МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ К.И.САТПАЕВА
Институт машиностроения
Кафедра «Станкостроение, материаловедение и технология
машиностроительного производства»
«УТВЕРЖДАЮ»
директор института промышленной инженерии
им. А.Буркитбаева
_________________А.Т. Турдалиев
«___»___________________ 2013г.
ПРОГРАММА КУРСА (SYLLABUS)
По дисциплине «Материалы со специальными свойствами»
для специальности 5В071000-«Материаловедение и технология новых
материалов»
Всего: Кредита 3
Курс 3
Семестр 6
Лекций 30 часов
Практические занятия – 15 часов
Рубежный контроль (количество) - 2
СРС – 45
СРСП (аудиторных) – 45
Всего аудиторных часов - 60
Всего внеаудиторных часов – 75
Трудоемкость – 135
Экзамен – 6 семестр
Алматы 2013
Программа курса составлена старшим преподавателем, канд. техн. наук Дегтяревой А.С.
Типовая учебная программа от 04.08.03. приказ № 528 Министерства образования и науки РК
Рассмотрена на заседании кафедры «Станкостроение, материаловедение и технология
машиностроительного производства»
«»_
2013 г. Протокол №
Зав. кафедрой ____________________ Сейткулов А.Р.
Одобрено методическим Советом института машиностроения«
« »
2013 г. Протокол №
Председатель _____________________ А.Т. Турдалиев
Сведения о преподавателе:
Старший преподаватель, кандидат технических наук Дегтярева А.С. – закончила Казахский Государственный университет им. С.М. Кирова по специальности " Физика твердого
тела. Преподаватель физики". В 1987 г. в Ленинградском политехническом институте защитила кандидатскую диссертацию по специальности " Металловедение и термическая обработка металлов". В течение 25 лет работала в системе Академии наук в области металловедения и
материаловедения. Общий научно-педагогический стаж составляет более 30 лет, в том числе
около 10 лет в КазНТУ им. К.И. Сатпаева.
Офис: кафедры ИМС – 207
Адрес: г. Алматы ул. Сатпаева 22
Тел.: 257-71-68
2
1 Структура рабочей программы (SYLLABUS)
1.1 Цели и задачи дисциплины
Цель дисциплины состоит в изучении основных классов конструкционных материалов с
особыми (специальными) свойствами, методов и способов их получения с использованием
различных механизмов воздействия на структурные и фазовые превращения в металлах и
сплавах. Назначение дисциплины состоит в обучении студентов основам научнопрактического подхода к решению вопросов создания материалов с заданным комплексом
физико-механических и эксплуатационных свойств.
1.2 Задачи изучения дисциплины
Задачи дисциплины заключаются в приобретении знаний по теоретическим основам
формирования и технологии получения особых или специальных свойств в металлических
материалах различного назначения с позиций регулирования их физико-химических свойств,
методов и режимов обработки для использования ее базовых положений в профилирующих и
специальных курсах по материаловедению, термической и химико-термической обработке,
порошковой металлургии и др.
1.3 Пререквизиты: Физика, математика, химия, теория термической и химикотермической обработки, атомное и космическое материаловедение, физика прочности и пластичности.
1.4 Постреквизиты: Научные основы выбора материалов, принципы планирования эксперимента и проведения НИР, высокопрочные материалы.
2 Система оценки знаний
Распределение рейтинговых баллов по видам контроля
Вид итогового конВиды контроля
Проценты
троля
Итоговый контроль
100
Экзамен
Рубежный контроль
100
Текущий контроль
100
№ вариантов
1
Календарный график сдачи всех видов контроля
по дисциплине «Материалы со специальными свойствами»
Недели
Виды
контроля
Кол-во
1
П1
2
П1
3
П2
4
П2
5
П2
1
1
1
1
1
6
7
8
П3 П3 П4
РК
1
1
1
9
П4
10
П5
11
П5
12
П6
13
П6
14
П7
1
1
1
1
1
1
15
П7
РК
1
Виды контроля: П – практические занятия; РК - рубежный контроль.
Студент допускается к сдаче итогового контроля при наличии суммарного рейтингового
балла ≥ 30. Итоговый контроль считается сданным в случае набора ≥ 20 баллов. Итоговая
оценка по дисциплине определяется по шкале (таблица 2).
Оценка
Отлично
Хорошо
Удовлетворительно
Оценка занятий студентов
Буквенный эквиваРейтинговый балл
лент
( в процентах % )
А
95-100
А90-94
В+
85-89
В
80-84
В75-79
С+
70-74
3
В баллах
4
3,67
3,33
3,0
2,67
2,33
Неудовлетворительно
С
СD+
D
F
65-69
60-64
55-59
50-54
0-49
2,0
1,67
1,33
1,0
0
3 Содержание дисциплины
3.1 Распределение часов по видам занятий
Лекции
Наименование темы разделов дисциплины
1
1
2
3
4
5
6
7
2
Предмет, цели и задачи дисциплины. Роль материаловедения в научно-техническом прогрессе машиностроения и приборостроения. Общая характеристика и классификация материалов с особыми (специальными) свойствами.
Упругие свойства материалов и их характеристики. Физический смысл модулей упругости.
Применение модулей упругости для решения
материаловедческих задач. Пружинные материалы машиностроения и приборостроения.
Способы повышения упругих свойств, роль
легирующих элементов
Эффект памяти формы. Общие сведения. Виды мартенситных превращений. Термодинамика и кристаллография мартенситного превращения. Мартенситное превращение и изменение формы. Термоупругость и псевдоупругость.
Сплавы системы Ti-Ni (нитинол) с эффектом
памяти формы. Кристаллическая структура
мартенситной фазы и характер мартенситного превращения. Влияние легирующих элементов на мартенситное превращение
Сплавы с эффектом памяти формы на основе
меди. Классификация и свойства медных
сплавов с ЭПФ и их связь с диаграммами состояния бинарных систем. Деформационное
поведение и стабильность ЭПФ в сплавах на
основе меди
Общая характеристика и механизмы высокого
демпфирования. Амплитудно-зависимое и амплитудно-независимое демпфирование. Основные группы сплавов высокого демпфирования
Упруго-двойникующиеся сплавы на основе
магния и Мn – Сu, микроструктура и свойства.
Демпфирующая способность медно-марганцевых сплавов
4
3
2
2
Практические
занятия
4
СРСП
5
3
6
3
2
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
2
2
2
2
2
2
2
СРС
8
9
10
11
12
13
14
15
Жаропрочность. Общая характеристика и принципы упрочнения. Влияние состава и структуры на жаропрочность. Способы оценки жаропрочности. Принципы выбора жаропрочных
сплавов.
Сплавы с особыми тепловыми свойствами.
Инварные и элинварные сплавы. Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения. Сплавы с заданным температурным коэффициентом модуля упругости. Состав, термообработка, применение
Жаростойкость чистых металлов и сплавов.
Общая характеристика процессов окисления.
Принципы создания жаростойких материалов.
Жаростойкость железа и сталей
Кислотостойкость. Общая характеристика
кислотостойких материалов. Кислотостойкая
сталь. Кислотостойкость сплавов к действию
различных кислот. Кислотостойкость сплавов
хастеллой и тугоплавких металлов
Радиационно-стойкие материалы. Радиационная стойкость. Виды излучений и вызываемые
ими повреждения. Эффекты радиационного
воздействия. Влияние облучения на структуру, физико-механические свойства и коррозионную стойкость материалов
Материалы с особыми магнитными свойствами. Основные магнитные характеристики металлов. Влияние легирования на магнитные
свойства. Магнитнотвердые стали и сплавы
Магнитномягкие сплавы. Принципы формирования магнитномягких материалов (МММ).
Железоникелевые сплавы (пермаллои)
Сверхпроводимость. Физические основы проявления сверхпроводимости. Сверхпроводящие материалы
Всего ( часов)
2
2
2
2
3
2
2
2
2
2
2
2
30
15
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
45
45
3.2 Содержание практических занятий
1 Построение температурной зависимости модуля упругости тугоплавких металлов и
определение интервала рабочих температур
2 Определение практической жидкотекучести чистых металлов, литейных и деформируемых сплавов на их основе
3 Определение склонности металлов и сплавов к газонасыщению и деформационному
упрочнению при литье и пластической деформации
4 Оценка демпфирующей способности металлов и сплавов в различных состояниях
акустическим методом
5 Определение степени термического разупрочнения (жаропрочности) чистых металлов, сплавов на основе черных и цветных металлов
6 Оценка жаростойкости чистых металлов и сплавов на их основе методом взвешивания
5
7 Определение кислотостойкости сплавов цветных и черных металлов в растворах
концентрированных и разбавленных кислот
3.3 Содержание самостоятельной работы студентов (СРС)
1 Использование сплавов системы Ti-Ni в механических и электрических соединениях.
Рассмотреть принцип работы сплавов с ЭПФ в контактных соединениях гнездо-штеккер.
Привести схематическое изображение контактных соединений. Проанализировать баланс сил
при реализации прямого и обратного мартенситного превращения в условиях эксплуатации
контактного соединения.
2 Тепловые двигатели из нитинола. Ознакомиться с принципами преобразования низкотемпературной тепловой энергии в механическую с использованием в качестве рабочего
тела материалов, обладающих ЭПФ. Привести кинематическую схему двигателя Бэнкса и
описать работу конструктивных элементов из нитинола.
3 Применение эффекта памяти формы в медицине. Описать особенности использования металлических материалов в медицине и сформулировать основные требования к биологически совместимым материалам. Привести графические зависимости силовых характеристик работы материалов с ЭПФ в суставных сочленения костных тканей.
4 Механизм затухания колебаний в чугунах. Ознакомиться с механизмом затухания
колебаний и влиянием формы графитных включений в реализации процессов высокого демпфирования. Рассмотреть акустические свойства чугуна и их связь смеханическими свойствами.
5 Основные экспериментальные методы и приборы определения демпфирующей способности. Привести краткую характеристику основных методов исследования и провести сопоставительный анализ их достоинств и недостатков. Описать принцип действия прибора для
определения демпфирующей способности конструкции.
6 Ферромагнитные металлы и процесс затухания колебаний в них. Дать краткую характеристику природных ферромагнетиков и охарактеризовать возможности применения магнитомеханических колебаний для изучения природы магнитного превращения и влияния на него
разных факторов.
7 Диаграммы состояний основных систем сплавов нимоник. Привести диаграммы состояний базовых двойных систем на основе никеля и описать основные температурноконцентрационные области образования γ-фазы. Проанализировать влияние третьего компонента на процессы распада и жаропрочность тройных сплавов.
8 Применение сплавов нимоник в авиации, турбостроении. приборостоении. Сформулировать их достоинства и недостатки по сравнению со сталями и обосновать целесообразность выбора в качестве основного конструкционного материала сплавов нимоник.
9 Коррозионная стойкость сплавов типа нимоник. Рассмотреть преимущества использования сплавов нимоник для работы в различных агрессивных средах при повышенных температурах по сравнению с коррозионностойкими и жаростойкими сталями. Выделить ограничительные фактора их химической стабильности.
10 Жаропрочные молибденовые сплавы, структура, свойства применение. Рассмотреть
влияние легирующих элементов на повышение жаропрочности и оценить возможности повышения жаростойкости.
11 Жаропрочные сплавы на основе тантала, резервы и перспективы повышения
свойств. Ознакомиться с особенностями взаимодействия тантала с легирующими элементами
для создания жаропрочных высокотехнологичных сплавов для новой техники. Привести соответствующий графический материал.
12 Жаропрочные вольфрамовые сплавы, структура, свойства, области применения.
Рассмотреть основные факторы, влияющие на механические и технологические свойства
вольфрама. Обосновать перспективные направления повышения их жаропрочности.
13 Ниобий и его сплавы, перспективы применения в электронике и ядерной энергетике.
Проанализировать перспективные направления повышения жаропрочных и сверхпроводящих
6
свойств ниобиевых сплавов. Обосновать роль легирующих элементов в улучшении свойств
сплавов на основе ниобия.
14 Сплавы на основе хрома – проблемные материалы современного машиностроения.
Ознакомиться проблемой повышения технологичности чистого хрома и его сплавов, приемами специального легирования и перспективами разработки жаропрочных деформируемых
хромовых сплавов.
15 Практическое применение сверхпроводящих материалов в новой технике. Проработать вопросы использования сверхпроводников в ядерной энергетике, магнитогидродинамических генераторах, управляемых термоядерных реакциях с позиций конструкционного материала с уникальными свойствами.
3.4 Содержание самостоятельной работы студентов под руководством преподавателя (СРСП)
1 Технологические аспекты проектирования деталей из материалов с эффектом памяти
формы. Ознакомиться с методикой расчета спиральных пружин и построения кривых зависимости напряжение-деформация. Сформулировать основные проблемы соединения обычных
материалов и материалов с ЭПФ.
2 Круговой эффект памяти формы в сплавах Ni-Ti. Влияние старения на ЭПФ и мартенситное превращение. Рассмотреть влияние разных факторов на степень восста-новления
формы и сформулировать оптимальные режимы температурно-силового воздействия на мартенситное превращение.
3 Пластичность превращения при диффузионном распаде мартенсита в сталях. Физические
модели
пластичности
превращения.
Проанализировать
температурноконцентрационные параметры проявления сверхпластичности в сплавах разных систем. Сделать обоснованные выводы.
4 Материалы с особыми электрическими свойствами. Высоко- и низкотемпературные
припои. Ознакомиться с принципами создания припойных материалов. Требования к припоям. Виды пайки.
5 Технологические проблемы производства медно-марганцевых сплавов. Ознакомиться
с технологическими особенностями поведения марганца при литье и способами усовершенствования технологического цикла получения медномарганцевых сплавов.
6 Демпфирующие свойства сплавов на основе алюминия. Провести сопоставительный
анализ проявления демпфирующих свойств алюминия и магния и возможностей их инициирования в разных системах сплавов.
7 Сплавы с особыми литейными свойствами Перспективы развития литейных технологий. Ознакомиться с передовыми технологиями литейного производства труднодеформируемых сплавов, задачами и проблемами повышения их качества.
8 Основы легирования жаропрочных сплавов. Выбор основы сплава и легирующих
элементов в двойных и многокомпонентных сплавах. Рассмотреть основные положения принципа создания жаропрочных материалов. Проанализировать роль структуры и легирующих
комплексов в повышении жаропрочности.
9 Проблемы и перспективы производства литейных сплавов нимоник Ознакомиться с
технологическим циклом получения литейных сплавов нимоник, ограничительными параметрами их применения и путями совершенствования технологии литья.
10 Влияние режимов термообработки на особенности дисперсионного упрочнения и
жаропрочность сплавов нимоник. Ознакомиться с закономерностями образования карбидов
хрома и механизмом дисперсионного твердения в сплавах нимоник.
11 Литые, порошковые и деформируемые магнитно-твердые материалы. Ферриты и
соединения РЗМ. Провести сопоставительный анализ новых классов магнитнотвердых материалов с традиционными ферромагнетиками. Сделать обоснованные выводы.
12 Материалы с особыми электрическими свойствами. Проводники, полупроводники,
диэлектрики. Ознакомиться с особенностями электрических свойств проводников, полупро7
водников и диэлектриков с позиций зонной теории твердых тел. Сформулировать основные
требования по определяющим параметрам эксплуатационных свойств.
13 Сплавы высокого демпфирования с магнитомеханическим рассеянием энергии. Рассмотреть особенности демпфирования и рассеяния энергии в ферромагнитных материалах,
связанное с магнитомеханическим гистерезисом.
14 Хладостойкие материалы криогенной техники и открытого космоса. Ознакомиться с
основной группой хладостойких материалов и комплексом мер для предотвращения хрупкого
разрушения при сверхнизких температурах эксплуатации материалов и конструкций.
15 Сверхчистые материалы как особое состояние вещества. Методы получения и
очистки. Рассмотреть кристаллофизические методы получения сверхчистых материалов, привести принципиальные схемы методов выращивания и очистки. Сопоставить свойства металлов технической чистоты и сверхчистых.
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Дата
График проведения занятий
Время
Наименование тем
Лекции
Предмет, цели и задачи дисциплины. Роль материаловедения в
научно-техническом прогрессе машиностроения и приборостроения. Общая характеристика и классификация материалов с
особыми (специальными) свойствами.
Упругие свойства материалов и их характеристики. Физический
смысл модулей упругости. Применение модулей упругости для
решения материаловедческих задач. Пружинные материалы
машиностроения и приборостроения. Способы повышения
упругих свойств, роль легирующих элементов
Эффект памяти формы. Общие сведения. Виды мартенситных
превращений. Термодинамика и кристаллография мартенситного превращения. Мартенситное превращение и изменение формы. Термоупругость и псевдоупругость
ЭПФ и псевдоупругость мартенситного превращения Сплавы
системы Ti-Ni (нитинол) с эффектом памяти формы. Кристаллическая структура мартенситной фазы и характер мартенситного превращения. Влияние легирующих элементов на
мартенситное превращение
Сплавы с эффектом памяти формы на основе меди. Классификация и свойства медных сплавов с ЭПФ и их связь с диаграммами состояния бинарных систем. Деформационное поведение
и стабильность ЭПФ в сплавах на основе меди
Общая характеристика и механизмы высокого демпфирования.
Амплитудно-зависимое и амплитудно-независимое демпфирование. Основные группы сплавов высокого демпфирования
Упруго-двойникующиеся сплавы на основе магния и Мn – Сu,
микроструктура и свойства. Демпфирующая способность медно-марганцевых сплавов
Жаропрочность. Общая характеристика и принципы упрочнения. Влияние состава и структуры на жаропрочность. Способы
оценки жаропрочности. Принципы выбора жаропрочных сплавов
Сплавы с особыми тепловыми свойствами. Инварные и элинварные сплавы. Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения. Сплавы с заданныи температурным коэффициентом модуля упругости. Состав, термообработ8
ка, применение
10
11
12
13
14
15
1
2
3
4
5
6
7
Жаростойкость чистых металлов и сплавов. Общая характеристика процессов окисления. Принципы создания жаростойких
материалов. Жаростойкость железа и сталей
Кислотостойкость. Общая характеристика кислотостойких материалов. Кислотостойкая сталь. Кислотостойкость сплавов к
действию различных кислот. Кислотостойкость сплавов хастеллой и тугоплавких металлов
Радиационно-стойкие материалы. Радиационная стойкость. Виды излучений и вызываемые ими повреждения. Эффекты радиационного воздействия. Влияние облучения на структуру, физико-механические свойства и коррозионную стойкость материалов
Материалы с особыми магнитными свойствами. Основные
магнитные характеристики металлов. Влияние легирования на
магнитные свойства. Магнитнотвердые стали и сплавы
Магнитномягкие сплавы. Принципы формирования магнитномягких материалов (МММ). Железоникелевые сплавы (пермаллои)
Сверхпроводимость. Физические основы проявления сверхпроводимости. Сверхпроводящие материалы
Практические занятия
Построение температурной зависимости модуля упругости тугоплавких металлов и определение интервала рабочих температур
Определение практической жидкотекучести чистых металлов,
литейных и деформируемых сплавов на их основе
Определение склонности металлов и сплавов к газонасыщению
и деформационному упрочнению при литье и пластической деформации
Оценка демпфирующей способности металлов и сплавов в различных состояниях акустическим методом
Определение степени термического разупрочнения (жаропрочности) чистых металлов, сплавов на основе черных и цветных
металлов
Оценка жаростойкости чистых металлов и сплавов на их основе
методом взвешивания
Определение кислотостойкости сплавов цветных и черных металлов в растворах концентрированных и разбавленных кислот
4 Учебно – методические материалы по дисциплине
Основная литература
1 Материаловедение / под ред Арзамасова Б.Н. – М.: Машиностроение, 1986. - 384 с.
2 Гуляев А.П. Металловедение – М.: Металлургия, 1977. - 647 с.
3 Сплавы с эффектом памяти формы – М.: Металлургия, 1990. – 224 с.
4 Фавстов Ю.К., Шульга Ю.Н., Рахштадт А.Г. Металловедение высокодемпфирующих
сплавов – М.: Металлургия, 1980. – 272 с.
5 Захаров М.В., Захаров А.М. Жаропрочные сплавы – М.: Металлургия, 1972. – 384 с.
6 Савицкий Е.М., Барон В.В., Ефимов Ю.В. и др. Металловедение сверхпроводящих
материалов. – М.: Наука, 1969. – 265 с.
Дополнительная литература
9
1 Рахштадт А.Г. Пружинные стали и сплавы – М.: Металлургия , 1971. – 495 с.
2 Эффект памяти формы- М.: Металлургия, 1979. –472 с.
3 В.А Лихачев, С.Л. Кузьмин, З.П. Каменцева Эффект памяти формы – Л.: ЛГУ, 1987. –
216 с.
4 Фавстов Ю.К., Шульга Ю.Н. Сплавы с высокими демпфирующими свойствами – М.:
Металлургия, 1973.- 256 с.
5 Беттеридж У. Жаропрочные сплавы типа нимоник – М.: ГНТИ, 1961. – 381 с.
6 Вульф Б.К., Ромадин К.П. Авиационное материаловедение.- М.: Машиностроение,
1967. – 391 с.
7 Гуляев Б.Б. Теория литейных процессов – Л.: Машиностроение, 1976. – 216 с.
8 Испытания материалов. Справочник. – М.: Металлургия, 1979, 448 с.
9 Научные журналы: Физика металлов и материаловедение, Цветные металлы, Металловедение и термообработка, Расплавы, Физика прочности и пластичности и др., Интернет
сайты.
10
Содержание
1.
2
3
4
Структура рабочей программы (SYLLABUS)
Система оценки знаний
Содержание дисциплины
Учебно-методические материалы по дисциплине
11
3
3
4
8
РЕЦЕНЗИЯ
на учебно-методический комплекс дисциплины «Материалы со специальными свойствами» по специальности 050710 – «Материаловедение и технология новых материалов»
Учебно-методический комплекс дисциплины «Материалы со специальными свойствами»включает в себя все разделы, необходимые для ознакомления студентов специальности
050710 с основами разработки конструкционных материалов с особыми или специальными
свойствами. УМК включает конспект лекционных занятий объемом 30 часов, 7 тем практических занятий(15 часов), темы самостоятельных работ студентов и под руководством преподавателя, контрольные и экзаменационные вопросы, глоссарий из 56 наименований.
Темы лекционных занятий охватывают основные положения и понятия физикохимической природы специальных свойств конструкционных и функциональных материалов,
включая фундаментальные представления об эффекте памяти формы (ЭПФ), демпфировании,
жаропрочности, жаростойкости и радиационной стойкости. Рассмотрены также вопросы разработки материалов с особыми упругими и магнитными свойствами. Описана концепция механизмов формирования требуемых свойств с позиций получения определенного структурного состояния с помощью легирования, термической и химико-термической обработки. Изложены классификационные признаки физических и химических свойств материалов, которые
лежат в основе реализации особых технологических и эксплуатационных свойств конструкционных материалов различного назначения. Важное место в Курск лекций занимают демпфирующие материалы и материалы с эффектом памяти формы, которые обычно для машиностроительных являлись факультативными.
Темы практических занятий сформулированы таким образом, чтобы расширить объем
лекционного курса, закрепить теоретические знания и получить навыки проведения научноинженерного эксперимента, расчета его нормирующих параметров. Анализа полученных результатов, их обобщения и выводов.
Объем УМК составляет 101 страницы. Используемая литература включает 6 основных и
9 дополнительных наименований.
Считаю, что УМК по дисциплине «Материалы со специальными свойствами» соответствует всем требованиям Государственного общеобразовательного стандарта высшего профессионального образования и может быть рекомендован к изданию.
Профессор кафедры ММиО
Канд. хим. наук
Г.Г. Курапов
12