1. Цели освоения дисциплины
В результате освоения данной дисциплины бакалавр приобретает знания, умения и навыки, обеспечивающие достижение целей основной образовательной программы «Машиностроение».
В соответствии с общими целями непосредственной целью изучения дисциплины «Основы физики и механики разрушения» является получение обучающимися фундаментальных знаний в области физики и механики разрушения сварных соединений.
1.2. Задачи изучения дисциплины «Основы физики и механики разрушения»
В соответствии с задачами подготовки бакалавра к профессиональной деятельности непосредственными задачами изучения основ физики и механики разрушения являются:
– усвоить основные процессы, протекающие в основном металле и сварных соединениях металлоконструкций при их длительной эксплуатации в сложных напряженных условиях в присутствии агрессивных сред на различных стадиях жизненного цикла оборудования;
– изучить современные представления о видах и механизмах разрушения и закономерностях распространения трещин;
– изобрести навыки по статическим, динамическим и усталостным испытаниям;
– освоить физические свойства материалов и влияние микроструктуры и поврежденности на закономерности развития трещин;
– научиться применять полученные знания для оценки состояния сварных соединений и определения трещиностойкости.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина основы физики и механики разрушения относится к вариативным дисциплинам Б1.В.7 в части математического и естественнонаучного цикла.
Основы физики и механики разрушения – дисциплина, изучение которой способствует формированию у обучающихся воспитанию научного и практического подхода к постановке и решению прикладных задач по оценке качества сварных соединений потенциально-опасного оборудования и различных металлоконструкций, формированию общей технической культуры будущего бакалавра (образ мышления, язык).
Изложение дисциплины «Основы физики и механики разрушения» базируется на физике, математике, металловедении, сопротивлении материалов и технологии металлов, технологии сварочного производства, изучаемых в рамках общего и высшего профессионального образования.
Для успешного изучения курса дисциплины «Основы физики и механики разрушения», помимо знаний элементарной физики и математики, обучающий должен обладать следующими знаниями:
– из курса общей физики иметь понятия о физической акустике, ядерной физике, электромагнетизме, полях напряжений, радиолокации;
– из векторной алгебры иметь понятия о векторах и математических операциях с векторами, понятия скалярного и векторного произведений;
– из курса металловедения иметь понятия о сталях, их марках, свойствах сталей и химическом составе, основных видах дефектов металлургического производства
и дефектах в сварных соединениях;
– из курса технологии сварочного производства иметь знания о методах и способах сварки, о строении сварного соединения трещиностойкости сварных соединений.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Основы физики и механики разрушения»
В соответствии с ФГОС выпускник должен обладать следующими профессиональными компетенциями (ПК).
Умением применять методы контроля качества изделий и объектов в сфере профессиональной деятельности, проводить анализ причин нарушений технологических процессов в машиностроении и разрабатывать мероприятия по их предупреждению (ПК-10).
Знать:
- методические, нормативные и руководящие материалы, касающиеся выполняемой работы; принципы работы, технические характеристики и конструктивные особенности разрабатываемых и используемых технических средств; методы исследований, правила и условия выполнения работ;
Уметь:
- выполнять работы по техническому контролю в машиностроительном производстве;
Владеть:
- методами проведения комплексного технико-экономического анализа для обоснования принятия решений, изыскания возможности сокращения цикла работ.
Умением проверять техническое состояние и остаточный ресурс технологического оборудования, организовывать профилактический осмотр и текущий ремонт оборудования (ПК-15).
Знать:
- методические, нормативные и руководящие материалы, касающиеся выполняемой работы; методы исследований, правила и условия выполнения работ.
Уметь:
- выполнять работы в области научно-технической деятельности по информационному обслуживанию и организации производства; выполнять работы по техническому контролю в машиностроительном производстве.
Владеть:
- понятийно-терминологическим аппаратом в области безопасностиэ
Умением применять методы стандартных испытаний по определению физико-механических свойств и технологических показателей используемых материалов и готовых изделий (ПК-18).
Знать:
- методические, нормативные и руководящие материалы, касающиеся выполняемой работы; методы исследований, правила и условия выполнения работ; основные техносферные опасности, их свойства и характеристики, характер воздействия вредных и опасных факторов на человека и природную среду, методы защиты от них применительно к сфере своей профессиональной деятельности.
Уметь:
- выполнять работы в области научно-технической деятельности по информационному обслуживанию и организации производства; идентифицировать основные опасности среды обитания человека, оценивать риск их реализации.
Владеть:
- методами проведения комплексного технико-экономического анализа для обоснования принятия решений, изыскания возможности сокращения цикла работ; понятийно-терминологическим аппаратом в области безопасности; навыками рационализации профессиональной деятельности с целью обеспечения безопасности и защиты окружающей среды.
4. Структура и содержание дисциплины
Общая трудоемкость дисциплины составляет - 2 зачетные единицы, 72 ч.
4.1. Лекционные занятия
Неделя | Раздел дисциплины, темы лекций | Объем в часах/ЗЕ | |
Очн. | Заочн. | ||
1 | 1. Виды и механизмы разрушения 1.1 Закономерности распространения трещин. Статическое разрушение [1–6, 11]. | 2/0,055 | 0,5 |
3 | 1.2. Динамическое разрушение. Ударное разрушение. Параметры, определяющие характер динамической фрагментации [1, 4, 8]. | 2/0,055 | 0,5 |
5 | 2. Усталость и коррозия. 2.1. Кинетика малых усталостных трещин. Модели и критерии зарождения усталостных трещин. Эволюция циклической поврежденности в гладких образцах [1, 2, 4, 7, 8, 14]. | 2/0,055 | 0,5 |
7 | 2.2. Кинетика пластической зоны в образцах | 2/0,055 | 0,5 |
9 | 2.3. Деформация и разрушения от термических напряжений. Влияние сероводородсодержащей среды на механизм разрушения и механические свойства трубных сталей. Стадийность развития радиационных дефектов [1, 2, 4, 6]. | 2/0,055 | 0,5 |
11 | 3.Микроструктура и накопление микроповрежденности 3.1. Физические свойства металлов и сплавов. Акустические характеристики. Влияние структуры и накопления поврежденности на акустические характеристики. 3.2. Акустическая эмиссия. Способы выявления поврежденности. Выявление развивающихся трещин. Эффект Кайзера [2, 4, 5, 12, 3, 19–21]. | 2/0,055 | 0,5 |
13 | 3.3. Внутреннее трение. Методы выявления величины внутреннего трения. Практическое применение внутреннего трения [14–17, 21]. | 2/0,055 | 0,5 |
15, 17 | 4. Практическое использование физики и механики разрушения. 4.1. Выбор материала для конструкции по критериям механики разрушения. Использование механики разрушения при проектировании и расчете конструкций. Определение запаса прочности по критическим размерам трещины и по числу циклов. Прогнозирование срока службы конструкций [3, 6, 11]. | 2/0,055 | 0,5 |
Итого: | 16/0,444 | 4/0,111 |
4.2. Лабораторные занятия
Неделя семестра | № раздела | Наименование работы | Объем в часах/ЗЕ | |
Очн. | Заочн. | |||
1, 2, 3 | 1.1 | 1. Методы разрушающих испытаний. Методы исследования изломов [2, 4, 14]. | 2/0,055 | 0,5/0,013 |
4, 5 | 1.2 | 2.Дефекты сварных соединений конструкционных сталей [6, 7, 16, 17]. | 2/0,055 | 0,5/0,013 |
6, 7 | 1.3. | 3. Дефекты металлургического производства и обработки металлов давлением [6, 7, 14]. | 2/0,055 | 0,5/0,013 |
8, 9, 10 | 2.1 | 4. Изменение структуры и свойств сталей после длительной эксплуатации | 2/0,055 | 0,5/0,013 |
11, 12 | 3.1. | 5. Виды эксплуатационных разрушений основного металла и сварных соединений, причины разрушений [1, 4, 6, 7]. | 2/0,055 | 0,5/0,013 |
13, 14 | 3.2. | 6. Определение критической температуры хрупкости. Методы оценки трещиностойкости [2, 4, 8]. | 2/0,055 | 0,5/0,013 |
15, 16, 17 | 4.1 | 7. Методы неразрушающего контроля (аппаратура, принципы работы оборудования и приборов), оценка характеристик трещиностойкости [12, 13, 15, 22 – 25] | 4/0,111 | 1/0,027 |
Итого: | 16/0,444 | 4/0,111 |
4.3. Самостоятельная работа студента
Раздел | № | Вид СРС (СИТ - самостоятельное изучение отдельных тем курса) | Объем в часах/ЗЕ | |
Очн. | Заочн. | |||
1 | 1-4 | СИТ: 1. Основы теории роста трещин и разрушения [1–4]. 2. Изучение кинетики распространения трещин и характеристик вязкости разрушения [1–4]. | 4/0,111 4/0,111 | 6/0,167 6/0,167 |
Оформление отчета к лабораторной работе №1, 2 | 2/0,055 | 3/0,083 | ||
2 | 5-8 | СИТ: 1. Условия роста трещины. Поля напряжений и смещений в окрестности кончика трещины [1, 4, 8]. 2. Коэффициент интенсивности напряжений. Метод конечных элементов | 4/0,111 4/0,111 | 6/0,167 6/0,167 |
Оформление отчета к лабораторной работе №3, 4 | 2/0,055 | 3/0,083 | ||
3 | 9-12 | СИТ: 1. Трещины в упруго пластических телах. Расчет пластической зоны [1, 3, 8]. 2. Анизотропия характеристик сопротивления разрушению [4, 6, 8]. | 4/0,111 4/0,111 | 6/0,167 6/0,167 |
Оформление отчета к лабораторной работе №5, 6 | 2/0,055 | 3/0,083 | ||
4 | 13-16 | СИТ: 1. Анализ разрушения в условиях концентрации напряжений [2, 3, 4, 8]. 2. Современные методы разрушающих испытаний сварных соединений, оценка НДС с применением электронно микроскопических исследований [5, 7, 11, 14]. Написание реферата и его защита | 4/0,111 2/0,055 2/0,055 | 6/0,167 3/0,083 3/0,083 |
Оформление отчета к лабораторной работе №7 | 2/0,055 | 3/0,083 | ||
Итого: | 40/1,111 | 60/1,667 |
Виды аудиторной учебной работы: Лк - лекции, Лз - лабораторные занятия.
Виды самостоятельной учебной работы (СРС): Дз – домашнее задание (решение задач, перевод текста, конспектирование, составление обзора).
Формы текущего контроля (ТК): КТ – компьютерное тестирование.
Форма промежуточной аттестации (ПА): Зач – зачет.
5. Образовательные технологии.
Лекции проводятся в традиционной форме с использованием плакатов и слайдов. Лабораторные занятия предусматривают индивидуальное общение преподавателя со студентами и собеседования. В соответствии с требованиями ФГОС ВПО по достижению главной цели ООП о готовности выпускника к области и объектам профессиональной деятельности и овладению отмеченными в разделе 3 компетенциями при изучении дисциплины предполагается проведение не менее 40 % учебных занятий в сочетании с внеаудиторной работой в следующих активных и интерактивных формах:
Активная или интерактивная форма учебного процесса | Разделы дисциплины, осваиваемые с помощью активных и интерактивных форм | Место и время проведения | Объем | |
Очн. | Заочн. | |||
1. Устный опрос изученного по домашнему заданию теоретического материала | Все указанные | Еженедельные лабораторные занятия (10 мин) | 6/0,167 | 1/0,027 |
2. Выполнение отдельных лабораторных работ предполагает | Работы 3-5 | Недели 8-17 | 4/0,111 | 1/0,027 |
3. Защита лабораторных работ | Все лабораторные работы | В соответствии с графиком | 6/0,167 | 2/0,055 |
Итого: | 16/0,444 | 4/0,111 |
6. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
6.1. Вопросы к зачету и коллоквиумам по курсу «Основы физики и механики разрушения»
Коллоквиум №1
Зарождение микротрещин на пересечении полос скольжения. Механизм вскрытия полос скольжения. Образование микротрещин на краю субграницы. Возникновение микротрещин на поверхности раздела. Физика докритического подрастания микротрещин. Формирование русла трещины. Рост докритических трещин в углеродистых сталях. Рост трещин в поликристаллических металлах. Влияние скорости распространения трещины на структуру поверхности разрушения. Структурные особенности локализации пластической деформации при статическом нагружении. Кинетика накопления повреждений при статическом нагружении.
Коллоквиум №2
Кинетика пластической зоны при ударном разрушении. Усталостные механизмы разрушения. Влияние ассиметрии цикла и полные диаграммы усталости. Влияние режима нагружения на усталостное разрушение. Влияние надрезов и состояния поверхности на усталостное разрушение. Влияние температуры повторного нагружения на усталостное разрушение. Влияние структуры и химического состава на усталостное разрушение. Влияние окружающей среды на усталостное разрушение. Структурные изменения при усталости. Усталость при малом числе циклов и повышенных напряжениях. (фридман) Гигацикловая усталость. Эволюция циклической усталости и поврежденности в гладких образцах. Пластическая деформация и ползучесть от термических напряжений. Потеря устойчивости от термических напряжений. Термический удар. Термическая усталость. Коррозионно-термическая усталость. Механизмы водородного растрескивания. Стадийность процесса множественного разрушения под воздействием сероводрода. Фазовые превращения в аустенитных сталях и размах коэффициента интенсивности напряжений. Развитие радиационной поврежденности.
Коллоквиум №3
Влияние растягивающих напряжений на образование кристаллизационных трещин. Структурные изменения в металле технических устройств в процессе длительной эксплуатации при высоких температурах и давлениях. Перераспределение легирующих элементов между твердым раствором и карбидной фазой. Изменение кратковременных и длительных свойств при длительной эксплуатации. Особенности развития ползучести и накопления поврежденности порами при эксплуатации паропроводов. Стадии квазиравномерной (установившейся) ползучести, вторая стадия. Стадия ускоренной ползучести. Накопление повреждаемости порами при ползучести. Разрушение длительно работающего металла клиновидными трещинами. Кратковременные и длительные перегревы элементов энергооборудования.
Коллоквиум №4
Виды эксплуатационных разрушений сварных соединений. Классификация и особенности применения методов НК сварных соединений. Выбор методов контроля в конкретных условиях. Методы измерения твердости сварных соединений. Определение механических характеристик сварных соединений неразрушающими методами. Макро и микроанализ сварных соединений. Механические методы разрушающего контроля качества сварных соединений. Методы испытаний сварных соединений на статическое растяжение. Определяемые характеристики. Внутреннее трение и методы его определения. Типы акустических волн, распространяющихся в твердых телах. Укажите разницу между активными и пассивными методами акустического контроля. Сущность акустико-эмиссионного метода контроля.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
7.1. Основная учебная литература
Смирнов, технической диагностики [Электронный ресурс] : учеб. пособие для бакалавров и магистров направления подготовки 150700.62 «Машиностроение», профиль 150704.62 «Оборудование и технология сварочного производства» / , . – Кемерово : ФГБОУ ВПО «Кузбас. гос. техн. ун-т им. », 2012. – 453 с.http://library. kuzstu. ru/meto. php? n=90785&type=utchposob:common
Носов машин и оборудования Санкт-Петербург «Лань», 2012. – 384с. http://e. /books/element. php? pl1_cid=25&pl1_id=2779
7.2. Дополнительная учебная литература
Смирнов, сварных соединений. Спектрально-акустический метод контроля / , , . – М.: Машиностроение, 2009. – 240 с. Ботвина , кинетика, механизмы, общие закономерности. – М.: Наука, 2008. – 334 с. Герасимова, и диагностика тепломеханического оборудования ТЭС и АЭС [Электронный ресурс] : учеб. пособие для студентов учреждений высшего образования по специальностям «Паротурбинные установки атомных электрических станций», «Тепловые электрические станции» . – Минск : Вышэйшая школа, 2011. – 272 с. http://www. biblioclub. ru/book/119839/ Смирнов сварки и дефекты металла. учебное пособие: – Кемерово: КузГТУ, 2009. – 185 с. Смирнов, , внутренние поля напряжений и проблема разрушения паропроводов из стали 12Х1МФ / , . – Кемерово: Кузбассвузиздат, 2004. – 210 с. Неразрушающий контроль: справ: в 7 т. / под общ. ред. . Т. 3: Ультразвуковой контроль / , . М.: Машиностроение, 2004, 864 с. Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник / , , и др. под ред. Клюева. 3-е изд., испр. и доп. – М.: Машиностроение, 2005. 656 с.7.3. Перечень наглядных и других пособий, методических указаний по проведению конкретных видов учебных занятий, а также методических материалов к используемым техническим средствам обучения и используемых информационных технологий
Методические указания по проведению экспертизы промышленной безопасности вентиляторных установок главного проветривания / , , [и др.] – Кемерово: изд-во Гос. образоват. учреждение высш. проф. образования «Кузбасс. гос. техн. ун-т», 2008. –115 с. Методические указания по проведению экспертизы промышленной безопасности шахтных подъемных установок / , , [и др.] – Кемерово: изд-во Гос. образоват. учреждение высш. проф. образования «Кузбасс. гос. техн. ун-т», 2008. – 88 с. Методические указания по проведению экспертизы промышленной безопасности одноковшовых экскаваторов для предприятий Кузбасса / ,, [и др.] – Кемерово: изд-во Гос. образоват. учреждение высш. проф. образования «Кузбасс. гос. техн. ун-т», 2008. – 121 с. Методические указания по проведению экспертизы промышленной безопасности карьерных самосвалов / , , [и др.] – Кемерово: изд-во Гос. образоват. учреждение высш. проф. образования «Кузбасс. гос. техн. ун-т», 2008. – 78 с. Реальные образцы сварных конструкций: вырезки из барабанов котлов, сварные соединения главных паропроводов котлов высокого давления, сварные соединения мостовых и козловых кранов, сварные соединения труб конвективных пароперегревателей котлов высокого давления. Стенды с разрушенными элементами энергетического оборудования и с дефектными сварными соединениями.
Учебные видеофильмы: «Дефекты сварных соединений», «Контроль качества сварных соединений».
7.4. Программное обеспечение и интернет – ресурсы
КузГТУ обеспечен необходимым комплектом лицензионного программного обеспечения.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины.
- Комплекты плакатов: Основы надежности; Сварочные работы; Контроль качества сварных соединений; Техническое диагностирование промышленного оборудования.
9. Методические указания для студентов
Основной учебной работой студента является самостоятельная работа в течение всего срока обучения. Начинать изучение дисциплины необходимо с ознакомления
с целями и задачами дисциплины и знаниями и умениями, приобретаемыми в процессе изучения. Далее следует проработать конспекты лекций, рассмотрев отдельные вопросы по предложенным источникам литературы. Все неясные вопросы по дисциплине студент может разрешить на консультациях, проводимых по расписанию. При подготовке к лабораторным занятиям студент в обязательном порядке изучает теоретический материал в соответствии с методическими указаниями к лабораторным занятиям.
10. Аннотация рабочей программы
Код программы: 15.07.00.Б1.В.7-15-01РП – рабочая программа дисциплины «Основы физики и механики разрушения» для профиля «Оборудование и технология сварочного производства» и «Реновация оборудования топливно-энергетического комплекса» направления 150700.62 «Машиностроение».
Дисциплина «Основы физики и механики разрушения» представляет собой дисциплину по выбору профессионального цикла Б1.В.7 по направлению 150700.62 «Машиностроение» профиль «Оборудование и технология сварочного производства» и «Реновация оборудования топливно-энергетического комплекса».
Дисциплина нацелена на формирование профессиональных (ПК-10, ПК-15, ПК-18) компетенций выпускника.
Содержание дисциплины охватывает круг вопросов, связанных с решением научных и инженерно-технических задач. Непосредственной целью изучения дисциплины «Основы физики и механики разрушения» является получение обучающимися фундаментальных знаний в области физики и механики разрушения сварных соединений.
Преподавание дисциплины предусматривает следующие формы организации учебного процесса: лекции, лабораторные работы и самостоятельную работу студента.
Программой дисциплины предусмотрены следующие виды контроля: текущий контроль успеваемости по контрольным вопросам (коллоквиум) и типовым заданиям для лабораторных работ, защита отчетов по лабораторным работам, написание и защита реферата, контрольная работа для заочной формы обучения и контроль в форме зачета.
Общая трудоемкость освоения дисциплины составляет 2 зачетных единицы (72 час.), из которых лекции (16 – очн. и 4 час. – заочн.), лабораторные (16 час. – очн.
и 4 ч. – заочн.) занятия и самостоятельная работа студента (40 час. – очн. и 60 час. – заочн.). Программой дисциплины предусмотрены лекции.
