Zoznam kvalifikácií a pozícií. Špecialita "Veda o materiáloch a technológia materiálov": s kým pracovať? Materiálová veda a materiálová technológia s kým pracovať

Ministerstvo školstva Bieloruskej republiky

BIELORUSKÝ NÁRODNÝ

TECHNICKÁ UNIVERZITA

Katedra informačných a meracích zariadení a technológií

LABORATÓRNE PRÁCE

(PRÍPADOVÁ ŠTÚDIA)

Podľa disciplíny

"Veda o materiáloch a technológia materiálov"

Časť 1

Minsk 2003 Úvod

V procese štúdia predmetu „Náuka o materiáloch a technológia materiálov“ spolu s prednáškami a praktickými cvičeniami zohráva dôležitú úlohu laboratórna prax. Bez osvojenia si zručností využitia analýzy správania sa materiálov v rôznych podmienkach nie je možná cielená syntéza nových materiálov a ich rozumné využitie v praxi.

Absolvovanie laboratórnych prác vám umožní upevniť si teoretické princípy hlavných odborov materiálovej vedy, zoznámiť sa s modernými metódami vedeckého výskumu a analyzovať získané experimentálne výsledky. V dôsledku toho môžete vykonať malú, úplne dokončenú vedeckú štúdiu.

Učebnica (1. časť) obsahuje laboratórne práce reflektujúce štúdium základných fyzikálnych a chemických vlastností konštrukčných materiálov a ich štruktúry.

Zvláštnosťou prezentovaného materiálu je prítomnosť pomerne rozsiahlej teoretickej časti, ktorá umožňuje študentom samostatne sa pripraviť na vyučovanie. V príručke je uvedený zoznam doplnkovej literatúry, ktorá uľahčí podrobnejšie štúdium prác.

Účelom príručky je zoznámiť sa s rôznymi kovovými a nekovovými konštrukčnými materiálmi používanými pri výrobe nástrojov a získať jasné predstavy o rozmanitosti fyzikálnych a chemických javov vyskytujúcich sa v materiáloch za rôznych podmienok pri ich syntéze a prevádzke. .

Po ukončení laboratórnych prác sa predloží správa, ktorá obsahuje:

1) titulná strana;

2) základné teoretické princípy;

3) postup pri vykonávaní práce s prezentáciou výsledkov vo forme tabuliek a grafických závislostí;

4) analýza získaných výsledkov a záverov. Pri vykonávaní laboratórnych prác je potrebné prísne dodržiavať bezpečnostné požiadavky.

Laboratórium práca #1

ŠTÚDIE ŠTRUKTÚRY KOVOV A ICH ZLIATIEN

Cieľ práce:študovať stavový diagram železo-uhlík, zoznámiť sa s mikroštruktúrou zliatin železo-uhlík (ocele a liatiny), práškových kompozitných materiálov.

Teoretická časť

Pri zmene koncentrácie komponentov v zliatinách, ako aj pri ich ochladzovaní alebo zahrievaní (pri konštantnom vonkajšom tlaku) dochádza v týchto zliatinách k významným fázovým a štrukturálnym zmenám, ktoré je možné jasne vysledovať pomocou diagramy stavy, ktoré sú grafickým znázornením stavu zliatin. Diagramy sú konštruované pre rovnovážny stav zliatin. Rovnováha štát- stabilný stav, ktorý sa v čase nemení a vyznačuje sa minimom voľnej energie systému.

Fázové diagramy sú zvyčajne konštruované experimentálne. Na ich konštrukciu sa používa tepelná metóda. Používa sa na získanie kriviek chladenia pre zliatiny. Zo zarážok a ohybov na týchto krivkách, spôsobených tepelnými účinkami premien, sa určujú teploty samotných premien. Pomocou fázových diagramov sa zisťujú teploty tavenia a polymorfné premeny v zliatinách, koľko fáz a ktoré fázy sa nachádzajú v zliatine daného zloženia pri danej teplote, ako aj kvantitatívny pomer týchto fáz v zliatine. Štúdium premien v tuhom stave okrem tepelnej metódy zahŕňa štúdium mikroštruktúry pomocou optických a elektrónových mikroskopov, röntgenovú difrakčnú analýzu, štúdium fyzikálnych vlastností zliatin atď.

V binárnych zliatinách sa teplota zobrazuje vertikálne a koncentrácia zložiek horizontálne. Každý bod na osi x zodpovedá určitému obsahu jednej a ďalšej zložky, pričom sa berie do úvahy, že celkový obsah zložiek v každom bode tejto osi zodpovedá 100 %.

Preto so zvyšujúcim sa množstvom jednej zložky zliatiny sa musí znižovať obsah druhej zložky v zliatine.

Typ fázového diagramu je určený povahou interakcií, ktoré prebiehajú medzi zložkami zliatin v kvapalnom a pevnom stave. Predpokladá sa, že v kvapalnom stave je medzi zložkami neobmedzená rozpustnosť, t.j. tvoria homogénny kvapalný roztok (tavenina). V pevnom stave môžu komponenty vytvárať mechanické zmesi čistých komponentov, neobmedzené tuhé roztoky, obmedzené tuhé roztoky, stabilné chemické zlúčeniny, nestabilné chemické zlúčeniny a tiež môžu podliehať polymorfným transformáciám.

Mechanické zmesi vznikajú, ak sa prvky, ktoré tvoria zliatinu, pri tuhnutí z kvapalného stavu navzájom nerozpúšťajú a neinteragujú. Štruktúra zmesi je heterogénne teleso. Tenký rez ukazuje kryštality rôznych zložiek tvoriacich mechanickú zmes. Chemická analýza tiež identifikuje rôzne zložky. Rozlišujú sa dva typy kryštálových mriežok.

Pevné riešenia- fázy, v ktorých si jedna zo zložiek (rozpúšťadlo) zachováva svoju kryštálovú mriežku a atómy iných (rozpustených) zložiek sa nachádzajú v jej mriežke, čím ju deformujú. Chemická analýza tuhého roztoku ukazuje prítomnosť dvoch prvkov a rôntgenová difrakcia ukazuje jeden typ mriežky rozpúšťadla. Štruktúrou sú homogénne zrná. Ak majú obe zložky rovnaký typ kryštálových mriežok a ich atómové priemery sa nelíšia o viac ako 8 - 15 %, potom je možná neobmedzená rozpustnosť (napríklad zlato a striebro).

Chemické zlúčeniny vznikajú, keď prvky, ktoré tvoria zliatinu, vzájomne pôsobia. Štruktúrou sú homogénne pevné látky. Vlastnosti chemických zlúčenín sa líšia od vlastností prvkov, ktoré ich tvoria. Majú konštantný bod topenia. Kryštalická mriežka chemickej zlúčeniny sa líši od mriežok pôvodných komponentov. V chemickej zlúčenine sa zachováva určitý pomer atómov prvkov, t.j. existuje chemický vzorec zlúčeniny.

Stavový diagram systému železo-uhlík

Železo a jeho zliatiny s uhlíkom

Stať sa

Stať sa- zliatiny železo-uhlík s obsahom uhlíka do 2,14 %. Okrem toho zliatina zvyčajne obsahuje mangán, kremík, síru a fosfor. Niektoré prvky môžu byť zavedené špeciálne na zlepšenie fyzikálnych a chemických vlastností (legujúce prvky).

Podľa štruktúry ocele sa delia na:

1) hypoeutektoidný obsahujúci až 0,8 % uhlíka (zloženie P+P);

2) eutektoidné ocele obsahujúci 0,8 % uhlíka (P);

3) hypereutektoidný obsahujúce viac ako 0,8 % uhlíka (P+sec.C).

Bodka D - eutektoidný bod(pri chladnutí vzniká z austenitu mechanická zmes feritu a cementitu). K eutektoidnej premene nedochádza z kvapaliny, ale z tuhého roztoku.

V závislosti od chemického zloženia sa rozlišujú uhlíkové a legované ocele. Vo svojom poradí uhlíkové ocele môže byť:

1) s nízkym obsahom uhlíka (obsah uhlíka menej ako 0,25 %);

2) stredne uhlíkové (obsah uhlíka je 0,25 - 0,60 %);

3) s vysokým obsahom uhlíka, v ktorom koncentrácia uhlíka presahuje 0,60 %.

Legované ocele rozdelený na:

1) nízkolegované - obsah legujúcich prvkov do 2,5%;

2) stredne legované- t- 2,5 do 10 % legujúcich prvkov;

3) vysoko legované - obsahujú viac ako 10% legujúcich prvkov.

Podľa účelu ocele sú:

1) konštrukčné, určené pre karosérie a strojárske výrobky;

2) inštrumentálne, z ktorých sa vyrábajú rezacie, meracie, raziace a iné nástroje. Tieto ocele obsahujú

viac ako 0,65 % uhlíka;

3) so špeciálnymi fyzikálnymi vlastnosťami, napríklad s určitými magnetickými charakteristikami alebo nízkym koeficientom lineárnej rozťažnosti (elektrická oceľ, Invar);

4) so ​​špeciálnymi chemickými vlastnosťami, napríklad nehrdzavejúca, žiaruvzdorná alebo žiaruvzdorná oceľ.

V závislosti od obsahu škodlivých nečistôt(sírne a fosforové) ocele sa delia na:

1. Oceľ bežnej kvality, obsah síry do 0,06 % a

do 0,07 % fosforu.

2. Vysokokvalitné - do 0,035% síry a fosforu každý zvlášť.

3. Vysoká kvalita - do 0,025 % síry a fosforu.

4. Obzvlášť vysoká kvalita, do 0,025 % fosforu a do 0,0] 5 % síry.

Podľa stupňa odstránenia kyslíka vyrobené z ocele, t.j. Podľa stupňa jeho deoxidácie sa rozlišujú:

1) pokojná oceľ, t.j. úplne deoxidované, označené písmenami „sp“ na konci značky;

2) varné ocele - mierne deoxidované, označené písmenami "kp";

3) polotiché ocele, ktoré zaujímajú medziľahlú polohu medzi predchádzajúcimi dvoma; sú označené písmenami "ps".

V závislosti od štandardizovaných ukazovateľov (pevnosť v ťahu σ, pomerné predĺženie δ%, medza klzu δt, ohyb za studena) je oceľ každej skupiny rozdelená do kategórií, ktoré sú označené arabskými číslicami.

Obyčajná kvalitná oceľ označené písmenami "St" a bežným číslom značky (od 0 do 6) v závislosti od chemického zloženia a mechanických vlastností. Čím vyšší je obsah uhlíka a pevnostné vlastnosti ocele, tým vyššie je jej číslo. Na označenie kategórie ocele sa k označeniu značky na konci zvyčajne neuvádza číslo zodpovedajúce kategórii.

Napríklad: St1kp2 - uhlíková oceľ bežnej kvality, varná, trieda č. 1, druhá kategória, dodávaná spotrebiteľom na základe mechanických vlastností (skupina A).

Kvalitné ocele označené takto: na začiatku značky uveďte obsah uhlíka v stotinách percenta pre ocele,

Napríklad: ST45 - kvalitná uhlíková oceľ, pokojná, obsahuje 0,45% C.

U7 - uhlíková nástrojová oceľ, kvalitná oceľ, s obsahom 0,7% C, pokojne (všetky nástrojové ocele sú dobre dezoxidované).

Legujúce prvky obsiahnuté v oceli sú označené ruskými písmenami: A - dusík, K - kobalt, T - titán, B - niób, M - molybdén, F - vanád, B - volfrám, N - nikel, X - chróm, G - mangán , P - fosfor, D - meď, C - kremík.

Ak je za písmenom označujúcim legujúci prvok číslo, potom označuje obsah tohto prvku v percentách. Ak nie je uvedené žiadne číslo, potom oceľ obsahuje 0,8 - 1,5% legujúceho prvku.

Napríklad: 14G2 - nízkolegovaná oceľ vysokej kvality, pokojne, obsahuje približne 14% uhlíka a do 2,0% mangánu.

OZH16N15MZB - vysokolegovaná kvalitná oceľ, pokojná oceľ obsahuje 0,03 % C, 16,0 % Cr, 15,0 % Ni, do 3,0 % Mo, do 1,0 % Nb.

Kvalitné a hlavne kvalitné ocele sú označené rovnakým spôsobom ako kvalitné, ale na konci triedy vysokokvalitnej ocele uvádzajú písmeno A (toto písmeno v strede označenia značky označuje prítomnosť dusíka špeciálne zavedeného do ocele), a po mimoriadne vysokom stupni kvality je písmeno „Ш“ oddelené pomlčkou.

Napríklad: U8A - kvalitná uhlíková nástrojová oceľ s obsahom 0,8% uhlíka;

ZOKHGS-Sh je obzvlášť kvalitná stredne legovaná oceľ s obsahom 0,30 % uhlíka a od 0,8 do 1,5 % chrómu, mangánu a kremíka.

Určité skupiny ocelí sú označené trochu inak.

Ocele na guľôčkové ložiská sú označené písmenami „ШХ“, za ktorými je obsah chrómu uvedený v desatinách percenta (ШХ6).

Rýchlorezné ocele (zlúčené legované) sú označené písmenom „P“, číslo za ním označuje percento volfrámu v ňom (P18).

Automatické ocele sú označené písmenom „A“ a číslom označujúcim priemerný obsah uhlíka v stotinách percenta (A12).

Liatina

Liatina sa nazývajú zliatiny železa a uhlíka obsahujúce viac ako 2,14 % uhlíka. Obsahujú rovnaké nečistoty ako oceľ, ale vo väčšom množstve.

Liatiny, na rozdiel od ocelí, úplná kryštalizácia s tvorbou eutektika, majú nízku schopnosť plastickej deformácie a vysoké odlievacie vlastnosti.

V závislosti od stavu uhlíka v liatine sú:

1) liatina, v ktorej je všetok uhlík vo viazanom stave vo forme karbidu (biela liatina);

2) liatina, v ktorej je uhlík z veľkej časti alebo úplne vo voľnom stave vo forme grafitu (sivá, vysokopevná, kujná liatina).

Biela liatina neobsahuje grafit, všetok uhlík je viazaný v cementite Fe 3 C. Biela liatina sa podľa obsahu uhlíka delí na:

1) hypoeutektický - obsah uhlíka do 4,3%. Štruktúra pozostáva z perlitu, sekundárneho cementitu a ledeburitu;

2) eutektikum – obsah uhlíka 4,3 %. Štruktúra pozostáva z ledeburitu;

3) hypereutektický - obsah uhlíka viac ako 4,3%. Štruktúra pozostáva z ledeburitu a primárneho cementitu.

Bodka C - eutektikum. K eutektickej premene dochádza z kvapaliny. Výsledné eutektikum sa nazýva ledeburit. V bode C koexistujú tri fázy súčasne v rovnováhe: tekutá tavenina, austenit a cementit.

Šedá liatina obsahujú uhlík vo voľnom stave vo forme doskového grafitu. Pod mikroskopom bude grafit pozorovaný vo forme tmavých zakrivených pruhov na svetlom pozadí. V porovnaní s kovovou základňou má grafit nízku pevnosť. Jeho polohy možno považovať za diskontinuity. Sivá liatina má zlé mechanické vlastnosti pri skúšaní v ťahových skúškach. Sivá liatina má však aj množstvo výhod: umožňuje získať lacné odliatky a má dobré odlievacie vlastnosti. opracovateľnosť, vysoké tlmiace vlastnosti.

Sivá liatina je označená dvoma písmenami SC a dvoma číslami zodpovedajúcimi minimálnej hodnote pevnosti v ťahu v MPa.

Napríklad: SCh10 - sivá liatina s pevnosťou v ťahu 100 MPa.

Keď sa grafitové inklúzie zaobľujú, ich negatívna úloha ako rezy v kovovej základni klesá a mechanické vlastnosti liatiny sa zvyšujú. Zaoblený tvar grafitu je dosiahnutý úpravou. Pri použití horčíka ako modifikátora v množstve do 0,5% sa získa vysokopevnostná liatina.

Tvárna liatina obsahuje uhlík vo voľnom stave vo forme inklúzií sférického grafitu. Pod mikroskopom sa na svetlom pozadí pozorujú zaoblené tmavé zrná rôznych veľkostí. Kritické časti sú vyrobené z vysoko pevnej liatiny. Vysokopevnostná liatina je označená písmenami HF a číslom charakterizujúcim hodnotu pevnosti v ťahu.

Napríklad: HF 35 - vysokopevnostná liatina s pevnosťou v ťahu 350 MPa.

Kujné železo obsahuje uhlík vo voľnom stave vo forme vločkovitého grafitu. Temperovaná liatina sa získava z bielej liatiny grafitizačným žíhaním (dlhodobé žíhanie pri teplote 1000°C). Pod mikroskopom sa na svetlom pozadí pozoruje flokulentná fáza.

Temperovaná liatina je označená písmenami KCH a dvoma číslami: prvé je pevnosť v ťahu, druhé je relatívne predĺženie.

Napríklad: KCh 35-10 - temperovaná liatina s pevnosťou v ťahu 350 MPa a relatívnou ťažnosťou 10%.

Mikroštruktúru liatiny tvorí kovová základňa a grafitové inklúzie. Vlastnosti liatiny závisia od vlastností kovovej základne a povahy grafitových inklúzií.

Kovová základňa môže byť:

1) perlit (tmavý základ pod mikroskopom);

2) ferit-perlit (striedanie svetlých a tmavých oblastí pod mikroskopom);

3) feritické (svetlá základňa pod mikroskopom).

Štruktúra kovovej základne určuje tvrdosť liatiny.

Grafitizácia je proces zrážania grafitu počas kryštalizácie alebo chladenia zliatin železa a uhlíka. Grafitizácia je difúzny proces a prebieha pomaly. Proces grafitizácie pozostáva z niekoľkých fáz:

1) tvorba centier, grafitizácia;

2) difúzia atómov uhlíka do grafitizačných centier;

3) rast ložísk grafitu.

Kompozitné materiály získané týmto spôsobom

Prášková metalurgia

Štúdium štruktúry zliatiny

experimentálna časť

1. Pomocou mikroskopických vzoriek práškových materiálov preskúmajte a graficky znázornite štruktúru materiálov pod mikroskopom. Porovnajte štruktúru s popisom v albume.

2. Pomocou vzoriek-mikrorezov ocelí a pomocného albumu s fotografiami preštudujte a graficky znázornite ich štruktúru. Stanovte obsah uhlíka vo vzorkách a fázové zloženie pomocou fázového diagramu uvedeného v teoretickej časti.

3. Pomocou mikrorezových vzoriek liatiny a pomocného albumu s fotografiami preštudujte a graficky znázornite ich štruktúru. Určite typ liatiny, tvar grafitových inklúzií a typ kovovej základne. Určte obsah uhlíka v bielej liatine. Pomocou fázového diagramu určite fázové zloženie bielej liatiny.

4. Preštudujte si fázový diagram železo-uhlík. Identifikujte čiary likvidu, čiary solidu, eutektoidné a eutektické body, čiary fázových prechodov, body topenia železa, cementitu atď.

5. Na základe výsledkov vykonanej práce formulujte závery.

Laboratórna práca č. 2,

ŠTUDIUM MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ

KONŠTRUKČNÉ MATERIÁLY

Cieľ práce:študovať mechanické vlastnosti konštrukčných materiálov a metódy hodnotenia vlastností.

Teoretická časť

Mechanické vlastnosti materiálov závisia od druhu napätosti (vzniknutého vo vzorkách pri skúšaní), podmienok a charakteru zaťaženia, rýchlosti, teploty a stavu vonkajšieho prostredia. Účelom mechanického skúšania materiálov je presne určiť tie alebo iné vlastnosti alebo ich kombinácie, ktoré budú čo najplnšie charakterizovať spoľahlivosť prevádzky príslušných výrobkov za daných prevádzkových podmienok. Súbor takýchto mechanických vlastností možno nazvať konštrukčnou pevnosťou.

Ako hodnotiace kritériá sa berú rôzne kombinácie mechanických vlastností. Rozlišujú sa tieto skupiny kritérií:

1. Posudzovanie pevnostných vlastností materiálov, určovaných často a nezávisle od charakteristík výrobkov z nich vyrobených a podmienok ich prevádzky. Typicky sa tieto pevnostné vlastnosti určujú v podmienkach ťahu pri statickom zaťažení.

2. Posudzovanie vlastností materiálov priamo súvisiacich s prevádzkovými podmienkami výrobkov a zisťovanie ich trvanlivosti a spoľahlivosti.

3. Odhady pevnosti konštrukcie ako celku, stanovené počas skúšobných a prevádzkových skúšok.

Prvé dve skupiny kritérií na posudzovanie vlastností sa potom určujú na vzorkách

ako ten druhý - na hotových dieloch a konštrukciách.

Medzi hlavné mechanické vlastnosti materiálov patria:

1) silu- schopnosť materiálu odolávať deštrukcii pri zaťažení;

2) plast- schopnosť materiálu nevratne zmeniť tvar a veľkosť bez zničenia pri zaťažení;

3) krehkosť- schopnosť materiálu zrútiť sa bez ochrannej absorpcie energie;

4) viskozita- schopnosť materiálu nevratne absorbovať mechanickú energiu až do okamihu zničenia;

5) elasticita- schopnosť materiálu obnoviť svoj tvar a veľkosť po odstránení zaťaženia;

6) tvrdosť- schopnosť materiálu odolávať prenikaniu iného telesa do neho v povrchovej vrstve.

Diagram napätia

Stanovenie tvrdosti materiálov

Tvrdosť- schopnosť materiálu odolávať deformácii v povrchovej vrstve pri lokálnych kontaktných vplyvoch.

Výhody testovania tvrdosti

Stanovenie tvrdosti podľa Mohsovej stupnice

experimentálna časť

1. Skúšky ťahom.

1.1. Získajte valcové vzorky ocele testované na ťah.

1.2. Pomocou posuvného meradla vykonajte potrebné merania dĺžok a priemerov vzoriek. Zadajte údaje do tabuľky 2.2.

Tabuľka 2.2

1.3. Určte hlavné mechanické charakteristiky, a to pevnosť materiálu v ťahu, pomerné predĺženie a pomernú kontrakciu pomocou vzorcov uvedených v teoretickej časti práce.

1.4. Zostrojte ťahový diagram oceľových obrazov v P-Δl súradniciach.

1.5. Oboznámte sa s ťahovými diagramami rôznych konštrukčných materiálov, ktoré vám dal učiteľ, zvýraznite hlavné zóny a určte mechanické vlastnosti.

2. Stanovenie tvrdosti materiálov.

2.1. Stanovenie tvrdosti podľa Brinella:

a) skúšobná vzorka sa položí na stôl zariadenia na meranie tvrdosti;

b) určiť veľkosť zaťažovacej sily a trvanie zaťaženia;

c) urobte odtlačok na vzorku, spustite stolík prístroja, odstráňte vzorku;

d) pomocou mikroskopu zmerajte priemer výslednej tlače a vypočítajte tvrdosť podľa Brinella.

2.2. Stanovenie tvrdosti podľa Vickersa:

a) určiť dĺžky uhlopriečok odtlačku na vzorke namontovanej na stolíku mikroskopu;

2.3. Štúdium vplyvu obsahu uhlíka v oceli na jej tvrdosť;

a) zmerajte priemery vtlačkov získaných vzoriek pre ocele ST20, ST45, U8;

b) určiť hodnoty tvrdosti podľa Brinella pomocou referenčných tabuliek;

c) zostrojte grafickú závislosť tvrdosti od obsahu uhlíka a vysvetlite ju.

3. Na základe výsledkov práce formulovať závery.

Laboratórna práca č.3

ŠTÚDIUM PROCESU KRYŠTALIZÁCIE MATERIÁLOV

Cieľ práce: študovať vlastnosti procesu kryštalizácie materiálov na príklade solí a kovov, určiť* vplyv rôznych faktorov na štruktúru kryštalizovaného materiálu, zoznámiť sa s metódami termickej analýzy.

Teoretická časť

Akákoľvek látka môže byť v jednom z troch stavov agregácie: pevná látka, kvapalina a plyn. Prechod z jedného stavu do druhého nastáva pri určitej teplote, ktorá sa nazýva teplota topenia, kryštalizácie, varu alebo sublimácie.

Pevné kryštalické telesá majú pravidelnú štruktúru, v ktorej sú atómy a ióny umiestnené v uzloch kryštálových mriežok (tzv. krátkodosahové usporiadanie) a jednotlivé bunky a bloky sú voči sebe určitým spôsobom orientované (dlhé -poradie rozsahu). V kvapalinách sa určitá orientácia nevzťahuje na celý objem, ale len na malý počet atómov, ktoré tvoria relatívne stabilné skupiny, prípadne fluktuácie (short-range order). S klesajúcou teplotou sa zvyšuje stabilita výkyvov a prejavujú sa schopnosťou rastu.

So zvyšujúcou sa teplotou pevnej látky sa zvyšuje pohyblivosť atómov v miestach mriežky, zvyšuje sa amplitúda vibrácií a keď dosiahne

Pri určitej teplote, nazývanej bod topenia, sa mriežka zrúti a vytvorí kvapalnú fázu.

Opačný obraz pozorujeme pri ochladzovaní kvapaliny (taveniny) a jej následnom tuhnutí. Pri ochladzovaní sa pohyblivosť atómov znižuje a v blízkosti bodu topenia sa vytvárajú skupiny atómov, v ktorých sú atómy zbalené ako v kryštáloch. Tieto skupiny sú centrá kryštalizácie alebo jadrá, na ktorých následne rastie vrstva kryštálov. Po dosiahnutí teploty „topenia-tuhnutia“ sa opäť vytvorí kryštálová mriežka a kov prechádza do pevného stavu. Prechod kovu z kvapalného na pevný pri určitej teplote sa nazýva kryštalizácia.

Charakteristické sú kryštalické telá anizotropia- závislosť vlastností od smeru. Amorfné telesá (napríklad sklo) sú izotropný- ich vlastnosti nezávisia od smeru.

Zoberme si termodynamické podmienky kryštalizácie. Energetický stav akéhokoľvek systému je charakterizovaný určitou rezervou vnútornej energie, ktorá pozostáva z energie pohybu molekúl, atómov atď. Voľná ​​energia je zložka vnútornej energie, ktorá sa môže za izotermických podmienok premeniť na prácu. Množstvo voľnej energie sa mení so zmenami teploty, topením, polymorfnými premenami atď.

Podľa druhého zákona termodynamiky má každý systém tendenciu k minimálnej hodnote voľnej energie. Akýkoľvek spontánne prebiehajúci proces nastáva len vtedy, ak je nový stav stabilnejší, t.j. má menej voľnej energie. Napríklad loptička má tendenciu kotúľať sa po naklonenej rovine, čím sa znižuje jej voľná energia. Spontánny návrat lopty po naklonenej rovine je nemožný, pretože by sa tým zvýšila jej voľná energia.

Proces kryštalizácie sa riadi rovnakým zákonom. Kov tuhne, ak má pevné skupenstvo menej voľnej energie, a topí sa, ak má tekuté skupenstvo menej voľnej energie. Zmena voľnej energie kvapalného a pevného skupenstva so zmenami teploty je znázornená na obr. 3.1. Teplotné zmeny vo voľnej energii sú rozdielne pre kvapalné a pevné skupenstvo hmoty.

Ryža. 3.1. Podmienky termodynamickej kryštalizácie

Rozlišujú sa teoretické a skutočné teploty kryštalizácie.

T 0 je teoretická alebo rovnovážna kryštalizačná teplota, pri ktorej F kvapalina = F pevná látka Pri tejto teplote je rovnako pravdepodobná existencia kovu v kvapalnom aj pevnom stave. Skutočná kryštalizácia začne, keď je tento proces termodynamicky prospešný pre systém, za podmienky ΔF = F l - F pevná látka, ktorá vyžaduje určité podchladenie. Teplota, pri ktorej prakticky prebieha kryštalizácia, sa nazýva skutočná teplota kryštalizácie T cr. Rozdiel medzi teoretickou a skutočnou teplotou kryštalizácie sa nazýva stupeň podchladenia:AT = To - Tcr. Čím väčší je stupeň prechladenia ΔT, tým väčší je rozdiel vo voľných energiách ΔF, tým intenzívnejšia bude kryštalizácia.

Rovnako ako tuhnutie vyžaduje podchladenie, aby sa dosiahla skutočná teplota kryštalizácie, tavenie vyžaduje prehriatie, aby sa dosiahla skutočná teplota topenia.

Mechanizmus kryštalizačného procesu

Tepelná analýza

Štruktúra ingotu z mäkkej ocele

experimentálna časť

1. Vykonajte tepelnú analýzu kovu.

1.1. Zapnite pec, v ktorej je umiestnená vzorka kovu.

1.2. Zahrejte (roztopte) vzorku na teplotu určenú laborantom.

1.3. Odčítajte údaje z meracieho zariadenia každých 60 sekúnd. Namerané hodnoty sa prevedú pomocou kalibračnej tabuľky.

1.4. Po dosiahnutí konečnej teploty experimentu vypnite pec a vykonajte proces chladenia (kryštalizácie) kovu.

1.5. Odčítajte údaje z meracieho zariadenia každých 60 sekúnd.

1.6. Zostrojte krivky vykurovania a chladenia v súradniciach

"teplota - čas" na jednom grafe.

1.7. Určite kritické body agregovaných transformácií a

stupeň podchladenia.

2. Preštudujte si kryštalizačný proces na príklade kovových solí.

2.1. Naneste kvapky nasýtených soľných roztokov na podložné sklíčko a umiestnite na stolík mikroskopu.

2.2. Zvážte a graficky znázornite štruktúry solí získaných po určitom čase počas procesu prirodzeného odparovania vody. Určte typy kryštalických útvarov, postupnosť vzniku zón, ich počet.

3. Na základe experimentálnych výsledkov formulujte závery.

Laboratórna práca č.4

VÝSKUM TEPELNÝCH VLASTNOSTÍ

KONŠTRUKČNÉ MATERIÁLY

Cieľ práca: štúdium termofyzikálnych vlastností materiálov. Určte teplotný koeficient lineárnej rozťažnosti zliatiny.

Teoretická časť

Množstvo priemyselných odvetví výroby nástrojov vyžaduje použitie materiálov s prísne regulovanými tepelnými vlastnosťami. Medzi hlavné termofyzikálne vlastnosti patria: tepelná odolnosť, odolnosť proti chladu, tepelná vodivosť, tepelná odolnosť, tepelná kapacita, tepelná rozťažnosť.

Tepelná odolnosť označuje schopnosť materiálov spoľahlivo odolávať zvýšeným teplotám (krátkodobo alebo po dobu porovnateľnú s bežnou prevádzkovou dobou) bez poškodenia a bez prijateľného zhoršenia iných prakticky dôležitých vlastností. Veľkosť tepelného odporu sa hodnotí podľa zodpovedajúcich hodnôt teploty, pri ktorých sa objavili zmeny vlastností (napríklad elektrické vlastnosti pre anorganické dielektriká). Tepelná odolnosť organických dielektrík je často určená začiatkom mechanickej deformácie. Ak sa zhoršenie vlastností zistí až po dlhšom vystavení zvýšeným teplotám – v dôsledku pomaly prebiehajúcich chemických procesov, tak ide o tzv. tepelné starnutie materiálu. Okrem vplyvu teploty môžu rýchlosť starnutia výrazne ovplyvniť: zvýšený tlak vzduchu, koncentrácia kyslíka,

rôzne chemické činidlá atď.

Pre množstvo krehkých materiálov (sklo, keramika) je dôležitá odolnosť voči náhlym zmenám teploty - tepelným impulzom. Schopnosť odolávať teplotným zmenám je tzv tepelná odolnosť. Keď sa povrch materiálu rýchlo zahreje alebo ochladí, v dôsledku vytvorenia teplotného rozdielu medzi vonkajšou a vnútornou vrstvou materiálu a nerovnomernej tepelnej rozťažnosti alebo kontrakcie sa môžu vytvárať trhliny. Tepelný odpor sa hodnotí počtom tepelných cyklov, ktoré vzorka materiálu vydržala bez výraznej zmeny vlastností.

Na základe skúšok sa zisťuje odolnosť materiálu voči tepelným vplyvom a táto odolnosť nemusí byť v rôznych prípadoch rovnaká. Napríklad materiál, ktorý môže ľahko odolávať krátkodobému zahriatiu na určitú teplotu, sa môže ukázať ako nestabilný vzhľadom na tepelné starnutie pri dlhodobom vystavení aj nižšej teplote, alebo materiál, ktorý vydrží dlhodobé zahrievanie na vysokú, konštantnú teplotu. pri rýchlom ochladení môže teplota prasknúť a zmeniť svoje vlastnosti. Skúška pri zvýšenej teplote môže byť niekedy potrebné vykonať so súčasným vystavením zvýšenej vlhkosti vzduchu (tropické podnebie).

Pri prevádzke zariadenia pri nízkych teplotách je dôležitá jeho odolnosť proti chladu - schopnosť materiálu spoľahlivo odolávať nízkym teplotám, napríklad od -60°C a nižšie, bez poškodenia a bez neprijateľného zhoršenia iných prakticky dôležitých vlastností. Pri nízkych teplotách sa spravidla zlepšujú elektrické vlastnosti izolačných materiálov, avšak mnohé materiály, pružné a elastické pri normálnych teplotách, sa pri nízkych teplotách stávajú veľmi krehkými a tuhými, čo vedie k nespoľahlivej prevádzke.

Všetky pevné látky sú schopné viesť teplo do jedného alebo druhého stupňa. Niektoré sú horšie, iné lepšie. Tepelná vodivosť je vlastnosť materiálov viesť teplo z viac zahrievaných častí tela do menej zahrievaných, čo vedie k vyrovnávaniu teploty.

V zásade existujú tieto spôsoby prenosu tepelnej energie v hmote:

1) žiarenia- všetky telesá, bez ohľadu na ich teplotu, vyžarujú energiu. Môže ísť o čisto tepelný jav (tepelné žiarenie) a

luminiscencia (fosforescencia a fluorescencia), ktorá je netepelného pôvodu;

2) konvekcia- priamy prenos tepla spojený s pohybom kvapalín a plynov;

3) tepelná vodivosť- prenos tepla v dôsledku vzájomného pôsobenia atómov alebo molekúl látky. V pevných látkach sa prenos tepelnej energie uskutočňuje hlavne touto metódou.

Fourierov základný zákon tepelnej vodivosti hovorí, že hustota tepelného toku je úmerná teplotnému gradientu. Zákon platí pre izotropné telesá (vlastnosti nezávisia od smeru). Anizotropné pevné látky sa vyznačujú koeficientmi tepelnej vodivosti v smere hlavných osí.

Vo všeobecnom prípade sa tepelná vodivosť v pevných látkach uskutočňuje dvoma mechanizmami - pohybom prúdových nosičov (najmä elektrónov) a elastickými tepelnými vibráciami atómov mriežky. Maximálny koeficient tepelnej vodivosti má hliník, zlato, meď a striebro. Kryštály so zložitejšou mriežkovou štruktúrou majú nižšiu tepelnú vodivosť, pretože miera rozptylu tepelne elastických vĺn je tam väčšia. Pokles tepelnej vodivosti sa pozoruje aj pri tvorbe tuhých roztokov, pretože v tomto prípade sa objavia ďalšie centrá rozptylu tepelných vĺn. V heterofázových (viacfázových) zliatinách je súčiniteľ tepelnej vodivosti súčtom tepelných vodivosti výsledných fáz. Tepelná vodivosť zlúčenín je vždy výrazne nižšia ako tepelná vodivosť komponentov, ktoré ich tvoria.

Tepelná kapacita- ide o vlastnosť samotnej látky, nezávisí od štrukturálnych vlastností konkrétneho produktu, jeho pórovitosti a hustoty, veľkosti kryštálov a iných faktorov. Tepelná kapacita je množstvo tepla zodpovedajúce zmene teploty jednotkového množstva látky o 1°C.

Tepelná rozťažnosť- zväčšenie objemu a lineárnych rozmerov telies pri zmene teploty. Je charakteristická takmer pre všetky materiály.

Aj keď je sila väzbových síl v pevnej látke veľmi vysoká, existujú možnosti pre pohyb elementárnych častíc (atómov, iónov). Ako v amorfných telesách, tak aj v kryštalických, atómy vibrujú blízko stredu rovnováhy.

V tomto prípade sa amplitúda kmitov zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou. Prax ukazuje, že merný objem väčšiny látok rastie so zvyšujúcou sa teplotou, t.j. dochádza k tepelnej rozťažnosti. Fenomén tepelnej rozťažnosti však nesúvisí so zvýšením amplitúdy vibračného pohybu atómov, ale s jeho anharmonicitou. Pre pochopenie podstaty javu je potrebné zvážiť silovú interakciu pri tvorbe chemickej väzby medzi atómami, ako aj závislosť potenciálnej energie systému od medziatómovej vzdialenosti. Akýkoľvek typ chemickej väzby zahŕňa rovnováhu príťažlivých a odpudivých síl medzi atómami. Keď sa atómy priblížia k sebe, príťažlivé sily spočiatku dominujú. Približovanie atómov k určitej hranici znižuje energiu systému, t.j. poskytuje mu väčšiu stabilitu. V dostatočne malej medziatómovej vzdialenosti sa však objavujú odpudivé sily, ktoré bránia ďalšiemu priblíženiu atómov. Účinok týchto síl sa zvyšuje s klesajúcou medziatómovou vzdialenosťou, čo zodpovedá nárastu energie systému. Pri určitej hodnote medziatómovej vzdialenosti sa sily odpudzovania a príťažlivosti vyrovnajú, po čom ďalší prístup vyžaduje použitie vonkajšej sily, ktorá zodpovedá kladným hodnotám výslednej sily F res.

Ryža. 4.1. Schéma silovej interakcie medzi

opačne nabité častice

Potenciálna studňa sa vyznačuje výrazne výraznou asymetriou. Predpokladajme, že pri určitej teplote má vibrujúci atóm určitú energiu. V tomto prípade osciluje vzhľadom na stred a striedavo sa odchyľuje „doľava-doprava“. Od posunov z poz

rovnováha musí byť identická, potom zvýšenie energie sústavy spôsobí posunutie stredu kmitov pozdĺž osi medziatómovej vzdialenosti. Priemerná vzdialenosť medzi atómami sa teda zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou, čo zodpovedá tepelnej rozťažnosti telesa.

Fenomén tepelnej rozťažnosti pevných látok je teda založený na anharmonicite vibračného pohybu jej atómov, a na miere odchýlky tepelných vibrácií od harmonického zákona, t.j. veľkosť tepelnej rozťažnosti telesa je do značnej miery určená stupňom asymetrie potenciálnej studne. V látkach s iónovou väzbou sa potenciálna jama spravidla vyznačuje výraznou šírkou a asymetriou. Táto skutočnosť podmieňuje významný nárast priemerných medziatómových vzdialeností pri ich zahrievaní alebo výraznú tepelnú rozťažnosť iónových zlúčenín.

Naopak, v látkach s prevažne kovalentnou väzbou (boridy, nitridy, karbidy) má potenciálová jama tvar hrotitej priehlbiny, a preto je jej stupeň symetrie vyšší. Preto je nárast vzdialenosti medzi atómami pri zahrievaní relatívne malý, čo zodpovedá ich relatívne malej tepelnej rozťažnosti. Kovy majú spravidla zvýšenú tepelnú rozťažnosť, pretože kovové väzby sú vo všeobecnosti slabšie ako iónové a kovalentné väzby. Nakoniec, organické polyméry sa vyznačujú veľmi veľkou expanziou pri zahrievaní v dôsledku slabých van der Waalsových síl pôsobiacich medzi molekulami, zatiaľ čo silné kovalentné sily pôsobia vo vnútri molekúl.

Kvantitatívne sa tepelná rozťažnosť materiálov odhaduje podľa nasledujúcich hodnôt:

1. Teplotný koeficient lineárnej rozťažnosti pri danej teplote (TCLE), zodpovedajúci relatívnemu predĺženiu vzorky s nekonečne malou zmenou teploty.

2. Teplotný koeficient objemovej rozťažnosti, ktorý charakterizuje trojrozmernú rozťažnosť látky.

Dôležitým praktickým dôsledkom je potreba použiť údaje TCLE získané v špecifickom teplotnom rozsahu, v ktorom materiál pracuje. Teplotné koeficienty sa nedajú porovnávať
expanzia materiálov meraná pri rôznych teplotách.

Pre izotropné materiály (kryštály s kubickou mriežkou, sklo) je koeficient tepelnej lineárnej rozťažnosti vo všetkých smeroch rovnaký. Väčšina kryštalických látok je však anizotropná (rozpínanie je rôzne pozdĺž rôznych osí). Tento jav je najvýraznejší napríklad pri vrstvených materiáloch (grafit), kedy majú chemické väzby výraznú smerovosť. V dôsledku toho je expanzia grafitu pozdĺž vrstvy oveľa menšia ako kolmá na ňu. Pre niektoré podobné materiály so silne výraznou anizotropiou môže byť hodnota LTEC v jednom zo smerov dokonca negatívna. Napríklad kordierit 2MgO 2A1 2 O 3 5SiO 2, v ktorom sa počas tepelnej expanzie pozoruje expanzia kryštálov pozdĺž jednej osi a kompresia sa pozoruje pozdĺž druhej osi, čo zodpovedá konvergencii vrstiev štruktúry. Tento jav sa využíva v technike; V poli a kryštalickom materiáli vedie chaotické rozloženie kryštálov k vzájomnej orientácii ich pozitívnej a negatívnej expanzie. Výsledkom je materiál s nízkou hodnotou TCLE, ktorý sa vyznačuje veľmi vysokou tepelnou odolnosťou. Zároveň v takýchto materiáloch môžu na hraniciach zŕn vznikať značné napätia, ktoré ovplyvňujú ich mechanickú pevnosť. Pri viacfázových materiáloch na rozhraní dvoch kontaktných fáz s rôznymi koeficientmi tepelnej rozťažnosti budú pôsobiť tlakové napätia na fázu s veľkým koeficientom rozťažnosti a ťahové napätia budú pôsobiť na fázu s malým koeficientom tepelnej rozťažnosti (pri zahriatí). Pri chladení sa napätia menia. Pri prekročení kritických hodnôt napätia môže dôjsť k prasklinám a dokonca k deštrukcii materiálu.

TCLE je teda vlastnosťou citlivou na štruktúru a je citlivá na zmeny v štruktúre materiálu, napríklad na prítomnosť polymorfných transformácií v ňom. V tomto ohľade môžu byť pozorované zlomy v krivkách expanzie viacfázových materiálov a ich monotónny charakter je narušený.

Ak rozťažnosť telesa v danom teplotnom rozsahu nastáva rovnomerne, potom sa graficky rozťažnosť vyjadrí ako priamka (obr. 4.2.), pričom priemerný koeficient lineárnej rozťažnosti sa bude číselne rovnať dotyčnici uhla sklon tejto priamky k teplotnej osi vo vzťahu k relatívnej zmene dĺžky vzorky.

Ryža. 4.2. Rovnomerná expanzia tela pri zahrievaní

K expanzii vzorky však nie vždy dochádza rovnomerne. Štúdium charakteristík tepelnej rozťažnosti v rôznych teplotných rozsahoch nám tiež umožňuje vyvodiť nepriame závery o teplote a povahe rôznych štruktúrnych premien v materiáli. V takýchto prípadoch nebude závislosť tepelnej rozťažnosti od teploty vyjadrená priamkou, ale zložitejšou závislosťou (obr. 4.3).

Ryža. 4.3. Nerovnomerná expanzia tela pri zahrievaní

Pre zistenie hodnoty koeficientu rozťažnosti v jednotlivých bodoch expanznej krivky je potrebné nakresliť dotyčnicu k teplotnej osi cez bod krivky zodpovedajúci meranej teplote. Veľkosť koeficientu lineárnej rozťažnosti bude vyjadrená dotyčnicou uhla sklonu dotyčnice k teplotnej osi.

Veľkosť tepelnej rozťažnosti telies pri zahrievaní závisí predovšetkým od charakteru materiálu, t.j. na jeho chemickom a mineralogickom zložení, štruktúre priestorovej mriežky, sile chemickej väzby a pod. takže,

Hodnota koeficientu tepelnej rozťažnosti keramiky je určená predovšetkým povahou kryštalickej fázy, skla - chemickým zložením a sklokeramiky - povahou kryštalickej fázy, chemickým zložením zvyškovej sklovitej fáza a ich pomer.

Sklovité materiály vykazujú komplexnú teplotnú závislosť expanzie. Spočiatku, až do takzvanej teploty skleného prechodu, blízkej teplote mäknutia, je expanzia úmerná teplote. Pri teplotách nad teplotou skleného prechodu sa rýchlosť predlžovania prudko zvyšuje. Tento úsek zodpovedá intervalu prechodu z krehkého do vysoko viskózneho stavu, v ktorom prebiehajú procesy štrukturálnej reštrukturalizácie skla a teplota skleného prechodu sa považuje za hranicu krehkého stavu. Po dosiahnutí maxima sa predĺženie začína zmenšovať, čo je spojené so zmršťovaním vzorky skla v dôsledku jej mäknutia.

TCLE je technická charakteristika materiálu a vypočítava sa podľa vzorca

kde l 0 je dĺžka telesa pri počiatočnej teplote T 0;

l t - dĺžka telesa zahriateho na teplotu T.

TCLE je zmena dĺžky so zmenou teploty o 1 stupeň vo vzťahu k pôvodnej dĺžke vzorky. Materiály s nízkym koeficientom tepelnej rozťažnosti sa používajú ako súčasti vysoko presných prístrojov a zariadení, ktoré by pri zahriatí nemali meniť rozmery. Pri pevnom spájaní častí zariadenia, napríklad v spoji kov-sklo, je potrebné zvoliť materiály s podobnými hodnotami TCLE, inak počas chladenia vzniknú napätia na spoji častí a v spoji sa môžu vytvárať trhliny. krehké sklo a spoj nebude vákuovo tesný. Blízkosť TCLE je nevyhnutná aj pre vrstvy mikroobvodov, ktoré podliehajú zmenám teploty počas technologických operácií alebo počas prevádzky, inak môže dôjsť k deštrukcii vrstiev obvodu.

Dôležitú úlohu pri posudzovaní tepelného odporu materiálov zohráva aj koeficient tepelnej rozťažnosti: čím nižší TCLE, tým vyšší tepelný odpor.

Existujú kovové zliatiny, ktoré nedodržiavajú všeobecné zákony tepelných vlastností. Takýmito zliatinami sú zliatiny železa a niklu Re-M1. Zliatina obsahujúca 36% niklu má hodnotu TCLE blízku nule a je tzv invar(latinsky „nezmeniteľné“).

Inžinieri využívajú ďalšiu tepelnú vlastnosť, a to tepelný koeficient modulu pružnosti(TKMU). V akomkoľvek pevnom tele, vrátane kovov, sa pri zahrievaní pozoruje pokles modulu pružnosti, ktorý je mierou síl medziatómových väzieb. Pre zliatinu Fe-Ni má táto vlastnosť anomálnu závislosť: modul TKMU sa zvyšuje alebo zostáva konštantný so zvyšujúcou sa teplotou. Rovnaký invar s 36% niklu má maximum TKMU. Výber špecifického chemického zloženia umožňuje vyvinúť zliatiny, ktorých TMC sú prakticky nezávislé od teploty. Tieto zliatiny sú tzv elinvarov.

Na výrobu sa používajú ocele s určitou tepelnou rozťažnosťou termobimetaly, kedy je vrstva s nízkou tepelnou rozťažnosťou (pasívna vrstva) bezpečne spojená valcovaním s ďalšou vrstvou s vyššou tepelnou rozťažnosťou (aktívna vrstva). Bimetalové dosky sa používajú ako regulátor teploty pri výrobe nástrojov.

Zahrievanie takejto dosky vedie k jej zakriveniu, čo umožňuje uzavretie elektrického obvodu. Hlavnou vlastnosťou termobimetalov je tepelná citlivosť- schopnosť ohýbať sa pri zmene teploty.

Opis kremenného dilatometra používaného na meranie teplotného koeficientu lineárnej rozťažnosti

experimentálna časť

1. Zoznámte sa s prístrojom dilatometra.

2. Vložte skúmavku obsahujúcu vzorku bronzu do rúrovej pece.

3. Zapnite rúru a kombinovaný glukomer na meranie.

4. Nastavte indikátor na nulu.

5. V pravidelných intervaloch (napríklad po 20 °C) odčítajte hodnoty indikátora pomocou kalibračnej tabuľky.

6. Zadajte experimentálne údaje do tabuľky. 4.2.

kde α je koeficient lineárnej expanzie;

n- hodnoty indikátorov;

k- cena rozdelenia ukazovateľa;

(T 2 - T 1) - teplotný rozdiel (izbový a konečný) pre zvolený interval;

l- počiatočný dyne vzorky;

α kv - korekcia na expanziu kremeňa.

8. Zostrojte a vysvetlite grafickú závislosť predĺženia vzorky od teploty.

9. Analyzujte výsledky získané pre bronz, ktorý je zliatinou medi a cínu, pričom vezmite do úvahy, že α meď = 160 ·10 -7 g -1, α cín = 230 ·10 -7 g -1.

10. Oboznámte sa s expanznými krivkami pre nekovové materiály, zvýraznite charakteristické zóny, vysvetlite procesy prebiehajúce v materiáloch pri zahrievaní.

11. Na základe výsledkov práce formulujte závery.

Laboratórna práca č.5

METÓDY ŠTÚDIA PORÉZNYCH KOMPOZITNÝCH MATERIÁLOV

Cieľ práce: zoznámiť sa s rôznymi poréznymi materiálmi a technológiou ich výroby. Stanovte absorpciu vody polymérnych, kompozitných a sklokeramických materiálov a urobte porovnávaciu analýzu získaných výsledkov.

Teoretická časť

Všetky materiály majú vo väčšej či menšej miere absorpcia vody, t.j. schopnosť absorbovať V vlhkosť z prostredia a priepustnosť vlhkosti, tie. schopnosť prechádzať vodou cez seba. Atmosférický vzduch vždy obsahuje určité množstvo vodnej pary.

Nasiakavosť materiálu je výrazne ovplyvnená jeho štruktúrou a chemickou podstatou. Dôležitú úlohu zohráva prítomnosť a veľkosť kapilárnych medzier vo vnútri materiálu, do ktorých vlhkosť preniká. Vysoko porézne materiály, najmä vláknité, majú vysokú absorpciu vody. Stanovenie absorpcie vody zvýšením hmotnosti navlhčenej vzorky poskytuje určitú predstavu o schopnosti materiálu absorbovať vlhkosť.

Akýkoľvek porézny konštrukčný materiál (kov, keramika, sklokeramika alebo polymér) je spravidla kombináciou pevnej látky s dutinami - pórmi. Objem pórov, ich veľkosti a distribučné vzory majú významný vplyv na množstvo vlastností produktov a materiálov. Napríklad mechanická pevnosť keramiky závisí nielen od celkovej pórovitosti, ale aj od veľkosti pórov a rovnomernosti ich rozloženia. Niet pochýb, že so zvyšujúcou sa pórovitosťou klesá pevnosť keramiky v dôsledku nárastu štrukturálnych defektov a poklesu pevnosti spoja.

Zistilo sa, že objem pórov naplnených vodou určuje mrazuvzdornosť výrobkov; počet, veľkosť a povaha distribúcie pórov do značnej miery určujú odolnosť obloženia pecí voči troske; pórovitosť ovplyvňuje tepelnú vodivosť materiálov.

Póry v materiáloch majú rôzne tvary, obrysy a môžu byť nerovnomerne rozložené v celom objeme, takže je mimoriadne ťažké získať úplnú charakteristiku pórovitosti, dokonca aj pri použití moderných porometrov. Napriek rôznym tvarom možno póry rozdeliť na:

1. Uzavreté póry- kvapaliny a plyny neprístupné pre prienik do nich.

2. OTVORENÉ- póry prístupné pre penetráciu.

Otvorené póry sa zase delia na:

1) slepá ulica- póry naplnené kvapalinou a plynom, otvorené na jednej strane;

2) formovanie kanálov- póry sa otvárajú na oboch koncoch a vytvárajú pórové kanály.

Priepustnosť materiálu pre vlhkosť je určená predovšetkým pórmi tvoriacimi kanál v prítomnosti tlakových rozdielov na ich otvorených koncoch. Pórovitosť a priepustnosť sú dôležitými charakteristikami textúry pre všetky typy technických materiálov.

Keďže priame metódy merania pórovitosti materiálov sú mimoriadne zložité, tento ukazovateľ sa často hodnotí stanovením iných vlastností, ktoré priamo závisia od pórovitosti. Tieto ukazovatele zahŕňajú hustotu materiálu a absorpciu vody.

Pozrime sa na niektoré definície.

Skutočná hustota- pomer hmotnosti materiálu k jeho objemu bez zohľadnenia pórov.

Zdanlivá hustota- to je pomer telesnej hmotnosti k celému objemu, ktorý zaberá, vrátane pórov.

Relatívna hustota- pomer zdanlivej hustoty k skutočnej hustote. Predstavuje objemový podiel pevných látok v materiáli.

Absorpcia vody je pomer hmotnosti vody absorbovanej materiálom pri úplnom nasýtení k hmotnosti suchej vzorky (vyjadrený v percentách).

Meraním vyššie uvedených charakteristík možno posúdiť celkovú, otvorenú a uzavretú pórovitosť keramiky.

Skutočná (úplná) pórovitosť- celkový objem všetkých otvorených a uzavretých pórov, vyjadrený ako percento z celkového objemu materiálu. Táto hodnota je označená P a číselne sa rovná súčtu uzavretej a otvorenej pórovitosti.

Zjavná (otvorená) pórovitosť- je to pomer objemu všetkých otvorených pórov tela (naplnených vodou počas varu) k celému objemu materiálu vrátane objemu všetkých pórov. Hodnota je označená P 0 a je vyjadrená v %.

Uzavretá pórovitosť- je to pomer objemu všetkých uzavretých pórov tela k jeho objemu vrátane objemu všetkých pórov, označovaný P 3 a vyjadrený v %.

Absorpcia vody polymérnych materiálov

Klasifikácia plastov

Plasty možno klasifikovať podľa rôznych kritérií, napríklad podľa zloženia, vzťahu k teplu a rozpúšťadlám atď.

Podľa zloženia plasty sa delia na:

1) nevyplnené. Sú to živice v čistej forme.

2) plnené (kompozitné). Okrem živice obsahujú plnivá, zmäkčovadlá, stabilizátory, tvrdidlá a špeciálne prísady.

Plnidlá pridávané v množstve 40 až 70 % (hmotn.) na zvýšenie mechanických vlastností, zníženie zmršťovania a zníženie materiálových nákladov (cena plniva je nižšia ako cena živice). Plnivo však zvyšuje hygroskopickosť plastov a zhoršuje elektrické vlastnosti.

Plastifikátory(glycerín, ricínový alebo parafínový olej) sa zavádza v množstve 10-20% na zníženie krehkosti a zlepšenie tvaru chrbtice.

Stabilizátory(sadze, zlúčeniny síry, fenoly) sa pridávajú v množstve niekoľko percent na spomalenie starnutia, čím sa stabilizujú vlastnosti a predlžuje sa životnosť. Starnutie je spontánna ireverzibilná zmena najdôležitejších prevádzkových charakteristík materiálu počas prevádzky a skladovania, ku ktorej dochádza v dôsledku zložitých fyzikálnych a chemických procesov.

Tvrdidlá Tiež sa zavádzajú v množstve niekoľkých percent na spojenie molekúl polyméru s chemickými väzbami.

Špeciálne prísady- mazivá, farbivá, na zníženie statického náboja, na zníženie horľavosti, na ochranu proti plesniam.

Pri výrobe peny a poréznych plastov sa pridávajú látky tvoriace póry - látky, ktoré pri zahriatí zmäknú, pričom sa uvoľní veľké množstvo plynov, ktoré spenia živicu.

Vo vzťahu k vykurovaniu a rozpúšťadlá sa plasty delia na termoplasty a termosety.

Termoplastické polyméry(termoplasty) - polyméry, ktoré môžu opakovane mäknúť pri zahriatí a stvrdnúť pri ochladzovaní bez zmeny svojich vlastností. V týchto polyméroch pôsobia medzi molekulami slabé van der Waapsove sily a neexistujú žiadne chemické väzby. Termoplasty sú tiež rozpustné v rozpúšťadlách.

Termosetové polyméry(termosety) sa pri zahriatí na určitú teplotu topia a v dôsledku chemických reakcií pri rovnakej teplote po ochladení stvrdnú (ako sa hovorí „upečené“) a premenia sa na tvrdú, netopiacu sa a nerozpustnú látku. V tomto prípade spolu so slabými van der Waalsovými silami fungujú silné chemické väzby medzi molekulami, nazývané priečne. Ich výskyt je podstatou procesu vytvrdzovania polyméru.

Znížením vplyvu plniva Plasty sú rozdelené do nasledujúcich typov:

1) s listom plnivo (getinax, textolit, sklolaminát, drevolaminátový plast);

2) s vláknitým plnivom(sklolaminát, azbestové sklolaminát, sklolaminát);

3) s práškovým plnivom(fenoplasty, aminoplasty,

epoxidové lisovacie prášky);

4) bez plniva(polyetylén, polystyrén);

5) s plynovou vzduchovou náplňou(penové plasty).

Getinax pozostáva z dvoch alebo viacerých vrstiev odolného, ​​tepelne odolného, ​​impregnovaného papiera ošetreného termosetovou živicou typu rezol fenol-formaldehydu (bakelit). Na zvýšenie tepelnej odolnosti sa do niektorých značiek getinaxu dodatočne zavádzajú organokremičité látky a na zvýšenie lepiacej schopnosti sa pridávajú epoxidové živice. Getinax je lacný materiál používaný v elektronických zariadeniach na výrobu rôznych typov plochých elektroizolačných dielov a základov dosiek plošných spojov.

Tepelná odolnosť getinaxu je 135°C. Nevýhody: ľahká delaminácia pozdĺž výplňových listov, hygroskopickosť (to zhoršuje elektrické izolačné vlastnosti). Na ochranu pred vlhkosťou je povrch pokrytý lakom.

Textolit je lisovaný materiál na báze plátov bavlnenej tkaniny, impregnovanej podobne ako getinax bakelitom. Je ľahšie spracovateľný ako getinax a má vyššiu odolnosť voči vode, pevnosť v tlaku a rázovú pevnosť. Textolit je 5-6 krát drahší ako getinax. Tepelná odolnosť 150°C.

Sklolaminát- materiál pozostávajúci z dvoch alebo viacerých vrstiev sklenej tkaniny bez alkálií impregnovanej rôznymi termosetovými živicami.

Sklolaminát má v porovnaní s getinaxom a textolitom zvýšenú odolnosť proti vlhkosti, tepelnú odolnosť a lepšie elektrické a mechanické parametre, je však menej mechanicky opracovaný. Sklolaminát má dobrú tlmiacu schopnosť (schopnosť tlmiť vibrácie) a v tomto smere prevyšuje oceľ a zliatiny titánu. Z hľadiska tepelnej rozťažnosti sa približuje oceli. Tepelná odolnosť - 185°C. Sklolaminát je široko používaný, pretože spája nízku hmotnosť, vysokú pevnosť, tepelnú odolnosť a dobré elektrické vlastnosti.

Drevolaminovaný plast je materiál vyplnený pilinami alebo dyhou.

Plastové fólie majú špeciálny účel a používajú sa na výrobu dosiek plošných spojov. Sú to laminované plasty lemované z jednej alebo oboch strán elektrolyticky vyrobenou medenou fóliou.

Tento spôsob výroby fólie zabezpečuje jednotné zloženie a drsný povrch na jednej strane, čo zlepšuje priľnavosť fólie k dielektriku pri lepení. Kompozitné plasty plnené bavlnenými vláknami a tkaninami, ako aj materiály na báze dreva, môžu mať vďaka plnivu vysokú absorpciu vody. Podľa GOST 4650-73 sa absorpcia vody polymérnych materiálov určuje ponechaním vzorky vo vode počas 24 hodín pri izbovej teplote (alebo varom počas 30 minút).

Tabuľka 5.1.

Vlastnosti plastov

Porézne keramické a sklokeramické materiály

Porézne kovové materiály

experimentálna časť

1. Určte nasiakavosť polymérnych materiálov.

1.1. Pred testovaním odvážte vzorky polymérnych materiálov (hmotnosť m 1).

1.2. Vložte vzorky do kadičky s voda, priviesť do. varte a udržiavajte pri teplote varu 30 minút.

1.3. Vyberte vzorky z kadičky, osušte filtrom

papier a zvážte (hmotnosť m 2).

1.4. Výsledky merania zapíšte do tabuľky. 5.2.

1.5. Určte absorpciu vody každej vzorky pomocou vzorca

Tabuľka 5.2

2. Stanovte absorpciu vody a otvorenú pórovitosť sklo-I keramických materiálov.

2.1. Odvážte vzorky sklokeramických materiálov. Zmerajte rozmery vzoriek potrebných na výpočet objemu pomocou posuvného meradla.

2.2. Vzorky vložte do kadičky, priveďte do varu a udržiavajte pri teplote varu 60 minút.

2.3. Vyberte vzorky z kadičky a odvážte. Pozor! Vzorky by sa nemali dôkladne odsať, pretože Z pomerne veľkých nôr bude odstránená voda.

2.4. Stanovte absorpciu vody každej vzorky pomocou vyššie uvedeného vzorca.

2.5. Určte zdanlivú hustotu vzoriek pomocou vzorca

2.6. Vypočítajte zdanlivú (otvorenú) pórovitosť Pc:

2.7. Výsledky výpočtu zadajte do tabuľky 5.3.

Tabuľka 5.3

3. Na základe experimentálnych výsledkov vykonajte porovnávaciu analýzu a sformulujte závery.

Čo urobíme s prijatým materiálom:

Ak bol tento materiál pre vás užitočný, môžete si ho uložiť na svoju stránku v sociálnych sieťach:

Priemysel materiálových vied dnes zohráva dôležitú úlohu pri rozvoji vedeckého a technologického pokroku. Stáva sa, že materiálová veda môže pokryť každú oblasť ľudskej činnosti, vďaka čomu je v našej dobe nových technológií veľmi dôležitá a žiadaná.

Na počesť otvorenia novej stránky sme sa rozhodli opýtať manažéra. Katedra strojárstva a materiálovej vedy Eremin Evgeniy Nikolaevich, čo sa momentálne deje v priemysle a čo čaká našich študentov-absolventov v budúcnosti.

Evgeniy Nikolaevich, aká je dnes oblasť vedy o materiáloch?

Nie je možné si predstaviť náš život bez materiálov. Výroba a vývoj nových materiálov, spôsoby ich spracovania sú základom modernej výroby a do značnej miery určujú úroveň jej rozvoja, vedecký, technický a ekonomický potenciál štátu. Pokrokové myšlienky mnohých vedcov a inžinierov na vytvorenie nových strojov sa dlho nepodarilo uviesť do života kvôli nedostatku vhodných materiálov s vysokými fyzikálnymi a mechanickými vlastnosťami. 20. storočie sa nieslo v znamení veľkých úspechov v teórii a praxi materiálovej vedy: vznikali vysokopevnostné materiály pre súčiastky a nástroje, vyvíjali sa kompozitné materiály, objavovali a využívali sa vlastnosti polovodičov, objavovali sa supravodiče, využívali sa v energetike a iné odvetvia techniky. Zároveň sa zdokonaľovali metódy spevnenia dielcov tepelným a chemicko-tepelným spracovaním.

Obzvlášť intenzívne sa v posledných desaťročiach rozvíja veda o materiáloch. Vysvetľuje to potreba nových materiálov na prieskum vesmíru, vývoj elektroniky a jadrovej energie. To si vyžiadalo zaradenie takmer všetkých prvkov periodickej tabuľky medzi priemyselné materiály.

Dnes v Rusku existuje množstvo svetoznámych vedeckých centier zaoberajúcich sa vývojom materiálov, ktoré dokážu spoľahlivo fungovať pod rôznymi vplyvmi. Vytvárajú stále viac nových materiálov, ktoré posúvajú priemyselnú výrobu na novú úroveň.

Riešenie najdôležitejších technických problémov spojených s ekonomickou spotrebou materiálov a znižovaním hmotnosti strojov a zariadení do značnej miery závisí od rozvoja materiálovej vedy. Neustály proces vytvárania nových materiálov pre moderné technológie obohacuje vedu o materiáloch.

S akým odborom činnosti súvisí budúce povolanie absolventov?

Odvetvie materiálových vied je dnes oblasťou špičkových technológií. Materiálová veda je zaradená do zoznamu prioritných oblastí rozvoja vo všetkých vyspelých krajinách sveta a sama o sebe je jedným z najpopulárnejších odvetví.

Západná Sibír je hlavným centrom všeobecného, ​​špeciálneho a dopravného inžinierstva, výroby nástrojov a stavebníctva. Tieto odvetvia patria medzi popredné odvetvia hospodárstva Omska a významne prispievajú k zamestnanosti ekonomicky aktívneho obyvateľstva. Priemyselná výroba je jednou z najdynamickejšie sa rozvíjajúcich oblastí hospodárskej činnosti v regióne Omsk. Sídli tu veľké množstvo relevantných podnikov, dizajnérskych a výskumných organizácií národného a medzinárodného významu. Výroba produktov pomocou metód tlaku, odlievania a zvárania je základom obstarávacej výroby každého podniku. Návrh racionálnych a konkurencieschopných produktov a organizácia ich výroby sú zároveň nemožné bez dostatočnej úrovne vedomostí v oblasti materiálovej vedy, ktorá je najdôležitejším ukazovateľom vzdelania moderného certifikovaného odborníka.

To všetko si vyžaduje školenie príslušných špecialistov v oblasti strojárstva, vrátane vedcov v oblasti materiálov, a vyžaduje si potrebu vysokokvalifikovaného personálu pre podniky, organizácie a výskumné ústavy.

Odborná činnosť absolventov strojárskeho ústavu súvisí s technologickými postupmi získavania, spracovania a spracovania moderných materiálov; štúdium ich chemického zloženia, fázového stavu; certifikácia materiálov a náterov, s technologickými postupmi ich výroby, ako aj so spracovaním a diagnostikou zariadení. Som presvedčený, že pod vedením svojich učiteľov a mentorov naši študenti plne zvládnu svoju vedeckú špecializáciu a stanú sa profesionálmi vo svojom odbore.

Hlavnými spotrebiteľmi bakalárov a magistrov v strojárstve sú veľké moderné podniky obranného priemyslu, ako napríklad Federálny štátny jednotný podnik „GKNPTs im. M.V. Khrunichev" PA "Polet", FSUE "Vedecké a výrobné centrum pre inžinierstvo plynových turbín "Salyut" (pobočka "OMO pomenovaná po P.I. Baranov"), FSUE OmPO "Irtysh", FSUE NIID, FSUE "Omsktransmash", FSUE "Priborostroenie", OJSC Omskaggregat, LLC NTK "Kryogénna technológia", FSUE OPZ pomenovaná po. Kozitsky, OJSC "Siberian Instruments and Systems", OJSC "Saturn", OJSC "Design Bureau of Transport Engineering", OJSC "Machine-Building Design Bureau", LLC "Motor-Building Design Bureau", FSUE "Central Design Bureau of Automation" , FSUE "Vedecko-výskumný ústav prístrojového inžinierstva v Omsku", ako aj podniky iných priemyselných odvetví, ako sú NPO Mostovik, OJSC OMUS-1, LLC Zlievárenský a strojársky závod, LLC Omskenergoremont, LLC RMZ Sibneft-ONPZ, LLC Vedecké a technické Centrum "Doprava", továrne na prefabrikovaný betón, Sibmontazhkomplekt LLC, High Technologies OJSC, Transsibneft OJSC, Nefteprovodstroy OJSC, Sibgazstroydetal Plant CJSC a mnoho ďalších.

Dopyt po inžinierskych pracovníkoch v strojárskych špecializáciách potvrdzujú žiadosti podnikov o cielené školenie, a to aj v rámci federálneho cieľového príkazu pre podniky vojensko-priemyselného komplexu (DIC).

Čo by ste zaželali našim študentom?

Šťastný nový rok všetkým našim študentom. Všetkým Vám úprimne želám pevné zdravie, prosperitu a naplnenie nádejí a samozrejme úspešné ukončenie neúprosne sa blížiacej relácie, ktorej výsledkom bude štipendium a možno aj niekoľko štipendií súčasne, ktorých celková výška za niektorí študenti dosahujú 10-15 tisíc rubľov.

Buďte aktívni, úspešní a šťastní, drahí priatelia!

Smer" Materiálová veda a technológia»

Hlavné vzdelávacie programy:

Bakalársky titul: "Technológia materiálov a nanoštruktúr"

Žiadna oblasť modernej výroby sa nezaobíde bez materiálov a technológií na ich výrobu, najmä v oblasti špičkových technológií, kam patrí aj činnosť MIET. V poslednom období sa vo svete venuje veľká pozornosť rozvoju nanotechnológií a zároveň sa do oblasti nanorozmerov dostal aj vývoj elektroniky. Do popredia sa tak dostávajú nanomateriály a nanomateriálové technológie.

V rámci odboru „Materiálové vedy a technológie materiálov“ (MMT) absolvuje bakalárov v nasledovnom profile:

Absolventi Inštitútu PMT, ktorí získali bakalárske a magisterské vzdelanie v odbore „Náuka o materiáloch a technológia materiálov“, majú dobré vzdelanie v prírodovedných disciplínach s hĺbkovým štúdiom vlastností výskumu a tvorby nanomateriálov. a nanoštruktúr, ktoré sú základom pre návrh a vývoj nanotechnológií. Ovládajú používateľské a špeciálne počítačové programy a sú schopní používať moderné programovacie jazyky na vývoj efektívnych riešení zadaných problémov.

Ústav disponuje najmodernejším vybavením, ktoré mu umožňuje vykonávať výskum a vývoj mikro- a nanomateriálov a štruktúr a metód ich výskumu. Študenti, ktorí sa zaujímajú o prácu pedagógov ústavu, sa už od juniorského veku plnohodnotne podieľajú na práci vedecko-technických skupín pri vývoji rôznych zariadení a písaní softvéru pre ne, vývoji nových technológií a výskume tzv. nové materiály. Výsledky tejto práce sú publikované vo vysoko citovaných časopisoch a zborníkoch, prezentované na konferenciách a seminároch a často sú ocenené diplomami a certifikátmi. Po úspešnom ukončení štúdia mnohí študenti pokračujú v štúdiu na vysokej škole. Postgraduálni študenti a študenti aktívne komunikujú s kolegami z popredných zahraničných univerzít v Európe a Amerike, čo zahŕňa nielen výmenu informácií, ale aj možnosť pokračovať v školeniach a stážach pre študentov, postgraduálnych študentov a mladých vedcov v zahraničí.

Absolventi spolu s pedagógmi vyvinuli unikátne technológie na tvorbu polovodičových meničov energie, integrovaných a vláknových optických technológií, ktoré sú celosvetovo uznávané. Vyvinuté princípy a metódy sa využívajú na rôznych zahraničných univerzitách a firmách. Postgraduálni študenti inštitútu opakovane získali granty a štipendiá od prezidenta Ruskej federácie.

Absolventi inštitútu PMT sú žiadaní v mnohých prioritných oblastiach rozvoja globálnej a ruskej ekonomiky, ako sú:

• nanoinžinierstvo a nanomateriály;
• elektronika a nanoelektronika;
• úspora energie a alternatívne zdroje energie;
• vesmírne technológie;
• mikroelektromechanické systémy.

Vysoká úroveň vzdelávania produkovaného inštitútom umožňuje absolventom nájsť si uplatnenie v rôznych iných odvetviach hospodárstva, od energetiky po bankovníctvo.

Špecializácia „náuka o materiáloch a technika“ je jednou z najdôležitejších disciplín pre takmer všetkých študentov strojárstva. Vytvorenie nového vývoja, ktorý by mohol konkurovať na medzinárodnom trhu, si nemožno predstaviť a realizovať bez dôkladnej znalosti problematiky.

Kurz materiálovej vedy študuje škálu rôznych surovín a ich vlastnosti. Rôzne vlastnosti použitých materiálov určujú rozsah ich použitia v technológii. Vnútorná štruktúra kovu alebo kompozitnej zliatiny priamo ovplyvňuje kvalitu produktu.

Základné vlastnosti

Veda o materiáloch a technológia inžinierskych materiálov zdôrazňuje štyri najdôležitejšie vlastnosti akéhokoľvek kovu alebo zliatiny. V prvom rade ide o fyzikálne a mechanické vlastnosti, ktoré umožňujú predpovedať prevádzkové a technologické vlastnosti budúceho produktu. Hlavnou mechanickou vlastnosťou je tu pevnosť - priamo ovplyvňuje nezničiteľnosť hotového výrobku pod vplyvom pracovného zaťaženia. Štúdium lomu a pevnosti je jednou z najdôležitejších súčastí základného kurzu „náuka o materiáloch a technológia materiálov“. Táto veda sa používa na nájdenie potrebných konštrukčných zliatin a komponentov určených na výrobu dielov s požadovanými pevnostnými charakteristikami. Technologické a prevádzkové vlastnosti umožňujú predpovedať správanie hotového výrobku pri prevádzkovom a extrémnom zaťažení, vypočítať medze pevnosti a posúdiť životnosť celého mechanizmu.

Základné materiály

V posledných storočiach bol hlavným materiálom na výrobu strojov a mechanizmov kov. Preto disciplína „náuka o materiáloch“ venuje veľkú pozornosť vede o kovoch – náuke o kovoch a ich zliatinách. K jeho rozvoju veľkou mierou prispeli sovietski vedci: P. P. Anosov, N. S. Kurnakov, D. K. Černov a ďalší.

Ciele materiálovej vedy

Na štúdium budúcich inžinierov sú potrebné základy materiálovej vedy. Koniec koncov, hlavným účelom zaradenia tejto disciplíny do učebných osnov je naučiť študentov technických odborov správne vyberať materiál pre navrhnuté výrobky s cieľom predĺžiť ich životnosť.

Dosiahnutie tohto cieľa pomôže budúcim inžinierom vyriešiť nasledujúce problémy:

• Správne posúdiť technické vlastnosti materiálu analýzou výrobných podmienok produktu a jeho životnosti.
• Mať správne vytvorené vedecké predstavy o skutočných možnostiach zlepšenia akýchkoľvek vlastností kovu alebo zliatiny zmenou jeho štruktúry.
• Vedieť o všetkých metódach spevnenia materiálov, ktoré môžu zabezpečiť trvanlivosť a výkon nástrojov a produktov.
• Majte aktuálne znalosti o hlavných skupinách používaných materiálov, vlastnostiach týchto skupín a rozsahu použitia.

Požadované znalosti

Kurz „Náuka o materiáloch a technológia konštrukčných materiálov“ je určený pre tých študentov, ktorí už chápu a vedia vysvetliť význam takých charakteristík, ako je napätie, zaťaženie, plastický a agregačný stav hmoty, atómovo-kryštalická štruktúra kovov, druhy chemických látok. väzby, a základné fyzikálne vlastnosti kovov. V procese štúdia študenti absolvujú základné školenie, ktoré im bude užitočné pri dobývaní špecializovaných disciplín. Seniorské kurzy skúmajú rôzne výrobné procesy a technológie, v ktorých hrá významnú úlohu materiálová veda a materiálová technológia.

S kým spolupracovať?

Znalosť konštrukčných vlastností a technických charakteristík kovov a zliatin bude užitočná pre konštruktéra pracujúceho v oblasti prevádzky moderných strojov a mechanizmov. Špecialisti v oblasti technológií nových materiálov nájdu svoje uplatnenie v strojárskom, automobilovom, leteckom, energetickom a vesmírnom sektore. V poslednom období je nedostatok odborníkov s diplomom z materiálovej vedy a technológie v obrannom priemysle a v oblasti rozvoja komunikácií.

Rozvoj vedy o materiáloch

Ako samostatná disciplína je materiálová veda príkladom typickej aplikovanej vedy, ktorá vysvetľuje zloženie, štruktúru a vlastnosti rôznych kovov a ich zliatin za rôznych podmienok.

Schopnosť ťažiť kov a vyrábať rôzne zliatiny získal človek v období rozkladu primitívneho komunálneho systému. Ale ako samostatná veda sa materiálová veda a materiálová technológia začali študovať pred niečo vyše 200 rokmi. Začiatok 18. storočia bol obdobím objavov francúzskeho vedca a encyklopéda Reaumura, ktorý sa ako prvý pokúsil študovať vnútornú štruktúru kovov. Podobný výskum uskutočnil anglický výrobca Grignon, ktorý v roku 1775 napísal krátku správu o stĺpcovej štruktúre, ktorú objavil, a ktorá vzniká pri tuhnutí železa.

V Ruskej ríši patrili prvé vedecké práce v oblasti metalurgie M.V. Lomonosovovi, ktorý sa vo svojej príručke pokúsil stručne vysvetliť podstatu rôznych metalurgických procesov.

Veda o kovoch urobila veľký skok vpred na začiatku 19. storočia, keď boli vyvinuté nové metódy na štúdium rôznych materiálov. V roku 1831 práce P. P. Anosova ukázali možnosť štúdia kovov pod mikroskopom. Potom niekoľko vedcov z mnohých krajín vedecky dokázalo štrukturálne premeny kovov počas ich nepretržitého ochladzovania.

O sto rokov neskôr prestala existovať éra optických mikroskopov. Technológia konštrukčných materiálov nemohla robiť nové objavy pomocou zastaraných metód. Optiku nahradilo elektronické zariadenie. Metalurgia sa začala uchyľovať k elektronickým metódam pozorovania, najmä k neutrónovej difrakcii a elektrónovej difrakcii. Pomocou týchto nových technológií je možné zväčšiť profily kovov a zliatin až 1000-krát, čo znamená, že existuje oveľa viac dôvodov na vedecké závery.

Teoretické informácie o štruktúre materiálov

V procese štúdia odboru študenti získavajú teoretické poznatky o vnútornej stavbe kovov a zliatin. Na konci kurzu by študenti mali získať nasledujúce zručnosti a schopnosti:

• o internom;
• o anizotropii a izotropii. Čo spôsobuje tieto vlastnosti a ako ich možno ovplyvniť;
• o rôznych defektoch v štruktúre kovov a zliatin;
• o metódach štúdia vnútornej štruktúry materiálu.

Praktické hodiny v disciplíne materiálové vedy

Na každej technickej univerzite je katedra materiálovej vedy. Počas kurzu študent študuje nasledujúce metódy a technológie:

• Základy metalurgie - história a moderné spôsoby výroby kovových zliatin. Výroba ocele a liatiny v moderných vysokých peciach. Odlievanie ocele a liatiny, spôsoby zvyšovania kvality hutníckych výrobkov. Klasifikácia a označovanie ocele, jej technické a fyzikálne vlastnosti. Tavenie neželezných kovov a ich zliatin, výroba hliníka, medi, titánu a iných neželezných kovov. Zariadenie použité v tomto prípade.

Moderný vývoj materiálovej vedy

V poslednej dobe dostala materiálová veda silný impulz pre rozvoj. Potreba nových materiálov prinútila vedcov uvažovať o získavaní čistých a ultračistých kovov, prebiehajú práce na vytváraní rôznych surovín podľa pôvodne vypočítaných charakteristík. Moderná technológia konštrukčných materiálov naznačuje použitie nových látok namiesto štandardných kovových. Väčšia pozornosť sa venuje používaniu plastov, keramiky a kompozitných materiálov, ktoré majú pevnostné parametre kompatibilné s kovovými výrobkami, ale nemajú svoje nevýhody.

Absolventovi bakalárskeho štúdia v odbore 050710 – Náuka o materiáloch a technológia nových materiálov sa udeľuje akademický titul bakalár materiálovej vedy a technológie nových materiálov.
Kvalifikácia a funkcie sa určujú v súlade s „Kvalifikačným zoznamom pozícií vedúcich, odborných a ostatných zamestnancov“, schváleným vyhláškou MPSVaR z 22. novembra 2002 č. 273-P.
Kvalifikácia a pozície:
- tepelný technológ;
- chemický technológ;
- laborant a pod.

Kvalifikačné charakteristiky bakalára špecializácie 050710 - Náuka o materiáloch a technológia nových materiálov

Oblasť odbornej činnosti
Špecialisti, ktorí ukončili bakalárske štúdium, vykonávajú výrobné, technologické a organizačné práce v priemyselných podnikoch a tiež vykonávajú experimentálne a výskumné práce na štúdium štruktúry a vlastností materiálov.
Predmety odbornej činnosti
Predmetom odbornej činnosti absolventov sú železiarne a neželezné metalurgické závody, strojárske a prístrojové závody, chemické výrobné závody, priemyselné výskumné a projektové ústavy, laboratóriá, vysoké a stredné odborné vzdelávacie inštitúcie.
Predmety odbornej činnosti
Medzi predmety odbornej činnosti patria: výrobné technologické zariadenia, inštalácie a prístroje určené na štúdium štruktúry a vlastností materiálov, technológie získavania a spracovania nových materiálov, ako aj hotových výrobkov z nich.
Druhy odborných činností
Bakalári v odbore 050710 – Náuka o materiáloch a technológia nových materiálov môžu vykonávať tieto druhy odborných činností:
- výrobné a technologické;
- organizačný a riadiaci;
- výpočet a návrh;
- inštalácia a uvedenie do prevádzky;
- experimentálny výskum.
Funkcie odbornej činnosti
Medzi funkcie odbornej činnosti patrí: organizácia a riadenie výroby, kontrola realizácie technologických procesov, kontrola kvality materiálov, rozbor environmentálnych a ekonomických ukazovateľov prevádzky výrobných miest. Zdokonaľovanie technologických postupov získavania a spracovania materiálov.
Typické úlohy profesionálnej činnosti:
- štúdium chemického a fázového zloženia, štruktúry a vlastností materiálov;
- získavanie nových materiálov, vývoj technológií na ich tepelné a chemicko-tepelné spracovanie, tlakové spracovanie a ich zavádzanie do výroby;
- štúdium návrhu a prevádzky technologických zariadení, inštalácií a prístrojov;
- vytvorenie základov nových technologických postupov získavania materiálov a ich spracovania, implementácia do výroby.
Oblasti profesionálnej činnosti:
- organizačná a manažérska práca;
- výrobné a technologické práce;
- experimentálne výskumné práce;
- výpočtové a projekčné práce.
Obsah odbornej činnosti
- štúdium štruktúry a vlastností materiálov. Vytváranie pokročilých technológií na získavanie a spracovanie nových materiálov;
- vytváranie výrobných zariadení na výrobu hotových výrobkov, ktoré spĺňajú kvalitatívne požiadavky trhového hospodárstva, a optimálna štruktúra ich riadenia;
- analýza práce výrobných oblastí podnikov na získavanie materiálov, hotových výrobkov a ich spracovanie, zavádzanie do výroby výdobytkov vedy a techniky, metódy získavania a spracovania nových materiálov;
- analýza technických možností výrobných závodov a zariadení;
- vypracovanie technologických schém, technických návodov, máp trás a inej technickej dokumentácie potrebnej na podporu nových technologických procesov;
- analýza ekonomických a environmentálnych problémov pri výrobe materiálov;
- zvládnutie teórie a praxe materiálovej vedy, schopnosť aplikovať v praxi metódy štúdia štruktúry a vlastností materiálov;
- ovládanie moderných fyzikálnych metód používaných v materiálovej vede. Poznať štruktúru a prevádzku moderných zložitých fyzických zariadení a inštalácií;
- tvorba matematických modelov štruktúry a vlastností materiálov, ako aj technológií ich spracovania.
Požiadavky na kľúčové kompetencie bakalára v odbore 050710 – Náuka o materiáloch a technológia nových materiálov
Bakalár v odbore 050710 – Náuka o materiáloch a technológia nových materiálov musí:
vedieť:
- o vzťahu medzi fázovým zložením, štruktúrou a vlastnosťami materiálov, technologickými postupmi, návrhom a prevádzkou vedeckých a technologických prístrojov a zariadení;
mať nápad:
- o základoch materiálovej vedy, o hlavných smeroch jej vývoja a úspechoch vedy a techniky v tejto oblasti;
byť schopný:
- aplikovať v praxi metódy štúdia štruktúry a vlastností materiálov;
mať zručnosti:
- vykonávanie prác na získavaní nových materiálov a ich spracovaní, matematické spracovanie výsledkov vedeckého výskumu, zostavovanie technologických máp;
byť kompetentný:
- vo veciach technickej a environmentálnej bezpečnosti, ochrany ľudského života, právnych noriem a ekonomických problémov.

Všeobecné vzdelávacie disciplíny
Požadovaný komponent
História Kazachstanu
Kazašský (ruský) jazyk
Cudzí jazyk
Počítačová veda
Ekológia
filozofia
Komponent podľa výberu

Základné disciplíny
Požadovaný komponent
Matematika I
Matematika II
Fyzika 1
fyzika 2
Chémia
Fyzikálna a koloidná chémia
Elektrotechnika
Deskriptívna geometria a inžinierska grafika
Časti strojov
Náuka o fyzikálnych materiáloch
Normalizácia, metrológia a certifikácia
Fyzikálne vlastnosti materiálov
Mechanické vlastnosti materiálov
Rádiografia
Komponent podľa výberu

Hlavné disciplíny
Požadovaný komponent
Ochrana práce a bezpečnosť života
Ekonomika a organizácia výroby
Nové materiály
Technologické postupy výroby materiálov
Technologické zariadenia na výrobu materiálov
Výrobný dizajn
Veda výberu materiálu
Komponent podľa výberu

Ďalšie typy školení
Telesná kultúra
Prax
Vzdelávacie
Stáž
Preddiplom

Stredná štátna kontrola PGK
Záverečná štátna certifikácia
1) Písanie a obhajoba diplomovej práce (projektu).
2) Štátne skúšky v odbore (disciplíne)

Zoznam univerzít prijímajúcich študentov v odbore 050710 – Náuka o materiáloch a technológia nových materiálov