы и способы ИПД для получения длинномерных, плоских, объемных заготовок из наноструктурных материалов.

Лекция: №3

Объем лекций: 2 часа

Объем СРС: 1 час

Дидактические единицы

Развитие метода РКУП: РКУП в оснастке с подвижными стенками, РКУП с противодавлением, РКУП порошков, РКУП плоских заготовок, РКУП с вращающейся оснасткой, РКУП боковой экструзией, РКУП в многоканальной оснастке, РКУП в параллельных каналах. Непрерывное РКУП: комбинирование РКУП и прокатки (непрерывный ограниченный полосой сдвиг, отличающееся угловое прессование и равноканально-угловая прокатка), РКУП волочение, conshearing метод, РКУП-конформ процесс. Полупромышленные методы ИПД: метод циклической деформации «осадка-экструзия-осадка», накапливаемое соединение прокаткой, винтовая экструзия, всесторонняя ковка.

Методические рекомендации

В начале рассмотрения данной темы следует сообщить слушателям о том, что основные направления развития методов ИПД связаны с повышением их эффективности, себестоимости, выхода годного, необходимостью перехода от лабораторных способов ИПД к промышленным.

В первую очередь следует уделить внимание направлениям развития РКУП, поскольку именно этот метод позволяет получать объемные наноструктурные заготовки. Однако, до настоящего времени РКУП все еще применяют только в лабораторных условиях, что связано с необходимостью доведения его эффективности, себестоимости и выхода годного до величин, приемлемых для промышленности.

При анализе направлений развития РКУП (РКУП в оснастке с подвижными стенками, РКУП с противодавлением, РКУП порошков, РКУП плоских заготовок, РКУП с вращающейся оснасткой, РКУП боковой экструзией, РКУП в многоканальной оснастке, РКУП в параллельных каналах) необходимо акцентировать внимание на причинах, по которым произведенная модернизация должн апривести к благоприятному результату (повышению производительности и себестоимости, увеличению выхода годного, улучшению однородности, расширению сортамента и т. д.).

При анализе непрерывного РКУП (комбинирование РКУП и прокатки (непрерывный ограниченный полосой сдвиг, отличающееся угловое прессование и равноканально-угловая прокатка), РКУП волочение, conshearing метод, РКУП-конформ процесс) необходимо привести убедительные доказательства, свидетельствующие о возможности использования данных подходов для получения длинномерных наноструктурных заготовок со свойствами одного уровня со свойствами, характерными для заготовок, получаемых традиционным РКУП при существенно более высокой производительности, рентабельности и выходе годного.

Изучение полупромышленных методов ИПД (метод циклической деформации «осадка-экструзия-осадка», накапливаемое соединение прокаткой, винтовая экструзия, всесторонняя ковка) должно включать в себя анализ их достоинств и недостатков.

Рассмотрение каждого способа реализации метода ИПД следует сопровождать наглядными иллюстрациями, среди которых, по возможности, должны быть принципиальная схема, фотография экспериментальной установки, изображение заготовки до и после деформации, изображения соответствующих микроструктур, информация, характеризующая изменение физическиз и механических свойств в результате реализации ИПД.

В конце лекции следует суммировать достоинства и ограничения рассмотренных методов ИПД и рассказать о ближайших перспективах их использования для получения объемных наноструктурных материалов в промышленных условиях.

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОВЕДЕНИЮ

ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА

Тема 1. Оборудование и оснастка для равноканально-углового прессования (традиционного и непрерывного)

Знания: Знает основы получения наноструктурных материалов методом равноканально-углового прессования.

Умения: Умеет выбирать параметры метода равноканально-углового прессования для получения объемных наноструктурных материалов.

Лабораторное занятие: №1

Объем лабораторного занятия: 4 часа

Объем СРС: 2 часа

Дидактические единицы

Принципы метода РКУП. Очаг деформации и плоскость сдвига. Параметры оснастки для РКУП. Влияние параметров оснастки для РКУП на степень деформации при реализации РКУП. Маршруты РКУП. Однородность заготовок в зависимости от маршрутов и числа проходов при РКУП. Влияние скорости и температуры РКУП на размер зерен. Саморазогрев заготовок при РКУП. Формирование объемных наноструктур в зависимости от параметров РКУП. Влияние параметров РКУП на характер границ зерен. Влияние химического и фазового состава на процесс измельчения зерен при РКУП.

Методические рекомендации

В начале лабораторного занятия студенты должны ознакомиться с правилами техники безопасности и оборудованием для проведения традиционного и непрерывного равноканально-углового прессования.

Необходимо ознакомить слушателей с целями и задачами работы, провести входной контроль знаний.

Слушателей следует ознакомить с используемыми оснастками, заготовками, оборудованием для РКУП непосредственно в лаборатории.

Важно продемонстрировать слушателям заготовки, подвергнутые ИПД в оптимальных и неоптимальных условиях, и обсудить возможные причины полученных результатов.

На следующем этапе слушателям следует рекомендовать приступить к выполнению заданий лабораторной работы.

Выполнение лабораторной работы производится в соответствии с описанием, изложенным в лабораторном практикуме [2].

При проведении лабораторной работы необходимо обеспечить каждого слушателя наглядными материалами и заданиями для выполнения анализа процессов ИПД.

По окончании лабораторных работ у каждого слушателя необходимо проверить отчет и провести процедуру его защиты.

4. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОВЕДЕНИЮ

ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Выполнение всех практических занятий производится в соответствии с описанием, изложенным в практикуме [3].

Перед выполнением студентами заданий практических занятий необходимо сформулировать цели и задачи, а также провести краткий опрос по теоретической части, связанной с практическими занятиями.

При проведении практических занятий необходимо обеспечить каждого слушателя наглядными материалами и заданиями.

По окончании практических занятий у каждого слушателя необходимо проверить отчет и провести процедуру его защиты.

Тема 1. Моделирование процессов ИПД

Знания: Знает основы получения наноструктурных материалов методом равноканально-углового прессования.

Умения: Умеет выбирать параметры метода равноканально-углового прессования для получения объемных наноструктурных материалов.

Лекция: №2

Объем лекций: 2 часа

Объем СРС: 1 час

Дидактические единицы

Принципы метода РКУП. Очаг деформации и плоскость сдвига. Параметры оснастки для РКУП. Влияние параметров оснастки для РКУП на степень деформации при реализации РКУП. Маршруты РКУП. Однородность заготовок в зависимости от маршрутов и числа проходов при РКУП.

Методические рекомендации

В начале практического занятия следует напомнить слушателям основные принципы метода ИПД, применяемого для формирования объемных наноструктурных состояний в металлических материалах. Далее следует акцентировать внимание слушателей на том, что к настоящему времени метод РКУП является основным методом получения объемных наноструктурных материалов. Необходимо вместе со слушателями обсудить характер процессов, протекающих в очаге деформации, прилегающем к плоскости пересечения каналов в оснастке для РКУП. Далее следует обсудить возможности компьютерного моделирования при анализе течения материала заготовок в оснастках для РКУП.

Для оценки влияния роли внешнего и внутреннего углов пересечения каналов в оснастке для РКУП следует предложить слушателям рассчитать степень деформации, накапливаемой в деформируемой заготовке за один проход РКУП при различных значениях указанных углов. Далее следует акцентировать внимание слушателей на форме заготовки в целом, форме и однородности распределения конечных элементов, однородности полей эквивалентных накопленных деформаций, форме очага деформации в деформированной заготовке в зависимости от величины коэффициента трения между заготовкой и стенками оснастки.

При проведении практического занятия необходимо обеспечить каждого слушателя наглядными материалами и заданиями для выполнения анализа характера течения материала деформируемой заготовки в ходе РКУП.

На завершающем этапе практического занятия необходимо проверить отчет и провести процедуру его защиты каждым слушателем.

5. РЕКОМЕНДУЕМЫЕ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ИЗДАНИЯ

И ИНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ

Список литературы

1.  …………………Учебное пособие. Интеграция прецизионного электрохимического формобразования с технологиями получения объемных наноматериалов и последующего модифицирования поверхности / ………….. Уфа: Центр оперативной полиграфии УГАТУ, 2010, …. с.

2.  Лабораторный практикум. Основы технологии получения объемных наноматериалов / . – Уфа: Центр оперативной полиграфии УГАТУ, 2011, 10 с.

3.  Практикум. Основы технологии получения объемных наноматериалов / . – Уфа: Центр оперативной полиграфии УГАТУ, 2011, 20 с.

4.  Валиев, Р. З., Александров, И. В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства / , . – М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. – 398 с.: ил.

5.  Valiev, R. Z., Estrin, Yu., Horita, Z., Langdon, T. C., Zehetbauer, M. J., Zhu, Y. Т. Producing bulk ultrafine-grained materials by severe plastic deformation / R. Z. Valiev, Yu. Estrin, Z. Horita, T. C. Langdon, M. J. Zehetbauer, Y. Т. Zhu. - JOM, April 2006. - 33-39.

6.  Valiev, R. Z., Langdon, T. C. Principles of equal-channel angular pressing as a processing tool for grain refinement / R. Z. Valiev, T. C. Langdon. - Progress in Materials Science, 51, 2006. - 881-981.

7.  Tsuji, N. Fabrication of bulk nanostructured materials by accumulative roll bonding (ARB) / N. Tsuji. - In: Bulk Nanostructured Materials (edited by M. J. Zehetbauer, Y. T. Zhu), Wiley-VCH, 2009. - 235-253.

8.  Alexandrov, I. V. Continuous SPD techniques, and post-SPD processing / I. V. Alexandrov In: Bulk Nanostructured Materials (edited by M. J. Zehetbauer, Y. T. Zhu), Wiley-VCH, 2009. - 311-324.

Составитель АЛЕКСАНДРОВ Игорь Васильевич

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

по преподаванию дисциплины

«Введение в нанотехнологии»

Подписано в печать .2010. Формат 60×84 1/16.

Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman.

Усл. печ. л.

Тираж 100 экз. Заказ №

ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет

Центр оперативной полиграфии УГАТУ

450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12