Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ивановская государственная текстильная академия»
(ИГТА)
Кафедра материаловедения и товароведения
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к выполнению контрольных работ
для студентов специальности 230700 (100101) Сервис заочной формы обучения Иваново 2007 Методические указания предназначены для студентов заочного факультета специальности 230700 (100101). В них приведены рабочая программа по дисциплине «Материаловедение» и тематика контрольных заданий. Для самостоятельного изучения дан список рекомендуемой литературы.
Составитель канд. техн. наук М.А. Сташева Научный редактор д-р техн. наук, проф. Б.Н. Гусев
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
по дисциплине «Материаловедение»Введение Материаловедение – наука, в которой изучаются закономерности, определяющие строение и свойства материалов в зависимости от их состава и условий обработки. Ускорение развития всех отраслей народного хозяйства, особенно в условиях рыночной экономики, во многом зависит от успехов в создании и реализации эффективных и ресурсосберегающих материалов и технологий. Поэтому специалисты по сервису должны обладать достаточными знаниями для правильного выбора материалов, методов повышения их прочности и надежности и снижения материалоемкости при одновременном достижении наиболее высокой технико-экономической эффективности.
Поэтому целью курса является приобретение студентами теоретических знаний о структуре и свойствах материалов, применяемых в сервисе, а также формирование умений и навыков реализации этих свойств.
Задача курса – изучение теоретических основ материаловедения и получение навыков по применению полученных знаний в профессиональной деятельности.
После изучения курса студенты должны иметь представление:
о закономерностях формирования структуры материалов;
о связи структуры и состава материалов с их эксплуатационными характеристиками;
о требованиях, предъявляемых к материалам на всех этапах жизненного цикла продукции;
о производстве материалов, применяемых в сервисе;
об изменении свойств материалов во времени;
о возможностях вторичного использования материалов;
знать:
основные типы структуры материалов;
классификацию и виды материалов, применяемых в сервисе;
основные свойства материалов и методы измерения их количественных характеристик;
виды технологической обработки материалов;
системы обозначения материалов;
виды дефектов материалов, источники их возникновения и способы устранения;
пути решения проблемы исчерпаемости сырьевых ресурсов;
уметь:
осуществлять выбор материала в зависимости от требований к нему и условий эксплуатации;
проводить количественную оценку свойств материала с использованием современных методов и приборов;
прогнозировать поведение материалов при переработке и эксплуатации;
распознавать основные виды материалов, применяемых в сервисе.
Основной упор при изучении дисциплины делается на самостоятельную работу* с основной или дополнительной литературой, а также с использованием современных информационных технологий. Результатом самостоятельной работы является прочное усвоение материалов по предмету согласно рабочей программе.
В итоге этой работы формируются профессиональные умения и навыки, развивается творческий подход к решению возникающих в ходе учебной деятельности проблемных задач и повышается самостоятельность мышления. Учебное познание имеет место лишь в том случае, если обучающийся активно взаимодействует с изучаемым материалом.
В процессе изучения рекомендуется вести конспекты, занося ответы по каждой теме. Для более глубокого усвоения материала студентам рекомендуется получать консультации (заочно, обращаясь письменно, или очно) у преподавателя, читающего лекции, при этом применять современные образовательные технологии (Интернет, дистанционное обучение).
Студенты, выполнившие контрольное задание и практические работы, отчитываются по каждой теме и сдают дифференцированный зачет.
Полученные знания по материаловедению необходимы для дальнейшего изучения дисциплин «Электротехника и электроника», «Прогнозирование и планирование в сервисе», «Метрология, стандартизация, сертификация», «Безопасность жизнедеятельности», «Измерительная техника», «Экспертиза и диагностика объектов и систем сервиса», «Технологические процессы в сервисе», «Системы автоматизированного проектирования в сервисе», «Методы и средства исследований», а также при выполнении дипломной работы.
* Самостоятельная работа студентов – это познавательная, организационно и методически направляемая деятельность студентов, осуществляемая ими без прямой помощи преподавателя для достижения конкретных результатов.
Цель и задачи материаловедения как науки. Основные понятия: материал, свойства и характеристики материалов. Традиционные и новые материалы, применяемые в сервисе.
Тема 1.1. Закономерности формирования структуры материалов Понятие структуры материалов. Микро- и макроструктура материалов. Виды структур: монолитная, монолитно-пористая, волокнистая, сетчатая, монолитнонаполненная. Примеры материалов, обладающих данными видами структур.
Классификация пор по размерам: микропоры, мезопоры, макропоры. Влияние структуры материалов на их свойства. Понятие изотропности и анизотропности.
Примеры изотропных и анизотропных материалов.
Кристаллическое строение металлов. Понятие системы, фазы, структуры.
Общая характеристика и структурные методы исследования металлов. Применение оптических и электронных микроскопов и рентгеноструктурного анализа для изучения структуры металлов и сплавов.
Атомно-кристаллическая структура металлов. Кристаллическая решетка и ее виды. Плотность кристаллической решетки. Анизотропия металлов. Дефекты кристаллической решетки: точечные, линейные, поверхностные.
Структура в металлических сплавах: жидкие растворы, твердые растворы, химические соединения.
Тема 1.3. Структура полимерных материалов Полимеры, макромолекулы, мономеры, степень полимеризации, полидисперсность. Уровни структуры полимеров: молекулярный, надмолекулярный, микроскопический.
Строение полимеров на молекулярном уровне: линейная, разветвленная, сетчатая структуры. Подвижность и гибкость макромолекул. Свойства полимеров различной структуры. Глобулярная структура полимеров и механизм ее возникновения.
Строение полимеров на надмолекулярном уровне: фибриллярная структура, механизм ее возникновения. Понятия: микрофибриллы, фибриллы, кристаллическая и аморфная области, степень кристаллизации.
Строение полимеров на микроскопическом уровне: поверхностный, приповерхностный и глубинный слои. Влияние технологии изготовления на микроструктуру полимеров.
Тема 1.4. Структура композиционных материалов Понятие композиционного материала как системы с несколькими структурными уровнями. Структура композитов с металлической матрицей: дисперсноупрочненная и волокнистая (дискретная и непрерывная). Структура композиционных материалов с неметаллической матрицей (полимерные, углеродные, керамические).
Схемы армирования композиционных материалов: одно-, двух-, трех-, четырехнаправленная; с укладкой волокон (прямоугольная, гексагональная, косоугольная, система n-нитей).
Раздел 2. Строение и свойства материалов, применяемых в сервисе Тема 2.1. Характеристики строения материалов Основные характеристики строения монолитных и монолитно-пористых материалов: плотность (линейная, поверхностная, объемная, средняя), пористость, рельеф (шероховатость) поверхности. Особенности применения характеристик строения для плоских, цилиндрических и объемных материалов. Количество структурных элементов как характеристика строения сетчатых материалов.
Тема 2.2. Геометрические свойства материалов Понятие геометрических свойств материалов. Характеристики геометрических свойств: толщина, ширина, длина, площадь. Методы и приборы для измерения геометрических характеристик материалов. Значимость геометрических характеристик.
Понятие о механических свойствах материалов. Принцип разделения механических характеристик на статические и динамические. Виды динамических характеристик: удар, вибрация, линейное ускорение, акустический шум. Деформация материала как результат приложения внешней силы. Классификация деформаций от направления приложения силы: растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг, кручение.
Характеристики деформации растяжения: прочность и деформация. Значимость этих характеристик для технологических операций изготовления и переработки материалов. Понятие разрушения материалов при растяжении. Различные теории прочности материалов: теория расчета энергии связей, теория макротрещин, статистическая теория, термофлуктуационная теория.
Классификация характеристик деформации растяжения по количеству циклов приложения внешней силы: полуцикловые, одноцикловые и многоцикловые. Понятия напряжения, работы разрыва, удлинения, упругости, эластичности и пластичности. Методы и приборы для измерения данных характеристик. Пути повышения прочности материалов.
Деформация изгиба: механизм возникновения, полуцикловые (жесткость) и многоцикловые (выносливость) характеристики. Методы изучения характеристик изгиба: консольный метод, метод кольца, экспресс-метод.
Деформация сжатия: причина возникновения, характеристики (прочность на сжатие, твердость). Определение твердости: по Бринеллю, по Роквеллу, микротвердость.
Деформация кручения: характеристики (жесткость при кручении), методы и приборы для измерения.
Понятие физических свойств материалов. Значимость их при производстве и эксплуатации материалов. Классификация физических свойств: проницаемость, сорбция, тепловые, оптические, электрические, акустические.
Понятие сорбции, десорбции, абсорбции, адсорбции, равновесной влажности.
Основные характеристики сорбционных свойств – гигроскопические (влажность, влагосодержание, влагоотдача, водопоглощение, водоемкость). Факторы, влияющие на сорбцию.
Понятие проницаемости. Воздухо-, паро- и водопроницаемость. Факторы, влияющие на проницаемость. Характеристики проницаемости и методы ее определения.
Тепловые свойства. Классификация тепловых свойств по проявлению: проведение тепла (теплопроводность, тепловое сопротивление, температуропроводность); поглощение тепла (теплоемкость); изменение и сохранение тепла (теплостойкость, термостойкость, морозостойкость, огнестойкость, светостойкость). Характеристики тепловых свойств и методы их определения.
Электрические свойства. Деление материалов на проводники, полупроводники и диэлектрики. Влияние электрических свойств материала на их переработку и эксплуатацию. Проблема статического электричества и пути ее решения.
Оптические свойства. Механизм возникновения оптических свойств. Оптические характеристики: цвет, колорит, блеск, прозрачность. Примеры материалов, оптические свойства которых определяют их качество и применение.
Акустические характеристики материалов: частота колебаний, спектр и скорость звука, амплитуда, акустическое сопротивление, звуковое давление, сила и тон звука. Деление материалов на звукопроводящие и звукоизоляционные.
Раздел 3. Технологическая обработка материалов Тема 3.1. Механическая обработка материалов Необходимость механической обработки материалов для получения определенной формы. Изменение структуры и свойств материалов при механической обработке. Виды механической обработки: прокатка, ковка, штамповка, пробивка, гибка, волочение, давление, прессование, резание. Применяемые приборы и инструменты.
Понятие термической обработки. Параметры термической обработки. Виды термической обработки: закалка, отпуск, нормализация, отжиг. Примеры материалов, подвергаемых термической обработке.
Химико-термическая обработка материалов: понятие, сущность, цели. Виды химико-термической обработки: цементация, азотирование, цианирование, диффузионная металлизация.
Раздел 4. Классификация материалов, применяемых в сервисе Основные металлы, имеющие промышленное значение: железо, медь, алюминий, магний, титан. Сплавы основных металлов, их промышленное значение.
Применение металлов в качестве катализаторов химических процессов (платина, палладий, родий). Ограничения по применению металлов. Пути решения проблемы исчерпаемости и невосполнимости металлов.
Тема 4.2. Виды и классификация полимерных материалов Понятие пластмасс. Деление их на термопласты и реактопласты. Классификация полимерных материалов по происхождению: натуральные и химические.
Натуральные полимеры: целлюлоза, белки, силикаты. Свойства и применение натуральных полимеров. Химические полимеры: искусственные (гидратцеллюлозные, ацетатцеллюлозные) и синтетические (поливинилхлоридные, полиамидные, полиэфирные, полиэтиленовые, полиуретановые и др.). Общие и специфические свойства химических полимеров.
Применение в промышленности и в быту. Термостойкие и жаростойкие полимеры на основе силикатов. Проблема утилизации синтетических полимеров.
Тема 4.3. Виды и классификация композиционных материалов Классификация по виду матрицы: полимерная, металлическая, керамическая, углеродная. Классификация по природе армирующих волокон: стеклопластики, углепластики, боропластики, органопластики и др. Виды композитов по способу армирования: из слоев, волокнами, тканями; хаотическое и пространственное армирование. Свойства и применение композиционных материалов.
Тема 4.4. Другие материалы, применяемые в сервисе Конструкционные порошковые материалы: пористые и компактные. Их применение. Резиновые материалы: общие сведения, состав, классификация. Резины общего и специального назначения: виды, применение. Клеящие материалы и герметики: общие сведения, состав и классификация пленкообразующих материалов. Неорганические материалы: графит, стекло, ситаллы, керамика. Их строение, свойства, применение.
Новые материалы.
Тема 4.5. Системы обозначения материалов, их совместимость и взаимозаменяемость Обозначение металлов и сплавов. Обозначение полимерных материалов: отечественная и международная системы. Совместимость и взаимозаменяемость материалов.
Раздел 5. Требования к материалам. Производство материалов, применяемых в сервисе Тема 5.1. Требования к материалам, применяемым в сервисе Эксплуатационные требования к материалам и их показатели: назначения, надежности, эргономические. Технологические требования к материалам. Экономические требования к материалам. Требования безопасности и экологичности и их возрастающая роль. Установление требований к материалам нормативной документацией. Значимость требований на этапах жизненного цикла продукции:
проектирования, производства, транспортирования, эксплуатации, утилизации.
Получение металлических материалов: литье, обработка давлением. Дефекты производства: раковины, трещины, пористость, коробление и деформация. Отделка защитно-декоративными покрытиями: песко- и дробеструйная обработка, крацовка, галтовка, шлифование, притирка, полировка. Понятие о точности и чистоте обработки металлических изделий. Способы соединения металлических деталей:
сварка, клепка, сшивка, пайка.
Получение полимерных материалов. Этапы: подготовка сырья, приготовление раствора или расплава, формование, отделка. Химическая и физическая модификации как направления расширения ассортимента полимеров. Получение пленочных материалов вальце-каландровым и экструзионным способами. Методы каширования и ламинирования для получения многослойных композиций.
Раздел 6. Изменение свойств материалов во времени Понятие изнашивания и износа. Виды износа: местный и общий; физический и моральный; механический, биологический, физико-химический, комплексный. Критерии износа: выносливость, долговечность. Взаимосвязь трения и истирания согласно молекулярно-механической теории. Способы образования фрикционных связей: внедрение, сцепление, зацепление. Утомление материалов. Методы испытаний на износ.
Особенности изнашивания металлов: абразивное, гидроабразивное, газоабразивное, эрозионное, кавитационное, усталостное, при фрейтинге, при заедании.
Коррозия металлов: химическая и электрохимическая. Характер коррозионных разрушений. Защита от коррозии: изменение состава, термическая обработка, нанесение покрытий.
Понятие старения. Старение металлов: термическое, деформационное, термодеформационное. Пути снижения старения.
Старение полимеров. Факторы старения. Типы превращений в полимере при старении: деструкция и сшивание. Стадии старения. Необратимость процесса старения. Виды старения: фотодеструкция, термоокислительное, радиационное, биохимическое, хемодеструкция. Пути снижения старения полимеров.
Характеристики выносливости и долговечности: изменение свойств (ухудшение механических характеристик и улучшение физических характеристик), изменение структуры, число видимых повреждений, коэффициент устойчивости к истиранию, коэффициент сопротивления истиранию, скорость истирания, износостойкость.
Раздел 7. Вторичное использование материалов Тема 7.1. Проблема восстановления использованных материалов Запасы и потребление сырья. Исчерпаемость природных ресурсов. Значение новых химических технологий в освоении дешевого и доступного сырья. Пути решения проблемы возрастающей потребности в сырье для промышленности.
Тема 7.2. Вторичное использование материалов Утилизация как этап жизненного цикла продукции. Возможность вторичного использования металлов, древесины, бумаги, продуктов сжигания угля, отходов металлических руд, нефтяных отходов. Возможность утилизации пластмасс.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
Контрольное задание выполняется студентами по окончании изучения материала дисциплины. Студент получает вариант, который определяется по последней цифре зачетной книжки, или в некоторых случаях задается преподавателем, учитывающим индивидуальную особенность практической профессиональной деятельности студента. Студент выполняет контрольное задание самостоятельно до вызова на сессию. Защита работы предусматривается при сдаче зачета.Выполнение контрольного задания выявляет знание материала, умение ставить вопросы и практически решать их. При выполнении контрольного задания студент пользуется специальной литературой. Помимо литературных источников, при выполнении контрольного задания следует использовать личные наблюдения, опыт работы, результаты консультаций с работниками предприятия (организации). Желательно внести в работу элемент самостоятельного творчества, показать умение анализировать изученный материал темы, обобщать результаты, делая правильные и обоснованные выводы. Рекомендуется иллюстрировать контрольное задание схемами, рисунками, образцами материалов, рекламными листами, фотографиями. Примерный объем контрольной работы – 15 печатных страниц. Работа должна быть оформлена в соответствии с требованиями стандарта ИГТА (СТП ИГТА 001-2003) к оформлению текстовых работ.
Работа должна начинаться с перечня вопросов варианта контрольного задания. На последней странице следует указать перечень использованных источников. В конце работы ставятся дата выполнения и подпись студента, после чего она сдается в заочный деканат или на кафедру материаловедения и товароведения (ауд. Г-344).
При получении незачтенного контрольного задания необходимо исправить ошибки, выполнить указания (замечания) рецензента. Все дополнения и исправления ошибок рекомендуется вносить в эту же работу. Исправленное задание необходимо вторично направить на проверку. На титульном листе контрольного задания следует указать фамилию рецензента. Пример оформления титульного листа приведен в приложении. Задания, выполненные небрежно и без соблюдения приведенных выше правил, будут возвращены для доработки.
№ вариСодержание контрольной работы учебные разраанта 2. Деформация изгиба полимерных материалов.
Основные понятия, методы определения 1. Изнашивание металлов. Основные понятия, методы определения 2. Геометрические характеристики полимерных материалов. Основные понятия, методы определе- 16 - 1. Механические свойства металлов, определяемые при статических испытаниях. 1, 2, 4, 5, Основные понятия, методы определения 1. Твердость металлов. Основные понятия, методы определения 5 2. Основные свойства полимерных материалов:
натуральных и химических 1. Механические свойства металлов при переменных (циклических) нагрузках. Основные понятия, 1, 2, 4, 5, методы определения 2. Свойства полимерных материалов при сжатии 16 - 1. Механические свойства металлов, определяемые при динамических испытаниях. Основные по- 1, 2, 4, 5, нятия, методы определения 2. Трение и износ полимерных материалов. Основные понятия, методы определения 1. Структура сплавов. Диаграммы состояния сплавов 2. Динамические свойства полимерных материалов. Основные понятия, методы определения 3. Новые текстильные материалы специального назначения 1. Неметаллические материалы: резиновые, древесные, неорганические 9 2. Прочность и деформация полимерных материалов. Основные понятия, методы определения 1. Композиционные материалы с металлической и неметаллической матрицей 0 2. Физические свойства полимерных материалов.
Основные понятия, методы определения 1. Какие физические тела называют металлами?
2. Какие характеристики описывают кристаллическое строение металлов?
3. Какие типы дефектов кристаллического строения металлов принято считать основными?
4. Какие способы построения диаграмм состояния используют в металловедении?
«