|
|
МУСРСМВ. Методические указания по самостоятельному изучению дисциплины для студентов заочной формы обучения
УДК 621.002.3
ББК 34.651
Казанский государственный энергетический университет, 2017
ВВЕДЕНИЕ
Главным объектом изучения, дисциплины «Материаловедение», является материал,особенность структуры и свойств которого устанавливают область его применения, метод или технологию его обработки и переработки в изделие или конструкцию в виде соответствующего энергетического оборудования.
Современное определение материала – это вид вещества (прежде всего химического) или совокупность его нескольких видов (например, фаз) в виде одной материальной системы (материального тела), обладающего комплексом свойств, определяющих возможность его использования в качестве сырья, изделия или конструкции.
В настоящее время «Материаловедение» как наука и учебная дисциплина отвечает, в первую очередь, на вопросы единства природы металлических и неметаллических материалов и их характерных отличий в структуре и свойствах, изучаемых с цельюконструирования и получения материалов с требуемым комплексом эксплуатационных свойств. Поэтому именно теоретические основы, указывающие и дающие ответы на эти вопросы, сегодня наиболее актуальны, так как создание материалов нового поколения (нано-, сверхпроводников и т. д.) и технологий их производства без знаний фундаментальных начал материаловедческой науки невозможно.
Основой для решения поставленной задачи является необходимость углубления знаний о специфике многоуровневой организации металлического и неметаллического материала (микро-, мезо- и макроструктура) и совокупном вкладе различных уровней в его конечные свойства. Необходимо понимать, что каждому из структурных уровней реального материала соответствует свой «элемент»: атомный остов (катион или анион) и обобществленные электроны, молекула (или макромолекула в полимерах) или фазы в виде макромолекулы или наночастицы, блоков, кристаллитов, ламелей, субзерен и аксиалитов, зерен, дендритов, сферолитов и т.д. При этом научная индивидуальность материаловедения, раскрывается именно через исследование совокупного влияния состава и типа взаимодействий вышеуказанных элементов (химического, физического, ван-дер-ваальсового: дисперсионного, ориентационного или индукционного; водородного, механического и т.д.) на различных уровнях структуры (строения) материала на его свойства.
Материаловедение – это наука о связи состава и природы, а также типах взаимодействия элементов (химического, физического, механического и смешанного) составляющих материал со структурой и свойствами, определяющими области его практического применения.
Цель данной дисциплины – формирование научно обоснованных взглядов и знаний об объекте и предмете материаловедения, системе базовых понятий, раскрывающих суть предмета изучаемой дисциплины, о соотношении типов связи компонентов, структуры и свойств материалов, а также основных методологических принципах конструирования структуры и свойств новых материалов, производстве, обработке и переработке материалов, закономерностях протекающих процессов и условий, определяющих эксплуатационную надежность изделий и конструкций.
Задачи дисциплины: познакомить обучающихся с теоретическими физико-химическими основами строения металлических и неметаллических материалов, применяемых в различных областях промышленности, в том числе, тепло-, электроэнергетике, электромеханике, электронике, электротехнологии, приборостроении, энергомашиностроении и теплофизике; дать информацию о новых материалах, намеченных к использованию, исследовании подходов к характеристике основных свойств, принципов технического и технологического материаловедения; разобрать основы технологий производства, обработки и переработки материалов.
После изучения дисциплины у студентов соответствующих направлений подготовки формируются следующие компетенции или их составляющие:
обшепрофессиональные способности:
– использовать основные закономерности, действующие в процессе изготовления продукции требуемого качества, заданного количества при наименьших затратах общественного труда;
− осуществлять поиск, обработку и анализ информации из различных источников и баз данных, представлять ее в требуемом формате ;
− учитывать современные тенденции развития техники и технологий в области обеспечения техносферной безопасности;
− применять методы анализа, теоретического и экспериментального исследования при решении профессиональных задач;
− к теоретическим и экспериментальным исследованиям в избранной области технической физики, готовность учитывать современные тенденции развития технической физики в своей профессиональной деятельности;
− самостоятельно осваивать современную физическую, аналитическую и технологическую аппаратуру различного назначения и работать на ней;
профессиональные способности:
– собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать научно-техническую информацию по тематике исследования и исходные информационные данные для проектирования технологических процессов изготовления продукции, средств и систем контроля, технологического оснащения, диагностики, испытаний, управления процессами, жизненным циклом продукции и её качеством;
– выбирать основные и вспомогательные материалы для изготовления изделий, способы реализации основных технологических процессов; методы стандартных испытаний по определению физико-механических свойств и технологических показателей материалов и готовых деталей, прогрессивные методы эксплуатации изделий;
– определять номенклатуру параметров продукции и технологических процессов её изготовления, подлежащих контролю и измерению, устанавливать оптимальные нормы точности продукции, измерений и достоверности контроля, выполнять проверку и отладку систем и средств контроля, диагностики, испытаний, управления процессами, жизненным циклом продукции и её качеством, конкурентоспособности, экологической безопасности; а также их ремонт и выбор;
– проводить оценку уровня брака продукции, анализировать причины его появления, разрабатывать мероприятия по его предупреждению и устранению, по совершенствованию продукции, технологических процессов, средств управления процессами, жизненным циклом продукции и её качеством;
– участвовать в организации приёмки и освоения вводимых в эксплуатацию оборудования, технических средств и систем автоматизации, контроля, диагностики, испытаний и управления;
– составлять научные отчеты по выполненному заданию и участвовать во внедрении результатов исследований и разработок в области автоматизации технологических процессов и производств, автоматизированного управления жизненным циклом продукции и её качеством;
– проводить эксперименты по заданным методикам с обработкой и анализом их результатов, составлять описания выполненных исследований и подготавливать данные для разработки научных обзоров и публикаций;
– выбирать рациональные методы и средства определения эксплуатационных характеристик оборудования, средств и систем автоматизации и их технического оснащения;
– участвовать во внедрении и корректировке технологических процессов, средств и систем контроля, диагностики при подготовке производства новой продукции и оценке её конкурентоспособности;
− ориентироваться в основных методах и системах обеспечения техносферной безопасности, обоснованно выбирать известные устройства, системы и методы защиты человека и окружающей среды от опасностей;
− к участию в оценке инновационного потенциала новой продукции в избранной области профессиональной деятельности;
− к анализу поставленной задачи исследований в области приборостроения;
− принимать и обосновывать конкретные технические решения при создании объектов энергетического машиностроения;
– участвовать в работах по проведению диагностики и испытаниях технологических процессов, оборудования, средств и систем автоматизации и управления;
готовность:
– использовать современные методы и средства контроля, диагностики, испытаний и управления процессами, жизненным циклом продукции и её качеством.
В результате изучения дисциплины студент должен:
знать: основы материаловедения (связь химического состава и типа связи в материалах с их строением и свойствами), классификацию материалов по составу, агрегатному состоянию, свойствам, техническому и функциональному назначению; методы получения, состав, структуру (особенности металлических, неметаллических, композиционных, керамических), свойства (механические, электрические, магнитные, оптические, коррозионные) и области применения различных современных материалов для изготовления продукции; физическую сущность явлений, происходящих в материалах в условиях производства и эксплуатации (процессы разделения, очистки и легирования вещества, кристаллизации и стеклования) изделий из них под воздействием внешних факторов (нагрева, охлаждения, давления и т. д.), их влияние на структуру, а структуры – на свойства современных металлических и неметаллических материалов; возможности и назначение современного технологического оборудования и инструментов; инструментальное оформление и организацию технологических процессов; цели и задачи лабораторных, полевых и эксплуатационных испытаний;
уметь: оценивать свойства материалов и определять их соответствие надлежащему качеству; на основе требований нормативной документации назначать параметры технологических процессов эксплуатации; находить оптимальную конструкцию и технологию соединения деталей, включая сварку и склейку; определять методы, средства и нормы разрушающего и неразрушающего контроля материалов и их соединений по определению характеристик механических свойств, анализ состава и структуры материалов; проводить данные испытания, прогнозировать срок службы изделий и конструкций из материалов с учетом условий эксплуатации; осуществлять рациональный выбор материалов для изготовления изделий и деталей оборудования, аппаратов и приборов и обосновывать его как с технической, так и с экономической точек зрения при решении конкретных технологических задач; выполнять расчет основных параметров конкретных изделий и технологических процессов их изготовления; применять материалы для решения производственных задач, выбрать метод защиты от коррозии, использовать комплекс мер по уменьшению потерь от разрушений на стадии проектирования и эксплуатации оборудования; употреблять оборудование лаборатории материалов для качественного (по микроструктуре) и количественного определения их свойств (твердость, ударная вязкость, жаропрочность, пластичность и т. д.); пользоваться справочными данными по характеристикам материалов;
владеть навыками: выбора материалов для заданных условий эксплуатации с учетом требований технологичности, экономичности, надежности и долговечности, экологических последствий их применения; обращением с оборудованием: оптическими микроскопами, твердомерами, печами для термообработки, определения коррозионной стойкости материалов; работы со справочной литературой и базами данных; оптимизации решений конкретных (реальных) технологических задач; методами структурного анализа качества материалов, методиками лабораторного определения свойств материалов; навыками разработки и оформления технической документации на диагностику и ремонт энергетического оборудования.
1. ИННОВАЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
Инновационные аспекты изложения материаловедения сегодня приобретают крайне важное методологическое и прикладное значение.
Известно, что конечные свойствалюбого металлического и неметаллического материала, а также технологические приемы его переработки в изделия и режимы эксплуатации, определяются его строением. Поэтому одной из основных задач современного материаловедения является раскрытие взаимосвязи основных его понятий и исследование структуры материала на различных уровнях организации (макро-, мезо-, микро-, нано- и электронно-ядерном). Решение этих проблем и ответ на вопрос о единстве природы и различий структуры и свойств металлических и неметаллических материалов заключается в использовании четырех базисных инноваций, разработанных О. С. Сироткиным с коллегами.
К ним относятся:
– система базовых (основных и производных) понятий (рис. 1.), где Э - элемент;
– унифицированная классификация основных уровней структурной организации металлических и полимерных материалов (табл. 1.);
– единая универсальная модель тонкой химической структуры металлов и неметаллов, как совокупности ковалентной – К (точка К), металлической – М (вдоль оси Х) и ионной – И (вдоль оси Y) составляющих (компонент) химических связей реального взаимодействия атомных остовов (ядер) в гомо- (Э’-Э’) и гетероядерных (Э’-Э’’) соединениях в микроуровне их структурной организации (рис. 2);
– система химических связей и соединений (СХСС), базовых гомо - и гетероядерных веществ, металлической и неметаллической природы (рис. 3) в виде «Химического треугольника - ХТ», включая разворот левой стороны «ХТ» СХСС в виде Периодической системы гомоядерных связей элементов (атомных остовов) в «чистых» металлах, неметаллах и переходных между ними промежуточных (например, полупроводниковых) или полиморфных форм (табл. 2) материалов на их основе, раскрывающая общий характер влияния исходной тонкой химической микроструктуры на последующие уровни их структурной организации и специфику их свойств, включая оценку индивидуального вклада различных уровней в характеристику конкретного свойства.
Рис. 1. Система и иерархия основных понятий материаловедения
и уровней структурной организации материала (Сироткин О. С., 2007 г.)
Рис. 2. Плоскостное изображение единой модели химической связи
элементов тонкой структуры (Сироткин О. С., 2003 г.)
Таблица 1.
Классификация основных уровней структурной организации металлических и полимерных материалов
(Сироткин О. С., Сироткин Р. О., 2006 г.)
Уровни, структуры и их размерный интервал
|
Структурные элементы в металлах
|
Структурные элементы в полимерах
|
1. Микроструктура:
|
Атомные остовы и обобществленные электроны, которые осуществляют химическую связь (преимущественно металлическую в металлах и преимущественно ковалентную в полимерах); точечные дефекты: вакансии и т. д. (0,0001 - 0,0005 мкм)
|
тонкая
|
1а) электронно-ядерная;
1 – 5 Å (1 - 5·10 -10 м)
|
1б) молекулярная;
5 – 10 Å
(0,5 - 1,0·10-9 м)
| Молекулы в металлах отсутствуют, поэтому структурными элементами данного уровня в них могут быть дефекты соответствующих размеров (0,0005 - 0,001 мкм) |
Фрагменты макромолекул (атомные группировки) и единичные межзвенные (ван-дер-ваальсовые (ВДВ) и водородные) связи и низкомолекулярные вещества
|
1в) наноструктура;
10 – 10 000 Å
(10-9 - 10-6 м)
|
Наночастицы (0,001 - 0,1 мкм) и поверхности раздела; фрагменты, блоки, полигоны (0,1 - 1 мкм) и область когерентного рассеивания (0,001 - 0,01мкм); линейные дефекты: дислокации и дисклинации (0,1 - 1 мкм)
|
Макро(олиго-)молекулы, внутри- и межмолекулярное ВДВ и водородное взаимодействие; Надмолекулярные соединения: наночастицы и поверхности раздела; кристаллиты, ламели и границы раздела; линейные дефекты
|
2. Мезоструктура
104 - 107 Å
(10-6 - 10-3 м)
|
Субзерна (1 - 100 мкм) и субграницы; Зерна (100 - 1000 мкм) и границы между ними; Поверхностные дефекты (дислокационные ансамбли)
|
НМС: небольшие аксиалиты, эдриты и сферолиты диаметром до нескольких десятков мкм; поверхностные и небольшие объемные дефекты (поры и т. д.)
|
3. Макроструктура
107 - 109 Å (10-3 - 10-1 м)
|
Структуры, образованные зернами (волокна, дендриты и т. д.) и поверхность раздела; крупные объемные дефекты (усадочные раковины, поры, трещины и т. д.)
|
НМС: крупные надмолекулярные образования в виде крупных аксиалитов, эдритов и сферолитов (от нескольких десятков мкм и выше); объемные дефекты (трещины и т. д.)
| |
|
|
Скачать 1.16 Mb.