Учебно-методическое пособие по преподаванию дисциплины

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Уфимский государственный авиационный технический университет

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

по преподаванию дисциплины

«Интеграция прецизионного электрохимического формообразования с технологиями получения объемных наноматериалов и

последующего модифицирования поверхности»

Уфа 2010Составители: Р.М. Киреев, К.Н. Рамазанов, И.В. Александров,

А.Н. Зайцев, Маннапов А.Р.

Учебно-методическое пособие по преподаванию дисциплины «Интеграция прецизионного электрохимического формообразования с технологиями получения объемных наноматериалов и последующего модифицирования поверхности»: Учеб.-метод. пособие / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. Сот.: Р.М. Киреев, К.Н. Рамазанов, И.В. Александров, А.Н. Зайцев, Маннапов А.Р. – Уфа: УГАТУ, 2010. – 27 с.

Излагаются методические рекомендации по преподаванию теоретического материала, проведению лабораторного практикума, промежуточной аттестации и итогового тестирования по дисциплине «Интеграция прецизионного электрохимического формообразования с технологиями получения объемных наноматериалов и последующего модифицирования поверхности».

Предназначено для преподавателей, ведущих все виды занятий по дисциплине «Интеграция прецизионного электрохимического формообразования с технологиями получения объемных наноматериалов и последующего модифицирования поверхности» для слушателей, осваивающих образовательную программу профессиональной переподготовки в области создания серийного производства электрохимических станков для прецезионного изготовления деталей из наноструктурированных материалов и нанометрического структурирования поверхности

Библиогр. 33 назв. Прил. 2.

© Уфимский государственный авиационный

технический университет, 2010

Содержание

1. Цели и задачи дисциплины ………………………………….

4

2. Методические рекомендации по преподаванию

теоретического материала дисциплины ……………………

5

3. Методические рекомендации по проведению

лабораторного практикума ………………………………….

17

4. Методические рекомендации по проведению

практикума………………………………..…………………..

20

5. Методические рекомендации

по проведению итогового тестирования ……………………

22

6. Рекомендуемые учебно-методические издания и иные

информационные источники ………………………………..

23

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью изучения дисциплины является формирование у слушателей компетенций в области применения комплексного подхода (материал – форма – поверхность) к технологии изготовления прецизионных деталей из наноструктурированных материалов с высокими эксплуатационными требованиями.

Задачами изучения дисциплины является формирование у слушаелей знаний и умений, соответствующих целевым компетенциям.

Дисциплина «Интеграция прецизионного электрохимического формообразования с технологиями получения объемных наноматериалов и последующего модифицирования поверхности» базируется на изученных ранее дисциплинах «Введение в нанотехнологии» и «Методы исследования объема и поверхности микро- и наноструктурированных металлов и сплавов» модуля «Фундаментальные основы нанотехнологий».

В свою очередь, полученные при изучении дисциплины «Интеграция прецизионного электрохимического формообразования с технологиями получения объемных наноматериалов и последующего модифицирования поверхности» знания и умения будут необходимы слушателям в дальнейшем обучении, а также при подготовке выпускной квалификационной работы.

При изучении дисциплины предусматривается лекционное изложение курса, работа с презентациями лекционного курса, работа с учебниками, учебными и методическими пособиями, а также материалами сети Интернет. Лабораторный практикум и практические занятия призваны закрепить теоретические знания, полученные при прослушивании лекционного курса и самостоятельной работе с учебниками и учебными пособиями, и выработать умения в области выбора и применения технологий получения объемных наноструктурных материалов, прецизионной электрохимической их обработке с последующей модификацией поверхности.

Проверка уровня освоения материала дисциплины осуществляется преподавателем на каждом лабораторном и практическом занятии и в виде итогового тестирования.

2. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ПРЕПОДАВАНИЮ

ТЕОРЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ДИСЦИПЛИНЫ

Основной теоретический материал дисциплины излагается в лекционном курсе. При проведении лекций по дисциплине необходимым является использование технических средств обучения, позволяющих сопровождать изложение материала наглядными презентациями, содержащими эффекты анимации и цветового выделения различных смысловых участков текста и, тем самым, акцентировать внимание слушателей на наиболее значимых и важных положениях излагаемого материала.

На первой лекции перед началом изложения основного содержания дисциплины необходимо:

познакомить слушателей с целями и задачами дисциплины и дать краткой обзор ее содержания;

привести список рекомендованных учебно-методических материалов по дисциплине и предложить эффективную схему их использования;

дать рекомендации слушателям по методике самостоятельной подготовки по дисциплине.

В завершении каждой лекции необходимо указать учебно-методические материалы, которые позволят расширить представления слушателей по только что изложенной теме и которые они могут использовать в процессе самоподготовки и самопроверки. Также полезно дать краткое содержание следующей лекции.

Далее приводятся методические рекомендации по преподаванию теоретического материала всех разделов дисциплины.

Раздел «Технологии получения объемных наноструктурных материалов»

Тема 1. Метод кручения под высоким давлением

Знания: знать метод интенсивной пластической деформации (ИПД) кручением (ИПД кручением под высоким давлением), знать характер влияния параметров ИПД кручением на особенности получаемых наноструктур.

Умения: уметь выбирать параметры метода ИПД кручением для получения объемных наноструктурных материалов.

Объем лекций: 2 часа

Дидактические единицы

Цели и задачи технологий получения объемных наноструктурных материалов.

Метод кручения под высоким давлением. Научные основы метода. Историческая справка. Современные подходы к реализации метода кручения под высоким давлением. Идеальная схема и практическая реализация. Расчет степени деформации при кручении под высоким давлением.

Требования к заготовкам для реализации кручения под высоким давлением.

Достоинства и недостатки метода кручения под высоким давлением.

Анализ распределения микротвердости по диаметру заготовок, подвергнутых кручению под высоким давлением. Влияние накопленной степени деформации (числа оборотов) и приложенного давления на однородность микроструктуры заготовок, подвергнутых кручению под высоким давлением.

Влияние параметров кручения под высоким давлением на формирование наноструктурных состояний в заготовках из чистых металлов, сплавов, интерметаллидах.

Расширение возможностей метода кручения под высоким давлением для получения массивных образцов.

Кручение под давлением кольцевых заготовок.

Консолидация порошковых материалов методом кручения под высоким давлением.

Обоснование важности метода кручением под высоким давлением как важного метода, позволяющего развивать основы физики интенсивных пластических деформаций.

Методические рекомендации

Прежде чем сформулировать основные цели и задачи метода кручения под высоким давлением необходимо напомнить слушателям об известных методах пластического деформирования металлов и сплавов, обеспечивающих то или иное изменение формы заготовок.

Следует акцентировать их внимание на изменениях геометрической формы заготовок при использовании традиционных схем деформации (растяжение, осадка, прокатка, волочение и т.д.), а, следовательно, на присущих данным схемам ограничениях в достижении больших пластических деформаций.

На следующем этапе лекции важно затронуть исторические аспекты, связанные с развитием методов достижения чрезвычайно больших деформаций Бриджменом, сделавшим на основании своих исследований вывод о том, что степень деформации скручиванием намного возрастает, если наложить на деформируемую заготовку продольную сжимающую нагрузку.

При изучении принципов метода кручения под высоким давлением следует проанализировать схему метода, показать, что сдвиговая деформация в ходе реализации данного метода не изменяет геометрическую форму деформируемой заготовки. Приложенное высокое сжимающее давление в несколько ГПа и ограничения, накладываемые на изменения геометрической формы заготовки в процессе кручения под высоким давлением позволяют деформировать заготовку до очень больших степеней деформации без появления видимых трещин и разрушеняи заготовки.

На основании сделанного анализа слушатели должны сделать вывод о важности сил трения при реализации метода кручения под высоким давлением. Следует также обратить внимание слушателей на то, что большие силы трения достигаются за счет придания заготовка формы тонкого диска.

Анализ уравнений, используемых для расчета степени деформации при кручении под высоким давлением, должен привести слушателей к убеждению о том, что метод кручения под высоким давлением позволяет реализовать монотонную деформацию с непрерывным нарастанием степени накопленной деформации.

В то же время из уравнений, используемых для расчета степени деформации, следует, что по мере увеличения расстояния от оси кручения до выбранной точки степень деформации должна нарастать. Значит деформация заготовки в разных ее точках различна. Данная занономерность должна быть проиллюстрирована неоднородным распределением микротвердости (малыми значениями в центре и большими на периферии заготовки в форме диска) при малом числе поворотов, т.е. на начальных этапах деформации и при малых приложенных давлениях при кручении под высоким давлением. В то же время следует обратить внимание слушателей на том, что при большом числе оборотов на завершающих этапах деформации и при высоких приложенных давлениях распределение микротвердости вдоль диаметра заготовок в форме диска становится более однородным. Это положение следует подтвердить слайдом с изображениями микроструктуры объемного наноструктурного материала, характерными для центра и периферии заготовок, подвергнутых кручению под высоким давлением при разных приложенных давлениях и числе поворотов.

Важным моментом, доказывающим успешность применения метода кручения под высоким давлением для формирования объемных наноструктурных состояний в различных металлах и сплавах, является демонстрация ПЭМ изображений наноструктур, сформированных в различных металлах и сплавах в результате применения данного метода.

Наконец, в заключение лекции следует продемонстрировать направления развития метода кручением под высоким давлением. Такими направлениями являются кручение под высоким давлением массивных заготовок, кольцевых заготовок, а также консолидация порошков. При этом следует отметить, что консолидация нанопорошков весьма сложный процесс в силу их высокой активности, приводящей к формированию на поверхности порошинок окисной пленки, препятствующей их консолидации.

Тема 2. Метод равноканально-углового прессования

Знания: знать метод равноканально-углового прессования (РКУП).

Умения: уметь выбирать параметры РКУП для получения объемных наноструктруных материалов.

Лекция: №2

Объем лекций: 2 часа

Дидактические единицы

История создания метода РКУП. Принципы метода РКУП. Очаг деформации и плоскость сдвига. Параметры оснастки для РКУП. Влияние параметров оснастки для РКУП на степень деформации при реализации РКУП. Маршруты РКУП. Однородность заготовок в зависимости от маршрутов и числа проходов при РКУП. Влияние скорости и температуры РКУП на размер зерен. Саморазогрев заготовок при РКУП. Формирование объемных наноструктур в зависимости от параметров РКУП. Влияние параметров РКУП на характер границ зерен. Влияние химического и фазового состава на процесс измельчения зерен при РКУП.

Методические рекомендации

В начале лекции слушатели должны быть проинформированы о том, что данный метод деформации был создан в бывшем Советском Союзе, а свое развитие для получения объемных наноструктурных материалов получил в России, что признано в настоящее время во всем мире.

Далее следует акцентировать внимание слушателей на том, что к настоящему времени метод РКУП является основным методом получения объемных наноструктурных материалов.

При рассмотрении принципов метода РКУП вместе со слушателями необходимо обсудить характер процессов, протекающих в очаге деформации, прилегающем к плоскости пересечения каналов в оснастке для РКУП. У слушателей должно быть сформировано представление о том, что процесс РКУП – сложный процесс, зависящий от целого ряда параметров оснастки и самого процессинга.

Наглядное представление влияния параметров оснастки на характер течения материала при РКУП является необходимым условием успешного усвоения слушателями данной темы. В связи с этим необходимо продемонстрировать слушателям наглядный материал, полученный как экспериментальными методами, так и с помощью компьютерного моделирования. При этом влияние каждого параметра оснастки и процессинга следует обсудить отдельно от других.

Для понимания слушателями различий в особенностях, в том числе однородности, течения материала при использовании различных маршрутов РКУП следует проанализировать изменение ориентации плоскости сдвига по отношению к системе координат, связанной с оснасткой.

Также наглядности требует анализ влияния скорости и температуры на характер течения материала и структурообразования при РКУП.

Поскольку деформируемый материал нагревается в процессе РКУП, будет полезно проинформировать слушателей о результатах экспериментальных исследований и теоретических оценках степени разогрева материала. Следует объяснить слушателям по какой причине такой разогрев не фиксируется в ходе кручения под высоким давлением.

В процессе обучения необходимо подкреплять сказанное демонстрацией наглядных изображений микроструктуры, вид который существенным образом определяется параметрами оснастки и процессинга.

Тема 3. Развитие методов ИПД

Знания: знать направления развития методов ИПД

Умения: уметь выбирать метод ИПД для получения длинномерных, плоских, объемных наноструктурных заготовок

Лекция: №3

Объем лекций: 2 часа

Дидактические единицы

Развитие метода РКУП: РКУП в оснастке с подвижными стенками, РКУП с противодавлением, РКУП порошков, РКУП плоских заготовок, РКУП с вращающейся оснасткой, РКУП боковой экструзией, РКУП в многоканальной оснастке, РКУП в параллельных каналах. Непрерывное РКУП: комбинирование РКУП и прокатки (непрерывный ограниченный полосой сдвиг, отличающееся угловое прессование и равноканально-угловая прокатка), РКУП волочение, conshearing метод, РКУП-конформ процесс. Полупромышленные методы ИПД: метод циклической деформации «осадка-экструзия-осадка», накапливаемое соединение прокаткой, винтовая экструзия, всесторонняя ковка.

Методические рекомендации

В начале рассмотрения данной темы следует сообщить слушателям о том, что основные направления развития методов ИПД связаны с повышением их эффективности, себестоимости, выхода годного, необходимостью перехода от лабораторных способов ИПД к промышленным.

В первую очередь следует уделить внимание направлениям развития РКУП, поскольку именно этот метод позволяет получать объемные наноструктурные заготовки. Однако, до настоящего времени РКУП все еще применяют только в лабораторных условиях, что связано с необходимостью доведения его эффективности, себестоимости и выхода годного до величин, приемлемых для промышленности.

При анализе направлений развития РКУП (РКУП в оснастке с подвижными стенками, РКУП с противодавлением, РКУП порошков, РКУП плоских заготовок, РКУП с вращающейся оснасткой, РКУП боковой экструзией, РКУП в многоканальной оснастке, РКУП в параллельных каналах) необходимо акцентировать внимание на причинах, по которым произведенная модернизация должна привести к благоприятному результату (повышению производительности и себестоимости, увеличению выхода годного, улучшению однородности, расширению сортамента и т.д.).

При анализе непрерывного РКУП (комбинирование РКУП и прокатки (непрерывный ограниченный полосой сдвиг, отличающееся угловое прессование и равноканально-угловая прокатка), РКУП волочение, conshearing метод, РКУП-конформ процесс) необходимо привести убедительные доказательства, свидетельствующие о возможности использования данных подходов для получения длинномерных наноструктурных заготовок со свойствами одного уровня со свойствами, характерными для заготовок, получаемых традиционным РКУП при существенно более высокой производительности, рентабельности и выходе годного.

Изучение полупромышленных методов ИПД (метод циклической деформации «осадка-экструзия-осадка», накапливаемое соединение прокаткой, винтовая экструзия, всесторонняя ковка) должно включать в себя анализ их достоинств и недостатков.

Рассмотрение каждого способа реализации метода ИПД следует сопровождать наглядными иллюстрациями, среди которых, по возможности, должны быть принципиальная схема, фотография экспериментальной установки, изображение заготовки до и после деформации, изображения соответствующих микроструктур, информация, характеризующая изменение физическиз и механических свойств в результате реализации ИПД.

В конце лекции следует суммировать достоинства и ограничения рассмотренных методов ИПД и рассказать о ближайших перспективах их использования для получения объемных наноструктурных материалов в промышленных условиях.

Тема 4. Особенности электрохимической обрабатываемости коррозионностойких сталей и жаропрочных сплавов на основе никеля, титановых и алюминиевых сплавов

Знания: Знать особенности электрохимической обрабатываемости наиболее распространенных групп материалов, используемых в технике (конструкционные стали, титан и его сплавы, металлокерамика, никелевые сплавы и др.)

Лекция: №4

Объем лекций: 2 часа

Дидактические единицы

Механизм растворения сталей и жаропрочных сплавов, влияние структуры и химического состава на производительность обработки, влияние анионного состава и концентрации электролита на потенциал активации, влияние термообработки на обрабатываемость сталей, растравливание по границам зёрен при обработке сплавов на основе никеля, пассивность, оксидные плёнки, влияние легирующих элементов, потенциал пробоя, питтингообразование, наводораживание, поляризационные кривые титана и его сплавов, синергетический эффект при обработке в бисолевых растворах, достижимые технологические показатели.

Методические рекомендации

В начале занятия необходимо рассказать об основах электрохимической обработки, области применения и истории развития.

Далее привести схему обработки, рассказать об основных параметрах электрохимической обработки.

После этого необходимо рассказать о механизме растворения сталей и жаропрочных сплавов, влияние структуры и химического состава на производительность обработки, влияние анионного состава и концентрации электролита на потенциал активации, влияние термообработки на обрабатываемость сталей, растравливание по границам зёрен при обработке сплавов на основе никеля, пассивность, оксидные плёнки, влияние легирующих элементов, потенциал пробоя, питтингообразование, наводораживание, поляризационные кривые титана и его сплавов, синергетический эффект при обработке в бисолевых растворах, достижимые технологические показатели.

Рассмотрении каждого из параметров необходимо дополнять рассказ наглядными иллюстрациями.

В конце лекции необходимо подытожить изложенный материал.

Тема 5. Особенности электрохимической обрабатываемости вольфрамокобальтовых сплавов и объёмных наноструктурных материалов, влияние ЭХО на физико-механические и эксплуатационные свойства деталей.

Знания: Знать особенности электрохимической обрабатываемости наноструктурированных металлов и сплавов, полученных методами интенсивной пластической деформации и нанопорошковых спеченных сталей и сплавов; Знать влияние электрохимической обработки на физико-механические и эксплуатационные свойства деталей

Лекция: №5

Объем лекций: 2 часа

Дидактические единицы

Анодное растворение вольфрама, анодное растворение кобальта, управление кислотностью межэлектродной среды, достижимые технологические показатели, влияние величины зерна на основные технологические показатели, специфика процесса ЭХО, влияние растравливания по граница зёрен, влияние наводораживания, влияние униполярной ЭХО на усталостую прочность, влияние остаточных напряжений в поверхностном слое, влияние импульсной биполярной ЭХО на усталостую прочность, коррозионную стойкость, износостойкость.

Методические рекомендации

В начале занятия необходимо напомним о механизме растворения металлов при электрохимической обработке.

Далее рассмотреть вопрос анодного растворения вольфрама, анодное растворение кобальта, управление кислотностью межэлектродной среды.

Обратить внимание слушателей на достижимые технологические показатели, влияние величины зерна на основные технологические показатели, специфика процесса ЭХО, влияние растравливания по граница зёрен, влияние наводораживания.

Далее рассмотреть вопрос связанный с влиянием униполярной ЭХО на усталостую прочность, влияние остаточных напряжений в поверхностном слое, влияние импульсной биполярной ЭХО на усталостую прочность, коррозионную стойкость, износостойкость.

В конце занятия подытожить пройденный материал.

Тема 6. Технологии модификации наноструктурированных материалов

Знания: Знать область применения и особенности обработки ионно-плазменными методами; Знать влияние структурно-фазового состава поверхности детали после электрохимической обработки на способность ее модификации электронными и ионными пучками и защиты функциональными покрытиями; Знать влияние параметров ионно-плазменной обработки на физико-химические и эксплуатационные свойства поверхности.

Умения:

Лекция: №6

Объем лекций: 2 часа

Дидактические единицы

Цели и задачи технологий модификации материалов. Особенности и преимущества обработки ионно-плазменными методами по сравнению с традиционными. Общая характеристика и классификация ионно-плазменных методов обработки. Влияние параметров ионно-плазменной обработки на физико-химические и эксплуатационные свойства поверхности. Взаимосвязь между свойствами ионно-плазменных покрытий и параметрами поверхностного слоя. Влияние ионно-плазменной обработки на адгезию покрытий. Остаточные напряжения в ионно-плазменных покрытиях. Микротвердость вакуумных ионно-плазменных покрытий. Влияние режимов обработки на шероховатость покрытий. Коррозионные свойства конструкционных сталей и сплавов с покрытиями. Эрозионная стойкость покрытий. Влияние параметров ионно-плазменной обработки на точность.

Методические рекомендации

Прежде чем сформулировать основные цели и задачи технологии модификации материалов необходимо напомнить слушателям об известных ионно-плазменных методах.

В первую очередь необходимо уделить внимание на особенности и преимущества обработки ионно-плазменными методами по сравнению с традиционными.

Далее необходимо дать общую характеристику и классификацию ионно-плазменных методов обработки. При рассмотрении данного вопроса необходимо объяснить слушателям связь между характеристиками методов и областью их применения.

При рассмотрении раздела по влиянию параметров ионно-плазменной обработки на физико-химические и эксплуатационные свойства поверхности, необходимо акцентировать внимание на взаимосвязи между свойствами ионно-плазменных покрытий и параметрами поверхностного слоя.

Далее необходимо рассмотреть вопросы связанные с влиянием ионно-плазменной обработки на адгезию покрытий, остаточные напряжения, микротвердость, шероховатость и точность покрытий.

В конце лекции следует суммировать достоинства и ограничения рассмотренных методов модификации поверхности и рассказать о ближайших перспективах их использования в промышленных условиях.

Тема 7. Основы проектирования технологии модификации наноструктурированных материалов

Знания: Знать принципы проектирования технологических процессов ионно-плазменной модификации поверхности

Умения: Уметь разрабатывать технологические процессы ионной модификации поверхности; Уметь рассчитывать технологические режимы ионной модификации поверхности; Уметь рассчитывать параметры физико-химических процессов на поверхности твердого тела при ионной модификации.

Лекция: №7

Объем лекций: 2 часа



Страницы: 1 | 2 | Весь текст