ДОТ - Горный

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»
Согласовано
Утверждаю
Руководитель ООП
по специальности 150100
декан МФ
проф. Е.И. Пряхин
Зав. кафедрой МиХТО
проф. Е.И. Пряхин
ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«История и тенденции развития материаловедения»
(наименование по рабочему учебному плану)
Направление подготовки: 150100 Материаловедение и технологии
материалов
Профиль подготовки: Материаловедение и технологии новых материалов
Квалификация (степень) выпускника: бакалавр
Форма обучения: очная
Составитель:
профессор
Е.И. Пряхин
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
3
Составитель:
профессор Е.И. Пряхин
Научный редактор:
4
Предисловие
Дисциплина «История и тенденции развития материаловедения» изучается
студентами специальности 150100.62 – материаловедение в машиностроении
всех форм обучения в одном семестре. Дисциплина включает в себя разделы:
материалы древности, развитие методов исследования структуры и свойств
материалов, история металловедения, развитие науки о полимерах и
композитах.
История развития материаловедения – науки о связи структуры и свойств
материалов - неразрывно связана с историей развития методов исследования их
свойств и внутреннего строения. Поэтому дисциплина включает в себя
основные этапы возникновения и развития физических методов исследования
свойств и строения металлов, сплавов, природных и синтетических полимеров.
Особое внимание в курсе "История и тенденции развития материаловедения"
уделено современным материалам, их свойствам и областям применения.
Перспективы развития науки о материалах приведены в разделе о
наноматериалах, композитах, технологии их создания.
Важным разделом курса является история использование материалов в
науке и технике на различных этапах развития цивилизации.
Целью
изучения
дисциплины
является
изучение
истории
материаловедения, основных этапах ее развития, связи свойств материалов с их
структурными особенностями, технологией получения.
Задачи изучения дисциплины – усвоение основных этапов развития
материаловедения, технологии создания материалов, использования их в
различных областях науки и техники, истории создания методов исследования
свойств и структуры материалов.
В результате изучения дисциплины студент должен овладеть основами
знаний по дисциплине, формируемыми на нескольких уровнях:
Иметь представление:
- об основных этапах создания новых материалов, истории изучения связи
строения материалов с их свойствами и способами получения;
- об использовании материалов на различных этапах развития цивилизации.
-
Знать:
природу механических свойств материалов;
физико-химические
процессы,
протекающие
при
переработке
материалов;
физические основы методов изучения структуры и свойств материалов;
основные методы исследования свойств и структуры материалов;
требования к материалам, используемым в различных областях техники;
историю развития материаловедения.
5
Уметь:
- определять уровень свойств материалов по отношению к максимально
достигнутому;
- определять области применения материалов.
Владеть:
- технологией получения материалов;
- навыкам использования материалов в деталях и конструкциях различного
назначения.
Место дисциплины в учебном процессе
Теоретической и практической основами дисциплины являются курсы
«Физика», «Материаловедение», «Теория строения материалов», «Методы
исследования материалов и процессов», «Механические и физические свойства
материалов», «Технология получения изделий в машиностроении», «Теория и
технология
термической
и
химико-термической
обработки»,
«Машиностроительные материалы».
Рабочая программа
(объем дисциплины 100 часов)
Введение (2 часа)
[1], с. 12-20; [2], с. 157, 485, 721.
Предмет «История и тенденции развития материаловедения» и его место
среди специальных дисциплин.
Материаловедение как наука.
Краткая история развития науки о материалах.
Классификация материалов – стали, сплавы, цветные металлы,
керамические и углеродные материалы, полимеры, наноматериалы, композиты.
Специфические
свойства
материалов,
основные
области
их
использования.
Раздел. 1. Материалы и методы их исследования (60 часов)
1.1. Материалы древности (16 часов)
[1], с. 12-15; [2], с. 157, 485, 721; [3], с. 17-20
Материалы древнего мира.
Материалы Месопотамии, древнего Египта, Индии, Китая.
Использование материалов у разных народов.
Обработка и использование природных материалов.
Материалы для строительства, оружия, письменности.
Вопросы для самопроверки
1. Какой
хронологический
период
развития
цивилизации
называют
6
«каменный век»?
2. Какие материалы использовались в каменном веке?
3. Какой хронологический период развития цивилизации называют
«бронзовый век»?
4. Какие материалы характерны для бронзового века?
5. Какое государство существовало в междуречье в 5 в. до н.э.?
6. Где была построена первая печь для обжига кирпича и выплавки
металлов (в первую очередь меди)?
7. Каков состав бронзы, выплавляемой шумерами?
8. Какой материал использовался для письма в древнем Египте?
9. Что такое пергамент?
10.Где и когда была изобретена бумага?
11.Где и когда был изобретен порох?
12.Что использовали в Древней Руси для письма?
1.2. Методы исследования структуры и свойств материалов и
материаловедение (20 часов)
[1], с. 140–143; [4], с. 13– 31.
Оптическая микроскопия и исследование структуры поверхности
металлов и сплавов.
Методы рентгеновской дифракции и кристаллическая структура
материалов.
Просвечивающая и сканирующая электронная микроскопия, атомносиловая микроскопия; исследование микродефектов твердых тел, структуры
наноматериалов.
Методы исследования прочности, пластичности, твердости.
Физико-механические свойства монокристаллов, ориентированных полимеров,
керамических и углеродных материалов.
Вопросы для самопроверки
1. Кем был изобретен оптический микроскоп?
2. Когда был изобретен оптический микроскоп?
3. Какова разрешающая способность оптического микроскопа?
4. Какова разрешающая способность электронного микроскопа?
5. Кто впервые установил взаимосвязь между структурой поверхности
металла и его свойствами?
6. Каков основной физический принцип работы атомно-силового
микроскопа?
7. Какое свойство рентгеновского излучения используется для исследования
структуры кристаллов?
8. С помощью каких параметров описывается кристаллическая структура
9. В каких единицах измеряется прочность?
10.Какова прочность идеального монокристалла железа?
11.Какая структура характерна для стекол?
7
12.Какая надмолекулярная структура характерна для ориентированных
полимеров?
1.3. История развития металловедения (24 часа)
[1], с. 12–15; [3], с. 17–20, 161, 162, 240, 241; [6], с. 15-31
Металлы нового времени.
Конструкционные и машиностроительные стали.
Высокопрочные, жаростойкие, радиационностойкие стали и сплавы.
Алюминий, титан, магний и их сплавы
Аморфные металлы и сплавы (металлические стекла).
Вопросы для самопроверки
1. Кто впервые исследовал строение зерен в металлах?
2. Кто впервые применил микроскоп для исследования структуры
металлов?
3. Кто установил наличие полиморфизма железа?
4. Какой немецкий ученый впервые построил диаграмму равновесия
железо-углерод?
5. Кто установил природу высокотемпературной фазы в системе железоуглерод?
6. Кто является основоположником науки «кристаллографии»?
7. Кто впервые получил теплостойкую вольфрамовую сталь?
8. Кто внес существенный вклад в разработку высокомарганцевых и
кремнистых сталей?
9. Какой русский ученый внес существенный вклад в построение диаграмм
состояний сплавов железа?
Раздел 2. (40 часов)
2.1. Развитие науки о полимерах (16 часов)
[5], с. 15-21; [7], с.121-159
Природные полимеры: целлюлоза, хитин, фиброин; композиционные
материалы растительного и животного происхождения.
Искусственные полимерные материалы.
Синтетические полимеры алифатического и ароматического строения.
Особенности надмолекулярной структуры полимеров; основные методы
получения ориентированных полимеров.
Свойства и применение полимерных материалов.
Вопросы для самопроверки
1.
2.
3.
4.
Какой полимер является основой большинства растений?
Из чего получают хитин?
Каково строение древесины?
Как называется полимер – основа животного мира?
8
Чем отличаются искусственные полимеры от синтетических?
Чем обусловлено бурное развитие химии полимеров в середине ХХ века?
Какие основные физические свойства алифатических полимеров?
Какие
прочностные
и
термические
свойства
ароматических
ориентированных полимеров?
9. Какие основные элементы структуры ориентированных полимеров?
10.Какие основные методы получения полимерных волокон?
11.Какова прочность высокопрочных полимерных волокон?
12.В каких областях техники применяют полимерные волокна?
5.
6.
7.
8.
2.2. История развития керамических и углеродных материалов
(10 часов)
[6], с. 25-56; [7], с. 211- 256
Роль керамических материалов в древнем мире.
Современные керамические материалы, их свойства и применение.
История развития углеродных материалов.
Применение углерода в электро- и радиотехнике, других областях
промышленности.
Анизотропные углеродные структуры, углеродные волокна, их свойства и
применение.
Вопросы для самопроверки
1. Когда впервые использовали печи для получения строительной
керамики?
2. В каком государстве керамику использовали для письма?
3. Каков химический состав керамических материалов?
4. Какие термические, электрофизические и прочностные свойства
керамических материалов?
5. Какие области применения керамических материалов?
6. Кто впервые получил и использовал углеродные волокна?
7. Какова структура графита?
8. Какими физико-механическими свойствами обладают углеродные
волокна?
9. Какими электрическими и магнитными свойствами обладают углеродные
волокна?
10.Где используются углеродные волокна?
11.Сравните удельные характеристики углепластиков и металлов.
2.3. Нанокомпозиты и материалы будущего (12 часов)
[8], с. 25-87
Классификация наноматериалов: минеральные, металлические
углеродные наноматериалы.
История технологии получения наночастиц и нанокомпозитов.
Теория перколяции.
и
9
Кластеры, интерколяция, эксфолиация и строение нанокомпозитов.
Свойства и области применения наночастиц и нанокомпозитов
Вопросы для самопроверки
1. Когда стали интенсивно развиваться нанотехнологии?
2. Какие
природные
материалы
являются
прекурсорами
для
наноматериалов?
3. Основные гидросиликатные наноматериалы?
4. Основные углеродные наноматериалы?
5. Что такое фуллерены и нанотрубки?
6. Когда и кем были получены впервые фуллерены и нанотрубки?
7. Что такое перколяционный барьер?
8. Что такое кластер?
9. Какие основные характеристики эксфолиированной структуры?
10.Какие признаки интерколяции?
11.Какие свойства композиционных материалов резко изменяются при
введении 3 - 5% нанотрубок?
Заключение (2 часа)
Перспективы развития материаловедения.
Композиционные материалы.
Экономическая эффективность использования материалов.
3.1. Библиографический список
Основной:
1. Солнцев, Ю.П. Материаловедение: учебник /Ю.П. Солнцев, Е.И. Пряхин. –
СПб.: Химиздат, 2007. – 784 с.
2. Солнцев, Ю.П. Нанотехнологии и специальные материалы / Ю.П. Солнцев,
Е.И. Пряхин. - СПб.: Химиздат, 2007. - 172с.
3. Балабанов, В.И. Нанотехнологии: наука будущего /В.И. Балабанов. - М.:
ЭКСМО, 2009 — 246с.
4. Пул, Ч. Нанотехнологии/ Ч. Пул, Ф. Оуэн. М.: Техносфера, 2005 -334 с.
Дополнительный:
5. Большой энциклопедический словарь / гл. ред. А.М. Прохоров. – М.: Изд-во
«Большая Российская энциклопедия», СПб «Норинт», 1997. – 1434 с.
6. Гуляев, А.П. Металловедение: учебник /А.П. Гуляев. – М.: Металлургия,
1986. – 514 с.
7. Методы структурного анализа материалов и контроль качества деталей: учебметод. комплекс /сост. И.П. Добровольская, В.Н. Барсуков. – СПб.: Изд-во
СЗТУ, 2007.- 82 с.
8. Высокопрочные материалы: учеб.-методич.комплекс / сост. Ю.В.
Шахназаров, Е.И. Пряхин, И.П. Добровольская. – Спб.: Изд.-во СЗТУ, 2008. –
41 с.
10
9. Кудрявцев, Г.И. Армирующие химические волокна для композиционных
материалов / Г.И. Кудрявцев, [и др.] – М.: Химия, 1992. – 236 с.
11
4. Тематический план дисциплины
4.1. Тематический план дисциплины для заочной формы обучения
№
разде
ла
Название
раздела, темы
Всего
1.
1.2
1.3
2
2.1
2.2
2.3.
Раздел 1. Материалы
и
методы
их
исследования
Введение
Тема 1.1. Материалы
древности
Тема 1.2. Методы
исследования
структуры и свойств
материалов
и
материаловедение
Тема 1.3. История
развития
металловедения.
Раздел
2.
Современные
материалы
и
перспективы
их
развития
Тема 2.1. Развитие
науки о полимерах
Тема 2.2. История
развития
керамических
и
углеродных
материалов
Тема
2.3.
Нанокомпозиты
и
материалы будущего.
Заключение
Колво
часов
по
днев
ной
форм
е
Виды занятий и контроля
Лекции
ПЗ
ЛР
А
уд
ит
.
ДО
Т
Ау
ди
т.
Д
О
Т
А
уд
ит
.
ДО
Т
Сам
осто
ят.р
абот
а
100
12
48
0
0
0
0
40
60
6
24
0
0
0
0
24
16
2
8
0
0
0
0
8
20
2
8
0
0
0
0
8
24
2
8
0
0
0
0
8
40
6
12
0
0
0
0
16
16
2
4
0
0
0
0
6
10
2
4
0
0
0
0
4
14
2
4
0
0
0
0
6
Тес
ты
ПЗ
(С)
ЛР
Кур
сов
ые
раб
оты
-
-
-
12
4.2. Тематический план дисциплины для очно-заочной формы обучения
№
разде
ла
Название
раздела, темы
Всего
1.
1.2
1.3
2
2.1
2.2
2.3.
Раздел 1. Материалы
и
методы
их
исследования
Введение
Тема 1.1. Материалы
древности
Тема 1.2. Методы
исследования
структуры и свойств
материалов
и
материаловедение
Тема 1.3. История
развития
металловедения.
Раздел
2.
Современные
материалы
и
перспективы
их
развития
Тема 2.1. Развитие
науки о полимерах
Тема 2.2. История
развития
керамических
и
углеродных
материалов
Тема
2.3.
Нанокомпозиты
и
материалы будущего.
Заключение
Колво
часов
по
днев
ной
форм
е
Виды занятий и контроля
Лекции
ПЗ
ЛР
ДО
Т
0
А
уд
ит
.
0
Сам
осто
ят.р
абот
а
0
40
0
0
0
0
24
6
0
0
0
0
8
4
6
0
0
0
0
8
24
4
6
0
0
0
0
8
40
12
18
0
0
0
0
16
16
4
6
0
0
0
0
6
10
4
6
0
0
0
0
4
14
4
6
0
0
0
0
6
ДО
Т
Ау
ди
т.
Д
О
Т
100
А
уд
ит
.
24
36
0
60
12
18
16
4
20
Тес
ты
ПЗ
(С)
ЛР
Кур
сов
ые
рабо
ты
-
-
-
13