Методика обучения по дисциплине "Материаловедение"

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Курсовая работа

Методика обучения по дисциплине «Материаловедение»



Введение

Объем современного материаловедения чрезвычайно велик и охватывает все области техники и производства. Любая технология начинается с решения ряда материаловедческих задач: установления критериев выбора материалов с учетом назначения изделия и реальных условий его производства, определения допустимых параметров и режимов обработки материалов. Только на основе глубоких и всесторонних знаний строения и свойств материалов можно разработать современную технологию, изготавливать изделия высокого качества.

Успехи в развитии химии, физики, математики и других фундаментальных наук, создание современных и высокоточных средств измерительной техники существенно обогащают материаловедение и создают условия для постоянного развития этой прикладной науки. Используя современные средства анализа структуры и измерения свойств, материаловеды расширяют свои познания о материалах, открывают новые их качественные стороны, выдают обоснованные рекомендации по рациональному использованию существующих материалов и разрабатывают новые материалы с улучшенными свойствами.

Материаловедение играет важную роль в решении задач, связанных с улучшением качества выпускаемых изделий, снижением материалоемкости продукции - одних из главных экономических задач.

Цель работы: раскрытие содержания учебного материала, организации и технологии обучения.

Задачи работы:

1. Распределить объем часов учебной дисциплины по темам;

2. Обеспечить единый подход к разработке комплекса методических, контрольно-измерительных материалов и оценочных средств, предназначенных для определения качества результатов обучения;

3. Планировать теоретические занятия по дисциплине;

1. Характеристика дисциплины «Материаловедение» и его место в учебном процессе

Дисциплина «Материаловедение» является общепрофессиональной дисциплиной в структуре образовательной программы, относится к базовой части блока Б1. Она связана с предшествующими ей дисциплинами: «Химия», «Физика», «Математика», «Теоретическая механика». Является предшествующей для изучения следующих дисциплин: «Технология конструкционных материалов», «Металлорежущие станки», «Процессы формообразования и инструмент», «Металлорежущие станки», «Монтаж оборудования», «Технологические основы обеспечения качества изделий в машиностроении». Приобретённые знания будут непосредственно использованы студентами при изучении последующих дисциплин, прохождении производственной практики, написании выпускных квалификационных работ.

Индекс

Наименование

Семестр 2

Контроль

Всего

Часов

ЗЕТ

Каф.

Курсы

Контакт. р. (по уч.зан.)

Всего

Лек

Лаб

Пр

КСР

СР

Контроль

Б1. Б.3.6

Материало-ведение

Экз

144

26

8

4

8

6

109

9

4

45

1

1.1 Лабораторная работа №1. Механические свойства металлов

1. Цель работы: ознакомление с оборудованием и методами определения механических свойств металлов.

2. Теоретическая часть

Испытания, в том числе и механические, проводятся, для того чтобы установить свойства материалов. В зависимости от свойств решается вопрос использования их в судостроении, судоремонте или другой области.

Механические свойства определяют сопротивление металлов и сплавов воздействию механических усилий, которые могут прилагаться к исследуемому материалу различными способами.

Механические испытания в зависимости от вида прилагаемой нагрузки (нагрузка возрастает медленно и плавно; нагрузка носит ударный характер; нагрузка переменная и др.) могут быть статическими, динамическими, усталостными и др.

При статических испытаниях - растяжение, сжатие, изгиб и др. определяют поведение материалов при плавно возрастающей нагрузке.

Например, при испытаниях на растяжение устанавливают прочностные и пластические свойства материалов.

При динамических испытаниях (например, испытания на ударный изгиб) выявляют склонность металла к хрупкому разрушению, которое оценивается ударной вязкостью. Скорость деформирования металла при динамических испытаниях значительно выше, чем при статических.

Длительное воздействие переменных (циклических) нагрузок может вызывать образование трещин и разрушение металлических деталей при напряжениях ниже предела текучести.

Постепенное накопление повреждений в металле под воздействием циклических нагрузок, приводящих к образованию трещин и разрушению, называют усталостью, а свойства металлов сопротивляться усталости - выносливостью.

Примеры механических испытаний: на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, на твердость, на ударную вязкость и др.

Примеры механических свойств: прочность, пластичность, твердость, ударная вязкость, выносливость и др.

Задание по лабораторной работе

Ознакомиться с принципом работы каждого прибора и установки.

Самостоятельно выполнить экспериментальную часть по определению прочности, ударной вязкости и твердости.

Произвести необходимые расчеты, после чего полученные результаты внести в протокол испытаний (форма прилагается).

Для усвоения программного материала выполнить следующие 3 опыта, которые должны быть оформлены как отчет о работе.

Испытание на растяжение. При испытании на растяжение определяют прочность и пластичность материалов. Под прочностью понимают способность тела сопротивляться деформациям и разрушению. Под пластичностью понимают способность тела к пластической деформации, т.е. способность получать остаточные изменения формы и размеров без нарушений сплошности.

Материальное обеспечение опыта

Оборудование: разрывная машина для испытания металлов на растяжение типа МР-05-1.

Инструмент: молоток, чертилка, масштабная линейка, штангенциркуль.

Образцы: плоские (нестандартные) из стали.

Плакат, на котором показана конструкция разрывной машины и диаграмма растяжения пластичного материала.

1.2 Определение прочности и пластичности при растяжении

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под воздействием приложенных сил [1].

Под действием внешних сил при растяжении в испытуемом образце возникают напряжения - усилия, приходящиеся на единицу площади поперечного сечения образца. Понятие ''напряжение'' введено для оценки величины нагрузки, независящей от размеров формируемого тела [1].

Деформация, полностью исчезающая после прекращения действия (снятия) вызвавших ее напряжений, называется упругой [2].

Деформация, остающаяся после прекращения действия вызвавших ее напряжений, называется пластической или остаточной [2].

Напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения, называется пределом прочности (временное сопротивление разрыву) и рассчитывается как:

уВ = ,

где PВ - максимальная нагрузка, которую выдерживает образец до разрушения, КГС;

FO - начальная площадь поперечного сечения образца, мм2.

Напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке, называется физическим пределом текучести [2] и рассчитывается по формуле:

уТ = ,

где PТ - нагрузка, при которой происходит увеличение деформации без увеличения нагрузки, КГС.

Максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию, называется теоретическим пределом упругости [2] и рассчитывается по следующему выражению:

уУП = ,

где PУП - максимальная нагрузка, до которой образец получает только упругую деформацию, кгс;

Перечисленные показатели (уВ, уТ, уУП) являются характеристиками прочности образца.

Пластичность образца оценивается такими характеристиками, как относительное удлинение и относительное сужение.

Относительное удлинение рассчитывается по формуле:

д =x100%

где и - длина образца до и после разрушения, мм.

= Д - абсолютное удлинение образца, определяемое измерением образца, после разрыва, мм.

Относительное сужение образца определяется по выражению

Ш = x100%

где и - площадь поперечного сечения образца до и после разрушения, мм2.

Рисунок 1 - Диаграмма зависимости деформации металла е от действующих напряжений у

Рисунок 2 - Диаграмма растяжения: а - абсолютная, б - относительная; в - схема определения условного предела текучести

Рисунок 3 - Истинная диаграмма растяжения

1.3 Порядок выполнения работы

Отметить на плоском образце чертилкой длину = 100 мм и определить поперечное сечение испытуемого образца (a, в мм2).

Закрепить образец в захватах разрывной машины. Подключить привод разрывной машины в электрическую сеть. Кнопкой «пуск» включить машину на разрыв исследуемого образца. По внутренней шкале прибора зафиксировать приложенную нагрузку максимальную . Замерить длину образца после разрыва. По вышеуказанным формулам подсчитать характеристики прочности и пластичности исследуемого материала. Результаты исследований и расчетные данные занести в протокол испытаний. Обработка результата. Результаты исследований и расчетные данные занести в протокол испытаний:

Протокол испытаний

№№ пп	?о	?к	Д?ост	д	б	b	Fо	Pв	ув
	мм	мм	мм	%	мм	мм	мм2	кгс	Кгс/ мм2

организация технология учебный дидактический материаловедение



2. Содержание темы «Диаграммы состояния двойных сплавов»

Диаграмма состояния представляет собой графическую зависимость состояния сплавов данной системы от их концентрации (химического состава) и температуры. По ней можно установить, какие превращения происходят в сплавах при нагреве и охлаждении, определить, при каких температурах произойдет затвердевание.

Диаграммы состояния строят экспериментальным путем на основе результатов термического анализа, изучения структур сплавов в твердом состоянии, по результатам физических методов исследований.

2.1 Лабораторная работа №2. Диаграммы состояния и термическая обработка сплавов

Цель работы:

1. Изучить основные разновидности диаграмм состояния двойных сплавов.

2. Научиться определять по диаграмме состояния возможность проведения термической обработки сплавов, их упрочнения.

Порядок выполнения работы

Прочитайте внимательно основные сведения о диаграммах состояния сплавов, о возможностях термической обработки сплавов, особенно с целью упрочнения.

Выполните все пункты задания на карточке (по указанию преподавателя). Проанализируйте полученный материал и сделайте выводы о возможностях использования диаграмм состояния для практической работы со сплавами.

Поясните, какие сплавы металлических систем могут подвергаться упрочняющей термической обработке.



2.2 Основные положения

Для практической работы с двойными сплавами необходимо знать их структуру, возможность ее изменения с изменением температуры и состава сплава и, таким образом, судить о свойствах сплавов и о возможностях изменения свойств в нужном направлении. Необходимость изменить структуру и свойства сплавов может возникнуть, если при получении детали методом литья произошла внутрикристаллическая ликвация, если нужно упрочнить сплав термической обработкой, и в некоторых других случаях. Для определения возможности проведения термической обработки и назначения ее температурного режима нужно знать закономерности изменения фазового состава в зависимости от температуры и химического состава сплава в данной системе. Графическая зависимость, содержащая эту информацию, и является диаграммой состояния. Диаграммы состояния позволяют получать разностороннюю информацию о сплавах. С их помощью можно судить о литейных свойствах сплавов и, соответственно, о возможности получения из них отливок, о склонности сплавов к внутрикристаллической ликвации и ликвации по удельному весу при кристаллизации, о пластичности различных сплавов и возможности их пластического деформирования при изготовлении изделий.

Чаще всего для построения диаграмм состояния металлических систем используют термический анализ, основанный на том, что плавление, кристаллизация и все структурные изменения сплавов в твердом состоянии происходят с тепловыми эффектами (с поглощением или выделением тепла). Следовательно, снимая кривые нагрева или охлаждения сплавов разного состава какой-либо системы, можно зафиксировать температуры, при которых происходят те или иные изменения в структуре. Если затем эту информацию представить графически в координатах «температура - состав сплава», то получится диаграмма состояния системы.

В зависимости от характера взаимодействия компонентов в сплаве, соответствия или различия в их атомно-кристаллическом строении возможно образование различных фаз: твердых растворов, механической смеси кристаллов отдельных компонентов, химических соединений и др. Это взаимодействие описывается различными видами диаграмм состояния с разными возможностями изменения структуры и проведения термической обработки сплавов.

Основные разновидности таких диаграмм рассматриваются в общем виде ниже.

2.3 Диаграмма с полной нерастворимостью компонентов в твердом состоянии

Рис. 1

В этой системе в жидком состоянии компоненты А и В растворяются друг в друге, а в твердом не растворяются. По вертикальной оси на диаграммах всегда откладывается температура, а по горизонтальной - состав сплава в процентах. На приведенной диаграмме (рис. 1) в точке «x₁» содержится 100% компонента А, вправо от этой точки увеличивается количество компонента В в сплавах, и в точке «x₃» содержится 100% В. Точка «а» соответствует температуре плавления компонента А, а точка «c» - компонента В.

Если рассматривать диаграмму при понижении температуры (сверху вниз), то пересечение каждой линии соответствует изменению фазового состояния, строения сплавов данной системы. На рис. 1 линия abc является геометрическим местом температур начала кристаллизации сплавов и называется линией ликвидус. Выше этой линии все сплавы системы А-В находятся в жидком состоянии.

Линия dbk является геометрическим местом температур конца кристаллизации и называется линией солидус. Ниже нее все сплавы находятся в твердом состоянии. Следовательно, между линиями ликвидус и солидус сплав находится в двухфазном состоянии (и жидком, и твердом), т.е. в областях abda и bckb идут процессы кристаллизации (при охлаждении) и плавления (при нагревании).

При охлаждении из жидкого состояния на линиях ab и bc начинается процесс кристаллизации. Поскольку компоненты этой системы не растворяются друг в друге и химически не взаимодействуют, то при кристаллизации образуются кристаллы чистых компонентов. Причем, в области abda более благоприятные условия для образования в жидкости зародышей компонента А и роста из них кристаллов, а в области bckb - компонента В. Поэтому на линии ab начинается кристаллизация компонента А, а на линии bc - компонента В. При последующем понижении температуры эти процессы продолжаются до линии солидус dbk.

Точка «b» на диаграмме называется эвтектической, она принадлежит одновременно линии ab и линии bc. При кристаллизации сплава эвтектического состава (x₂) в точке «b» одновременно формируются кристаллы компонентов А и В, в результате чего образуется мелкая механическая смесь кристаллов А и В, которая называется эвтектикой. Эвтектика сохраняется в этом сплаве и при последующем охлаждении в твердом состоянии.

При кристаллизации компонентов А и В в областях abda и bckb состав оставшейся жидкости непрерывно меняется. В первом случае она обедняется компонентом А, во втором - В. Когда охлаждение доходит до линии dbk, состав оставшейся жидкости становится равным эвтектическому (x₂). Поэтому на линии dbk, так же как и в точке «b», кристаллизуется эвтектика.

В твердом состоянии (ниже линии dbk) структура доэвтектических сплавов (в интервале концентраций x₁-x₂) будет состоять из кристаллов компонента А и эвтектики, структура эвтектического сплава (состава x₂) - из одной эвтектики, структура заэвтектических сплавов (в интервале концентраций x₂-x₃) - из кристаллов компонента В и эвтектики. Дальнейшее охлаждение в твердом состоянии не приводит к каким-либо изменениям в структуре, т.к. никаких линий в нижней части диаграммы нет.

Оценим возможность термической обработки сплавов системы c полной нерастворимостью компонентов в твердом состоянии.

Термической обработкой называют изменение структуры и свойств сплавов путем нагрева их до определенной температуры, выдержки и охлаждения с необходимой скоростью. Если посмотреть на диаграмму на рис. 1, то видно, что нагрев и охлаждение сплавов данной системы в твердом состоянии не приводят к изменению структуры, а следовательно - и свойств. Это значит, что упрочняющая термическая обработка сплавов подобных систем невозможна.

2.4 Диаграмма с полной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Рис. 2

В данном случае компоненты C и D растворяются друг в друге в твердом состоянии во всем интервале концентраций (от 0 до 100%) (рис. 2). С учетом этого следует рассматривать диаграмму системы сплавов C-D. На рис. 2 точки «a» и «b» - температуры плавления (кристаллизации) компонентов C и D соответственно. Верхняя линия является линией ликвидус, следовательно, выше нее все сплавы данной системы находятся в жидком состоянии. Нижняя линия - линия солидус, ниже которой все сплавы находятся в твердом состоянии. Кристаллизация при охлаждении жидкости начинается на линии ликвидус, при этом образуются кристаллы твердого раствора C в D (или D в С), заканчивается этот процесс на линии солидус. Ниже солидуса, т.е. в твердом состоянии, структура сплавов - это кристаллы твердого раствора замещения. При дальнейшем охлаждении до комнатной температуры изменений в структуре не происходит. Поскольку нагрев и охлаждение сплавов данной системы в твердом состоянии не приводят к изменению структуры, упрочняющая термическая обработка сплавов подобных систем невозможна.

Если в процессе кристаллизации произошла внутрикристаллическая ликвация, то устранить или уменьшить неоднородность по составу в сплаве можно термической обработкой - диффузионным отжигом (или гомогенизацией). Для этого необходимо нагреть сплав до высоких температур с целью ускорения диффузионных процессов, выдержать при этих температурах достаточно длительное время (часы или десятки часов) и затем медленно охладить. Режим диффузионного отжига показан на рис. 3 (заштрихованный интервал температур).

Рис. 3



2.5 Диаграмма состояния с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии

В этой системе (рис. 4) компонент К в компоненте М в твердом состоянии не растворяется, а М в К растворяется в ограниченных количествах. Обозначим твердый раствор компонента М в К буквой . Такой твердый раствор с ограниченной растворимостью может образоваться как по типу замещения, так и по типу внедрения. При температуре t₁ в твердом растворе может раствориться x₂ компонента М, а при комнатной температуре - x₁, т.е. с понижением температуры растворимость М в твердом растворе уменьшается.

Линия abc - ликвидус диаграммы, следовательно, при более высоких температурах все сплавы данной системы будут в жидком состоянии.

Линия adbf - солидус, ниже нее сплавы находятся в твердом состоянии.

Рис. 4

При охлаждении доэвтектических сплавов (с концентрацией компонента М до x₃) в области abda будет происходить кристаллизация твердого раствора , а в заэвтектических сплавах (с концентрацией М больше x₃) в области bcfb - кристаллизация компонента М. При этом в сплавах с концентрацией М до x₂ кристаллизация заканчивается на линии аd формированием структуры, полностью состоящей из кристаллов твердого раствора , которая сохраняется и при дальнейшем охлаждении. Точка «b» на диаграмме - эвтектическая. В сплаве эвтектического состава (x₃) в точке «b» при постоянной температуре t₁ происходит кристаллизация эвтектики, которая представляет собой смесь мелких кристаллов твердого раствора и компонента М. Если проанализировать процессы, идущие при кристаллизации в областях abda и bcfb, то можно увидеть, что состав жидкости здесь непрерывно меняется, и при температуре t₁ (на линии dbf) становится эвтектическим. Таким образом, на линии dbf из жидкости эвтектического состава кристаллизуется эвтектика, сохраняющаяся в сплавах при дальнейшем охлаждении.

Линия de на диаграмме (рис. 4) показывает предельную растворимость компонента М в твердом растворе , понижающуюся с уменьшением температуры от x₂ до x₁. Поэтому при охлаждении доэвтектических сплавов ниже линии de из твердого раствора будут выделяться избыточные атомы компонента М с образованием мелких кристаллов (частиц) этого компонента. Эти частицы при медленном охлаждении будут расти, укрупняться. Точно такой же процесс будет происходить и в сплавах состава x₂-x₃. Это значит, что в них при температурах ниже линии db тоже будут выделяться частицы компонента М.

Для систем с твердыми растворами с ограниченной растворимостью компонентов, зависимой от температуры (подобных системе на рис. 4), возможна упрочняющая термическая обработка.

Сущность ее заключается в следующем. Если взять сплав состава I-I со структурой, состоящей из кристаллов и частиц М, нагреть его до температуры точки 1 (выше линии dе), выдержать при этой температуре, чтобы все частицы М растворились в твердом растворе , и быстро охладить, то компонент М не успеет выделиться из твердого раствора. После охлаждения структура сплава будет представлять собой пересыщенный твердый раствор . Этот процесс называется закалкой. При выдержке закаленного сплава при комнатной или несколько повышенной температуре из пересыщенного твердого раствора будет выделяться избыточный компонент М с образованием дисперсных (очень мелких) частиц: + М_дисп. Такой процесс называется старением (при комнатной температуре - естественное старение, а при повышенных температурах - искусственное старение).

Образующиеся при старении мелкодисперсные частицы являются эффективными препятствиями для движения дислокаций и тем самым упрочняют сплав, повышают его прочностные характеристики. Таким образом, упрочняющая термическая обработка сплавов подобных систем заключается в закалке и старении.

В реальных сплавах могут встречаться варианты, когда оба компонента ограниченно растворяются друг в друге в твердом состоянии. В этом случае в системе будет 2 твердых раствора. Пример такой диаграммы показан на рис. 5.

Рис. 5

Здесь есть твердый раствор М в N () и твердый раствор N в М (). Линии dе и ab показывают, соответственно, предельную растворимость компонентов М и N в твердых растворах и в зависимости от температуры. Сплавы такой системы также могут подвергаться упрочняющей термической обработке (закалке и старению).

Если растворимость компонента в твердом растворе не зависит от температуры, то термическая обработка (закалка) становится невозможной, т.к. нельзя получить пересыщенный твердый раствор, необходимый для образования при последующем старении дисперсной упрочняющей фазы. Пример такой диаграммы показан на рис. 6. Здесь концентрация компонента Р в твердом растворе постоянна и равна x₁.

Рис. 6

2.6 Диаграмма состояния с образованием химического соединения между компонентами

Если в процессе кристаллизации компоненты образуют устойчивое химическое соединение, то оно играет роль самостоятельного компонента в системе. С учетом этого, любую диаграмму с химическим соединением можно анализировать, разложив ее условно на более простые диаграммы, аналогичные рассмотренным выше.

На рис. 7 показана диаграмма с образованием химического соединения АmDn между компонентами А и D. Эту диаграмму условно можно разделить на 2 простых диаграммы: А-AmDn и AmDn-D (линии ликвидус abc и сdf, линии солидус kbm и ndef). Первая из них - типичная диаграмма с полной нерастворимостью компонентов в твердом состоянии, а вторая - диаграмма с ограниченной растворимостью компонентов. С учетом этого и указаны фазы в областях диаграммы на рис. 7.

В этой системе 2 эвтектики (точки «b» и «d»); одна из них - Э₁ - состоит из кристаллов А + АmDn, а другая - Э₂ - из кристаллов АmDn + . Компонент А ограниченно растворяется в D с образованием твердого раствора . Как видно из рис. 7, для сплавов в правой части системы возможна упрочняющая термическая обработка (закалка и старение).

Рис. 7

2.7 Диаграмма состояния с фазовым превращением в твердом состоянии

Если один или оба компонента при нагревании и охлаждении в твердом состоянии меняют свое кристаллическое строение, то это сказывается на виде диаграммы. На ней появляются дополнительные линии, характеризующие изменение кристаллической решетки компонентов и их взаимодействие после такого изменения с образованием новых фаз в твердом состоянии. Такая диаграмма показана на рис. 8.

Рис. 8

Для удобства рассмотрения эту диаграмму условно можно разделить на две, первая из которых - верхняя часть диаграммы, показывающая процессы, идущие при кристаллизации жидкости (сверху и до линии сdf). Это диаграмма с полной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Вторая условная диаграмма - это нижняя часть системы B-K, показывающая процессы, идущие в сплавах в твердом состоянии (ниже линии солидус ab). Это диаграмма с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

При рассмотрении этих условных простых диаграмм следует использовать знания по вышеизложенному материалу. В системе B-K имеются 2 типа твердых растворов: - твердый раствор с неограниченной растворимостью компонентов и - твердый раствор с ограниченной растворимостью компонента K в B. Предел растворимости составляет x₂ при температуре t₁ и x₁ при комнатной температуре. Отличаются эти твердые растворы кристаллическим строением.

В точке «c» происходит изменение кристаллической решетки компонента В, а в точке «f» - компонента K. При охлаждении сплавов на линии сdf начинается превращение твердого раствора в другие фазы (в связи с изменением кристаллической решетки компонентов). При этом в сплавах с концентрацией до x₃ (левая часть диаграммы) образуются кристаллы твердого раствора , а в сплавах с концентрацией K больше x₃ - кристаллы компонента K. Заканчивается это превращение на линии mdn при температуре t₁ образованием механической смеси типа эвтектической (такая смесь называется эвтектоидной) из кристаллов твердого раствора и компонента K. Линия me показывает предельную растворимость K в твердом растворе в зависимости от температуры.

Как видно из рис. 8, для сплавов таких систем можно проводить упрочняющую термическую обработку.

2.8 Задание для выполнения работы

1. Рассмотреть подробно диаграмму состояния сплава по указанию преподавателя (с анализом процессов, идущих при охлаждении или нагревании сплавов, разбором фаз, образующихся во всех областях диаграммы, объяснением значения линий на диаграмме).



3. Перспективно-тематический план по дисциплине «Материаловедение»

Тема	Всего часов	Контактная работа, в часах	Часы СРС
		Лекции	из них с применением ЭО и ДОТ	Семинары (практические занятия, коллоквиумы)	из них с применением ЭО и ДОТ	Лабораторные работы	из них с применением ЭО и ДОТ	Практикумы	из них с применением ЭО и ДОТ	КСР (консультации)
Тема 1. Основы материаловедения		1	-	1	-	-	-	-	-		2
Тема 2. Основные свойства и строение металлов.		3	2	3	2	6	2	-	-	1	8
Тема 3. Диаграмма состояния сплавов.		3	2	4	4	6	2			1,5	8
Тема 4. Железоуглеродистые сплавы.		5	1	4	1	4	2	-	-	0,5	8
Тема 5. Цветные металлы		2	1	2		-	-	-	-	-	8
Тема 6. Обработка материалов.		3	2	4		4	2	-	-	1	8
Тема 7. Неметаллические материалы		2	2	2		-	-	-	-	1	10
Всего часов		20	-	20	-	20		-	-	5	52

3.1 Лабораторная работа №3

Изучение процесса кристаллизации

Цель работы: изучить процесс кристаллизации капель раствора четырёх солей. Сравнить строение закристаллизовавшейся капли раствора нитрата свинца со строением слитка спокойной стали.

Содержание работы

Процесс образования кристаллов называется кристаллизацией. Визуальное изучение кристаллизации металлов сопряжено с техническими трудностями. Поскольку законы кристаллизации растворов солей и расплавленных металлов сходны, изучение процесса кристаллизации можно проводить на растворах солей. Согласно законам термодинамики, устойчивым состоянием при определённых внешних условиях будет то состояние, которое обладает меньшим уровнем свободной энергии. Под свободной энергией понимают часть внутренней энергии, которая может быть превращена в работу. При изменении внешних условий (например, при понижении температуры) любая система самопроизвольно стремится к состоянию с наименьшим уровнем свободной энергии.

С изменением температуры свободная энергия ходкого F_ж и твёрдого F_т состояния изменятся по разным законам (рис. 7). При высоких температурах жидкое состояние обладает меньшей свободной энергией, поэтому металл при этих температурах находится в жидком состоянии (области III, IV). При охлаждении металл достигнет температуры Т_о, при которой свободные энергии жидкого и твёрдого состояния равны. Эта температура Т_о носит название теоретической (равновесной) температуры кристаллизации при охлаждении и температуры плавления при нагреве. При Т_о процесс кристаллизации протекать не может. Для развития процесса кристаллизации надо создать условия, при которых свободная энергия твёрдого состояния будет меньше, чем свободная анергия жидкого состояния. Это возможно лишь при охлаждении до Т_кр, т.е. ниже теоретической температуры кристаллизации на некоторую величину Т. В области II металл при охлаждении продолжает оставаться в жидком состоянии, поскольку разность (F_ж - F_T), невелика. При Т_кр твёрдое состояние обладает меньшей свободной энергией. Разность (F_ж - F_T), достаточно велика, поэтому оставаться дальше в жидком состоянии металл не может, и при этой температуре в металле самопроизвольно пойдет процесс кристаллизации.

В области I (рис. 7) металл будет находиться в твердом состоянии. Температура Т_кр носит название фактической температуры кристаллизации, а разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации Т = Т_о - Т_кр называется степенью переохлаждения. Таким образом, кристаллизация может протекать лишь в условиях переохлаждения ниже теоретической температуры кристаллизации.

Д.К. Чернов ещё в 1878 году показал, что кристаллизация складывается из двух элементарных процессов. Первый процесс заключается в образовании из жидкого раствора мельчайших кристаллических частиц-зародышей или центров кристаллизации. Интенсивность этого процесса определяется числом зародышей (ЧЗ), возникающих в единице объёма (I мм³) за единицу времени (1 с). Второй процесс состоит в росте кристаллов из зародышей. Интенсивность этого процесса определяется скоростью кристаллизации (СК) - линейным перемещением грани кристалла (в миллиметрах) в единицу времени (1 с).

Для развития процесса плавления необходима некоторая степень перегрева

Т' = Т_пл - Т_о,

где Т_пл - фактическая температура плавления.

Оба этих процесса протекают одновременно, причём интенсивность их зависит от степени переохлаждения. При данной степени переохлаждения величины Ч3 и СК - постоянные в течение всего времени процесса кристаллизации.

Рис. 7. Изменение свободной энергии жидкого F_ж и твёрдого F_T состояния в зависимости от температуры

Т_кр - фактическая температура кристаллизации;

То - теоретическая (равновесная) температура кристаллизации и плавления;

Т = Т_о - Т_кр - степень переохлаждения;

Т_пл - фактическая температура плавления;

Т' = Т_пл - Т_о - степень перегрева

Размер полученных кристаллов N зависит от соотношения Ч3 и СК при данной степени переохлаждения и выражается формулой

Н = б

где б - коэффициент пропорциональности.

При малой степени переохлаждения Т₁ (рис. 8) кристаллы после затвердевания будут крупными, так как Ч3 мало, а СК велика. При большой степени переохлаждения Т₂ кристаллы будут мелкими, так как кристаллизация в этом случае идёт при почти той же СК, что и в первом случае, но при значительно большем Ч3.

Таким образом, изменяя степень переохлаждения, можно получить кристаллы разной величины.

Степень переохлаждения зависит от скорости охлаждения. Чем больше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения и мельче кристаллы. В реальных условиях затвердевания больших масс металла на процесс кристаллизации, размер и форму кристаллов оказывают влияние и другие факторы: твёрдые взвешенные тугоплавкие частицы примесей, инородные тела, газовые включения, теплоёмкость самого металла, направление отвода тепла, конвекционные потоки в жидком металле, температура заливаемого металла и формы, способы заливки, состояние поверхности изложницы (формы) и другие.

Чаще всего при кристаллизации металлов в результате быстрого отвода тепла образуются кристаллы древовидной формы, называемые дендритами («дендрон» - по-гречески - дерево) (рис. 9). Кристаллизация начинается с образования главной оси кристалла а (оси первого порядка). Она растёт в направлении главного теплоотвода, в направлении максимальной линейной скорости роста кристалла СК. Затем перпендикулярно главной оси растут оси второго порядка б, перпендикулярно которым вырастают оси третьего порядка в и т.д.

Если жидкого металла не хватает для заполнения межосных пустот, то древовидная форма кристаллов сохраняется. Такие дендриты можно обнаружить в усадочных раковинах и на свободной поверхности слитков. Если жидкого металла достаточно для заполнения межосного пространства, то образуются крупные кристаллы, вытянутые в направлении главного теплоотвода. Такие кристаллы называются столбчатыми.

При равномерном теплоотводе, а также при большом числе зародышей, кристаллы растут с одинаковой скоростью по всем направлениям и вырастают равноосными.

Процесс кристаллизации слитка спокойной стали (рис. 10) начинается у стенок изложницы и последовательно продвигается к центру слитка.

У стенок изложницы образуется зона 1 - зона мелких равноосных, беспорядочно направленных кристаллов. Мелкие кристаллы получаются, благодаря быстрому охлаждению ещё холодной стенкой прилегающих слоев жидкой стали.

Рис. 8. Зависимость ЧЗ и СК от степени переохлаждения при кристаллизации металлов

Рис. 9. Дендрит

Поэтому кристаллизация здесь идёт при большой степени переохлаждения, при большом числе зародышей. Кристаллы получаются равноосными, беспорядочно направленными, потому что оси первого порядка растут перпендикулярно неровностям внутренней поверхности изложницы. Растущие кристаллы сталкиваются между собой и образуют зону мелких дезориентированных кристаллов.

Следующая зона 2 - зона столбчатых кристаллов - крупных кристаллов, главная ось которых перпендикулярна стенке изложницы. Кристаллы получаются крупными, так как в этой зоне скорость охлаждения меньше, чем в зоне 1: тепло отводится не холодной стенкой, а через зону 1 и уже нагревшуюся стенку изложницы.

Поэтому кристаллизация здесь идёт при малой степени переохлаждения, при малом числе зародышей. Кристаллы вытянуты главной осью перпендикулярно стенке изложницы, так как в этом направлении едет главный теплоотвод. В центре слитка образуется зона 3 - зона крупных равноосных кристаллов. В этой части слитка скорость охлаждения меньше, чем в зоне 1 и 2, поэтому кристаллизация идет при малой степени переохлаждения, при малом числе зародышей.

Кристаллы получаются равноосными, произвольно ориентированными, так как отвод тепла в этой зоне идет во всех направлениях с одинаковой скоростью. Скелетом этих крупных кристаллов являются дендриты.

В настоящей работе студенты изучают процесс кристаллизации четырёх солей (нитрата свинца Рв(NO₃)₂, хлорида аммония NH₄Cl, дихромата калия - хромпика К₂Сr₂0₇, хлорида натрия - поваренной соли NaCl), вызванный испарением растворителя.

Водные растворы этих солей приготавливаются почти насыщенными с тем, чтобы незначительное испарение воды привело их к состоянию перенасыщения и выделению кристаллов.

Рис. 10. Схема строения стального слитка: зона 1 - мелкие равноосные кристаллы; зона 2 - столбчатые кристаллы; зона 3 - крупные равноосные кристаллы

Наблюдение за процессом кристаллизации солей производится с помощью биологического микроскопа, работающего по принципу проходящего света (рис. 11). Лучи от естественного источника света, отразившись от зеркала микроскопа, проходят через отверстие предметного столика, предметное стекло, каплю соли и попадают в объектив. Полученное в объективе изображение капли увеличивается им и окуляром. Пройдя через окуляр, лучи попадают в глаз наблюдателя. Наблюдение за кристаллизацией капель в этой работе проводится при увеличении, но более чем в 100 раз.

Порядок выполнения работы

1. Глядя в окуляр, вращать зеркало микроскопа, добиваясь яркого освещения (получить светлое поле).

2. Предметное стекло с нанесенной на него каплей соли установить на предметный столик так, чтобы капля была в центре отверстия предметного столика.

3. Произвести грубую настройку на фокус, для чего смотреть одним глазом в окуляр и держа второй глаз открытым, вращать винт грубой подачи, поднимая тубус до тех пор, пока не появится изображение капли.

4. Вращением микрометрического винта произвести тонкую настройку на фокус.

5. Перемещать предметное стекло по предметному столику, наблюдая за кристаллизацией сначала у краёв капли, а затем в центре капли.

6. По мере появления кристаллов производить зарисовку в журнал, передавая при этом особенности их строения.

7. Исследование начинать с капли нитрата свинца, так как его кристаллизация идёт аналогично кристаллизации слитка спокойной стали. Наибольшее испарение будет у краёв капли, так как тут уровень жидкости наименьший. Поэтому здесь концентрация соли раньше, чем в других местах, достигнет предела насыщения и начнут выпадать кристаллы. Здесь образуются мелкие равноосные кристаллы.

Рис. 11. Схема хода лучей в биологическом микроскопе: 1 - зеркало; 2 - предметный столик; 3 - предметное стекло; 4 - капля соли; 5 - объектив; 6 - окуляр

Они настолько мелкие, что при используемом в данной работе увеличении каждый кристалл не виден, и эта зона чаще всего просматривается в виде тонкой тёмной линии (рис. 12).

Затем будут образовываться крупные, вытянутые нормально к краям капли, столбчатые кристаллы. Здесь кристаллизация идёт при большой скорости и ограниченном числе зародышей. В последнюю очередь кристаллизация идёт в центре капли, где образуются кристалла, имеющие форму дендритов.

Рис. 12. Строение затвердевшей капли раствора нитрата свинца

3.2 Контрольные вопросы

1. На рис. 7 укажите:

- теоретическую температуру кристаллизации (плавления) металла;

- фактическую температуру кристаллизации (плавления) металла;

- необходимое условие, при котором начнётся процесс кристаллизации (процесс плавления) металла;

- область температур, в которых металл будет находиться в агрегатных состояниях:

а) жидком при охлаждении;

б) твёрдом при охлаждении;

в) твёрдом при нагреве;

г) жидком при нагреве,

2. На рис. 8 укажите, при какой величине переохлаждения металл закристаллизуется наиболее крупнозернистым (наиболее мелкозернистым).

3. Укажите среду закристаллизовавшегося водного раствора соли:

а) Рв(NO₃)_2; б) NH₄Cl; в) К₂Сr₂0_7; г) NaCl .

Объясните особенности её строения.

4. Укажите форму и схему строения закристаллизовавшейся капли водного раствора соли, схожую со структурой слитка спокойной стали. Объясните особенности ее строения.



4. Обоснование выбора комбинированного типа урока «Кристаллизация металлов»

4.1 Тема урока: Кристаллизация металлов

Тип урока: Комбинированный

Цель урока: Ознакомить учащихся с процессом кристаллизации металлов.

Задачи урока:

1. Формирование четкого понимания условий процесса кристаллизации и методов изучения структуры металлов и сплавов;

2. Развитие образного и логического мышления;

3. Воспитание общей культуры.

Комбинированный урок - понятие многогранное и поэтому очень популярное. Многие проводят почти исключительно комбинированные уроки, лишь время от времени прибегая к контрольным или нетрадиционным вариантам. И неудивительно, ведь именно такая форма дает возможность достичь сразу многих целей.

Данный урок является повторением изученного, освоением и закреплением нового материала.

Мною выбран комбинированный урок, в котором я могу сочетать или комбинировать различные цели и виды учебной работы: проверка домашнего задания или актуализация знаний в какой-либо другой форме; изучение нового материала; закрепление и систематизация; объяснение домашнего задания.

4.2 Обоснование методов обучения на уроке «Кристаллизация металлов»

Метод обучения - способ взаимодействия между учителем и учениками, в результате которого происходит передача и усвоение знаний, умений и навыков, предусмотренных содержанием обучения.

Методы: словесный, наглядный, практический.

Словесные методы занимают ведущее место в системе методов обучения. Были периоды, когда они являлись почти единственным способом передачи знаний, но необходимо дополнить их наглядными и практическими методами.

Использование наглядности, позволяет учащимся воспринимать подаваемую информацию не только в аудиальном, но и в визуальном формате, что в разы увеличивает методическую значимость проведенного урока.

Суть практических методов в том, что учитель ставит учебную задачу и организовывает деятельность учащихся по усвоению способов действий. При этом деятельность учащихся играет ведущую роль. Эти методы наиболее важны в формировании умений.

1. Подбор системы наглядных пособий и ТСО по теме - роль стендов в программе обучения данной дисциплины

2. Методика разработки теоретического занятия по теме

3. План урока - планирование теоретических и практических занятий - таблица с количеством минут для каждого пункта плана урока

4. Методика проведения урока - ввести методические разработки, методические сопровождения

5. Методика контроля знаний по теме - разработать контрольные вопросы, тесты по своей дисциплине

Заключение - результаты исследования стендов, показатели, неисправности

Размещено на allbest.ru