МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Томский государственный педагогический университет»
(ТГПУ)
УТВЕРЖДАЮ
Декан ФТП
/
« » 2012 г.
рабочая Программа учебной дисциплины
М.2.В.08. СОВРЕМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ
Трудоемкость (в зачетных единицах) __3___
Направление подготовки 050100.68 Педагогическое образование
Магистерская программа: Профессиональное образование
Квалификация (степень) выпускника магистр
Томск 2012
1. Цели изучения дисциплины:
- дать студентам знания о современных и перспективных металлических, керамических и композиционных конструкционных и инструментальных материалах, их строении, свойствах, областях применения, а также о новых технологиях производства и обработки материалов и тенденциях их развития. сформировать у будущего магистра педагогического образования совокупность знаний и умений, необходимых для организации учебно-воспитательной работы и развития интереса у учащихся к новым материалам и технологиям. сформировать у студентов целостное представление о новых материалах и технологиях, определяющих прогресс в машиностроении и других отраслях.
2. Место учебной дисциплины в структуре основной образовательной программы:
«Современные материалы и технологии» (М.2.В.08) относится к дисциплинам по выбору вариативной части профессионального цикла. Для его изучения студенты используют знания, умения и навыки, сформированные в процессе изучения дисциплин бакалаврского цикла: «Материаловедение» и «Технология конструкционных материалов»».
3. Требования к уровню освоения программы.
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
- готовностью использовать знание современных проблем науки и образования при решении образовательных и профессиональных задач (ОК-2); способностью формировать ресурсно-информационные базы для решения профессиональных задач (ОК-4); способностью осуществлять профессиональное и личностное самообразование, проектировать дальнейший образовательный маршрут и профессиональную карьеру (ОПК-2); способностью применять современные методики и технологии организации и реализации образовательного процесса на различных образовательных ступенях в различных образовательных учреждениях (ПК-1); готовностью использовать современные технологии диагностики и оценивания качества образовательного процесса (ПК-2); способностью руководить исследовательской работой обучающихся (ПК-4); способностью анализировать результаты научных исследований и применять их при решении конкретных образовательных и исследовательских задач (ПК-5); готовностью использовать индивидуальные креативные способности для оригинального решения исследовательских задач (ПК-6); готовностью организовывать командную работу для решения задач развития образовательного учреждения, реализации опытно-экспериментальной работы (ПК-12); готовностью использовать индивидуальные и групповые технологии принятия решений в управлении образовательным учреждением, опираясь на отечественный и зарубежный опыт (ПК-13); готовностью проектировать новое учебное содержание, технологии и конкретные методики обучения (ПК-16); пособностью разрабатывать и реализовывать просветительские программы в целях популяризации научных знаний и культурных традиций (ПК-19); готовностью к использованию современных информационно-коммуникационных технологий и СМИ для решения культурно-просветительских задач (ПК-20); способностью формировать художественно-культурную среду (ПК-21).
В результате изучения дисциплины студент должен:
знать:
- классификацию и области применения новых конструкционных и инструментальных материалов, их преимущества и недостатки по сравнению с традиционными материалами. направления развития новых технологий производства и обработки материалов в машиностроении, их преимущества и недостатки по сравнению с традиционными технологиями.
уметь:
- использовать полученные знания для более глубокого изучения конкретных областей материаловедения и технологий новых материалов и в будущей работе в области педагогического образования.
владеть:
- навыками экспериментальной исследовательской работы навыками определения механических свойств конструкционных материалов
4. Общая трудоемкость дисциплины_3_ зачетных единиц и виды учебной работы.
Вид учебной работы | Трудоемкость (в соответствии с учебным планом) (час) | Распределение по семестрам (в соответствии с учебным планом) |
Всего | № семестра | |
3 | ||
Аудиторные занятия | 22 | 22 |
Лекции | - | - |
Практические занятия | 22 | 22 |
Семинары | - | - |
Лабораторные работы | - | - |
Другие виды аудиторных работ | - | - |
Другие виды работ | - | - |
Самостоятельная работа | 86 | 86 |
Курсовой проект (работа) | - | - |
Реферат | - | - |
Расчётно-графические работы | - | - |
Формы текущего контроля | - | - |
Формы промежуточной аттестации в соответствии с учебным планом | зачет |
5. Содержание программы учебной дисциплины.
5.1. Содержание учебной дисциплины
№п/п | Наименование раздела дисциплины (темы) | Аудиторные часы | Самостоятельная работа (час) | ||
ВСЕГО | лекции | практические (семинары) | Лабора торные | В т. ч. интер активные формы обучения (не менее…%) | |
1 | Элементы физики прочности, пластичности и разрушения материалов. | 4 | 4 | 15 | |
2 | Методы структурного анализа материалов | 4 | 4 | 2 | 15 |
3 | Современные и перспек тивные конструкционные сплавы с особыми свойствами | 4 | 4 | 16 | |
4 | Современные и перспективные керамические и композиционные материалы | 4 | 4 | 15 | |
5 | Новые технологии конструкционных материалов. | 4 | 4 | 2 | 15 |
6 | Перспективные технологии поверхностной обработки конструкционных материалов и создания функциональных покрытий | 2 | 2 | 2 | 10 |
Итого: | 22 / 3 ЗАЧ. ЕД. | 22 | 6/ 27,3% | 86 |
Самостоятельная работа студентов (объем 86 ч.) включает в себя:
- подготовку к практическим занятиям – 70 часов подготовку к зачету – 16 часов
5.2. Содержание разделов дисциплины
Раздел 1. Элементы физики прочности, пластичности и разрушения материалов.
Практическое занятие 1.
Дислокационный механизм пластичности. Теоретическая прочность кристалла. Хрупкое и вязкое разрушение. Влияние размера зерна на прочность поликристалла.
Практическое занятие 2.
Экспериментальное определение и механизмы усталости и ползучести. Способы повышения механических свойств материалов.
Раздел 2. Методы структурного анализа материалов.
Практическое занятие 3.
Просвечивающая электронная микроскопия: устройство, принцип действия, увеличение, разрешение и применение просвечивающих электронных микроскопов.
Растровая электронная микроскопия: устройство, принцип действия, увеличение, разрешение и применение растровых электронных микроскопов.
Практическое занятие 4.
Атомная силовая микроскопия: устройство, принцип действия, увеличение, разрешение и применение атомных силовых микроскопов (АСМ). Определение параметров микроструктуры с помощью АСМ.
Раздел 3. Современные и перспективные конструкционные сплавы с особыми свойствами.
Практическое занятие 5.
Условия работы и требования к материалу лопаток газотурбинных двигателей (ГТД). Жаропрочные никелевые сплавы для лопаток ГТД: состав, структура, свойства Ni сплавов. Технология изготовления лопаток турбин ГТД: направленная кристаллизация, монокристаллическое литье, защитные покрытия.
Жаропрочные сплавы с высокой удельной прочностью на основе интерметаллидов Ti-Al: диаграмма состояния Ti-Al, структура, свойства, применения.
Субмикрокристаллические материалы. Сверхпластичность.
Объемные нанокристаллические металлы и сплавы. Способы получения: интенсивная пластическая деформация, кристаллизация из аморфного состояния, порошковая металлургия. Свойства и перспективы применения наноструктурных материалов.
Практическое занятие 6.
Сплавы с эффектом памяти формы на основе TiNi. Обратимое мартенситное превращение, сверхупругость, эффект памяти формы (ЭПФ). Применения ЭПФ. Пористый сплав TiNi для хирургических имплантатов.
Аморфные сплавы: получение путем закалки из жидкого состояния, свойства, применения. Объемные аморфные сплавы: состав, условия получения, свойства, применение.
Раздел 4. Современные и перспективные керамические и композиционные материалы.
Практическое занятие 7.
Керамические материалы: оксидная, карбидная и нитридная керамика, структура, свойства, применения. Керамика ZrO2+Y2O3: структура, свойства, применения (термобарьерные покрытия, твердооксидные топливные элементы). Твердые и сверхтвердые материалы: алмаз, кубический нитрид бора, перспективные сверхтвердые материалы.
Композиционные материалы: принципы создания и классификация. Материалы с металлической матрицей: Al-B, Mg-B. Материалы с полимерной матрицей: углепластики, стеклопластики, боропластики, органопластики. Материалы с хрупкой матрицей: углерод-углерод, армированная керамика. Методы получения, свойства, применение.
Практическое занятие 8. Определение характеристик микроструктуры композиционных материалов по микрофотографиям: средний размер частиц, распределение частиц по размерам.
Раздел 5. Новые технологии конструкционных материалов.
Практическое занятие 9.
Лазерная стереолитография (быстрое прототипирование): устройство и принцип действия лазера; принцип действия лазерного 3D принтера; изготовление пластиковых моделей для литья по выплавляемым моделям.
Прецизионная лазерная сварка: особенности сварного шва, применения. Лазерная резка.
Практическое занятие 10.
Порошковая металлургия (ПМ): горячее изостатическое прессование; самораспространяющийся высокотемпературный синтез; селективное лазерное спекание.
Определение характеристик микроструктуры образцов, полученных ПМ:
Раздел 6. Перспективные технологии поверхностной обработки материалов и создания функциональных покрытий.
Практическое занятие 11.
Поверхностное упрочнение деталей машин с помощью лазерной ударно-волновой обработки (laser peening): идея метода, сравнение с дробеструйной обработкой, применения. Лазерная поверхностная закалка.
Методы нанесения функциональных покрытий. Принцип действия электронно-лучевого, магнетронного и вакуумно-дуговой испарителей. Твердые нитридные покрытия: получение, структура, свойства, применения. Новые сверхтвердые (>40 ГПа) наноструктурные покрытия: получение, структура, свойства, перспективы применений.
Финишное полирование металлических изделий с помощью импульсного электронно-пучкового плавления: оборудование, идея метода, применение.
5.3. Лабораторный практикум (не предусмотрен)
6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины6.1. Основная литература
,Фетисов, и технология металлов: Учебник. М. : Оникс, 2009. - 620 с. Материаловедение и технология материалов: Учебное пособие Издательство: Издательство МГОУ, 2010. - 324 с.6.2. Дополнительная литература:
Фетисов, и технология металлов / Г. Фетисов, М. Карпман.– М.: Высшая школа, 2008. –876 с., Арзамасов, и технология конструкционных материалов / В. Б. Арзамасов, , . – Под общей ред. 3-е изд., стереотип., М.: Академия, 2007.–448 с. Андриевский материалы: уч. пособие для студентов вузов ⁄ Aндриевский Р. А., – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 192 с. Гусев , наноструктуры, нанотехнологии. – М.: Физматлит, 2005, 416 с.Интернет-ресурсы
http://www. doitpoms. ac. uk study. ustu. ru/view/aid/479/1/Stepanova. pdf. Методы исследования материалов и процессов: учеб. пособие ⁄ . – Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ–УПИ, 2006. – 133 с.: study. ustu. ru/view/aid/6771/1/Maltzceva_Gervasyuev_Kutyuin. pdf. Материаловедение: учебное пособие / , , – Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2007. 339 с. http://ansatte. hin. no/am/studenter/modmatr/bokmatpart1a. pdf. Lukkassen D., Meidell A. Advanced Materials and Structures and their Fabrication Processes. Book manuscript, Narvik University College, HiN. 2008, 126 p. ru. wikipedia. org/wiki/Электронный_микроскоп http://en. wikipedia. org/wiki/Laser_peening ru. wikipedia. org/wiki/Твердооксидный_топливный_элемент wikipedia. org/wiki/Самораспространяющийся_ высокотемпера-турный_синтез http://en. wikipedia. org/wiki/Superhard_material ru. wikipedia. org/wiki/Быстрое_прототипирование6.2. Средства обеспечения освоения дисциплины
6.3. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Практические занятия проводятся в кабинете «Технология конструкционных материалов» (ауд. 231), оснащенном мультимедийными средствами (компьютер, проектор, экран) и лаборатории материаловедения (ауд. 231а), в которой можно проводить механические испытания композиционных материалов метододами консольного и техночечного изгиба.
Практическое ознакомление с методами структурного анализа материалов (раздел 2) и электрофизическими технологиями (раздел 6) будет осуществляться во время экскурсий в НОЦ ТГУ и Институт сильноточной электроники СО РАН, соответственно.
6.4. Перечень рекомендуемых интерактивных обучающих, справочно-информационных, контролирующих и прочих компьютерных программ, используемых при изучении дисциплины:
№п/п | Наименование раздела (темы) учебной дисциплины (модуля) | Наименование материалов обучения, пакетов программного обеспечения | Наименование технических и аудиовизуальных средств, используемых с целью демонстрации материалов |
1 | Элементы физики прочности, пластичности и разрушения материалов. | Лекция-презентация http://www. doitpoms. ac. uk | Пункт 6.3 + Интернет-ресурсы |
2 | Методы структурного анализа материалов | Лекция-презентация http://www. doitpoms. ac. uk | Пункт 6.3 + Интернет-ресурсы |
3 | Современные и перспективные конструкционные сплавы с особыми свойствами | Лекция-презентация + интернет-ресурсы | Пункт 6.3 + Интернет-ресурсы |
4 | Современные и перспективные керамические и композиционные материалы | Лекция-презентация интернет-ресурсы | Пункт 6.3 + Интернет-ресурсы |
5 | Новые технологии конструкционных материалов. | Лекция-презентация интернет-ресурсы | Пункт 6.3 + Интернет-ресурсы |
6 | Перспективные технологии поверхностной обработки конструкционных материалов и создания функциональных покрытий | Лекция-презентация + интернет-ресурсы | Пункт 6.3 + Интернет-ресурсы |
7.1. Методические рекомендации преподавателю
Данную дисциплину студенты изучают в семестре 3, после чего они сдают зачет. Изучение базируется на дисциплинах «Материаловедение» и «Основные технологии современного производства», изучаемых в рамках бакалаврской программы. Аудиторные занятия включают лекции и практические занятия.
Для допуска к зачету студент должен предоставить отчеты по заданиям, выполненным на практических занятиях, и домашним заданиям.
Для лучшего восприятия студентами учебного материала практические занятия должны сопровождаться экскурсиями, демонстрацией учебных видеофильмов, анимаций и др.
7.1. Методические рекомендации преподавателю
После каждой экскурсии студенты должны сделать отчет, оформленный в виде реферата. Рисунки, схемы, таблицы и графики в реферате должны быть выполнены с соблюдением правил, принятых в учебной технической литературе.
8. Формы текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации студентов.
8.1. Примерный перечень контрольных вопросов и заданий для самостоятельной работы
работы
8.1.1. Примерный перечень контрольных вопросов
Раздел 1 [1а, 2а].
Процессы скольжения и двойникования в кристаллах; дислокационный механизм скольжения. Влияние границ зерен на пластическую деформацию поликристаллов Влияние пластической деформации на структуру и свойства материалов. Механизмы упрочнения: деформационное упрочнение, зернограничное упрочнение, дисперсионное упрочнение. Хрупкое и вязкое разрушение металлов: отличительные признаки, механизмы. Усталость металлов: определение, природа, методы повышения циклической прочности Ползучесть: определение, природа, способы подавления ползучести.
Раздел 2 [3б, 5б].
Устройство, принцип действия, увеличение, разрешение и применение просвечивающих электронных микроскопов. Устройство, принцип действия, увеличение, разрешение и применение растровых электронных микроскопов. Устройство, принцип действия, увеличение, разрешение и применение атомных силовых микроскопов.
Раздел 3 [1а, 2а, 1б, 2б, 3б].
Жаропрочные никелевые сплавы: состав, структура, свойства, методы изготовления лопаток турбин; состав и назначение защитных покрытий. Сплавы с эффектом памяти формы (ЭПФ) на основе TiNi: природа ЭПФ, применения. Аморфные сплавы: состав, способы получения, свойства, применения. Объемные нанокристаллические металлы и сплавы: способы получения, свойства, перспективы применения.
Раздел 4 [1а, 2а, 3б, 4б, 7б, 9б].
Керамические материалы: оксидная, карбидная и нитридная керамика, структура, свойства, применения. Керамика ZrO2+Y2O3: структура, свойства, применения. Твердые и сверхтвердые материалы: алмаз, кубический нитрид бора. Композиционные материалы с металлической, полимерной и углеродной матрицей: строение, свойства, применения.
Раздел 5 [1а, 2а, 1б, 2б, 8б, 10б].
Лазерная стереолитография: принцип действия лазерного 3D принтера Лазерная сварка: особенности сварного шва, применения. Лазерная резка: характеристики, применения. Изготовление деталей из порошков методом горячего изостатического прессования Изготовление деталей из порошков методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Селективное лазерное спекание порошков как новый метод порошковой металлургии.
Раздел 6 [1а, 2а, 1б, 2б, 3б, 6б].
Поверхностное упрочнение деталей машин с помощью лазерной ударно-волновой обработки (laser peening). Лазерная поверхностная закалка. Физические методы осаждения функциональных покрытий: классификация. Электронно-лучевое осаждение покрытий. Метод магнетронного осаждения покрытий. Метод вакуумно-дугового осаждения покрытий. Твердые и сверхтвердые (>40 ГПа) покрытия: получение, структура, свойства, применения.
8.1.2. Примерный перечень заданий для самостоятельной работы
Пользуясь литератными данными сравните теоретическую (для монокристалла) и реальную (для поликристалла) прочность меди и объясните природу столь большого различия. Дайте классификацию механизмов разрушения поликристаллов. Используя проволоку из припоя (сплав Sn-Pb) проведите эксперимент по ползучести, постройте кривую ползучести и опишите ее отдельные участки; кратко опишите природу ползучести. Пользуясь литературными данными приведите характеристики микроскопов (увеличение, разрешение), используемых в материаловедении: оптического, просвечивающего электронного, растрового электронного и атомного силового микроскопов. Сопоставьте эти характеристики и занесите их в таблицу. Перечислите материалы, используемые в газотурбинном двигателе, сравните их механические характеристики и условия эксплуатации. Опишите эффект памяти формы (ЭПФ) на примере сплава TiNi, приведите примеры применения ЭПФ. Что такое аморфизация и какова структура аморфного сплава? Опишите методы получения аморфных сплавов и их применение. Охарактеризуйте нанокристаллические металлы/сплавы, их преимущества и недостатки по сравнению с микрокристаллическими металлами/сплавами. Пользуясь литературными данными, составьте таблицу, содержащую основные типы керамик, их механические свойства и применения. Сопоставьте эти свойства со свойствами конструкционных сплавов (сталей, сплавов цветных металлов). Укажите материалы с самыми высокими свойствами. Пользуясь литературными данными, составьте таблицу, содержащую основные типы композиционных материалов, их механические свойства и применения. Сопоставьте эти свойства со свойствами керамик и конструкционных сплавов. Укажите композиционные материалы с самыми высокими свойствами. Нарисуйте схему и опишите метод лазерного ударно-волнового поверхностного упрочнения деталей. Укажите преимущества и недостатки этого метода по сравнению с традиционными методами пластического деформирования (обкатка шариками, дробеструйная обработка). Нарисуйте схему и опишите принцип лазерного поверхностного упрочнения (закалки). Сравните этот метод с ВЧ закалкой. Нарисуйте схему и кратко опишите метод электронно-лучевого осаждения покрытий. Перечислите и кратко охарактеризуйте твердые и сверхтвердые покрытия: получение, структура, свойства, применения.8.3. Перечень вопросов к зачету
Рабочая программа учебной дисциплины составлена в соответствии с учебным планом, федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки по направлению 050100.68 «Педагогическое образование», магистерская программа «Профессиональное образование», квалификация – магистр.
Рабочая программа учебной дисциплины составлена:
д. ф-м. н., профессор
Рабочая программа учебной дисциплины утверждена на заседании кафедры прикладной механики,
протокол № от « » 2012 г.
Заведующий кафедрой ПМ
Рабочая программа учебной дисциплины одобрена методической комиссией факультета технологии и предпринимательства ТГПУ,
протокол № от « » 2012 г.
Председатель методической комиссии
факультета технологии и предпринимательства ТГПУ ___________
