Материал: Формування знань і вмінь з основ матеріалознавства в учнів 7-9-х класів

Розрізняють такі види термічної обробки:

Відпалювання, нормалізація, загартування і відпуск

Відпалювання - вид термообробки, який полягає в нагріванні матеріалу (метал тощо) до температури вище критичної точки, тривалій витримці за цієї температури і подальшому повільному охолодженні. Основними видами відпалювання є гомогенізувальне, графітизувальне, перекристалізаційне,рекристалізаційне, релаксаційне та сфероїдизувальне. Графітизувальне та сфероїдизувальне відпалювання характерне тільки для сталей. Відпалювання підвищує пластичність, зменшує внутрішні напруження, понижує твердість сталей.

Нормалізацією називають нагрівання до високої температури, видержування і повільне охолодження на повітрі. Нормалізація доводить сталь до дрібнозернистої та однорідної структури. Твердість і міцність сталі після нормалізації вищі, ніж після відпалу.

Загартуванням називають нагрівання до високої температури, витримування і швидке охолодження (у воді, мінеральній оливі та інших охолоджувачах). Є такі види загартування: в одному охолоджувачі; перервне; ступінчасте; ізотермічне; поверхневе та ін. Загартування сталей забезпечує підвищення твердості, виникнення внутрішніх напружень і зменшення пластичності. Твердість збільшується у зв'язку з виникненням таких структур: сорбіт, троостит, мартенсит. Практично загартуванню піддаються середньо- і високовуглецеві сталі.

Відпуском називають нагрівання до температури нижчої за 973 К, витримування та повільне охолодження на повітрі. Розрізняють три види відпуску: низький (нагрівання до температури 473 К; середній (573-773 К); високий (773-973 К). Після відпуску в деякій мірі зменшується твердість і внутрішні напруження, збільшується пластичність і в'язкість сталей. До цього приводить зміна структур після відпуску. Структура мартенситу сталі переходить відповідно в структуру трооститу і сорбіту. Чим вища температура відпуску, тим менша твердість відпущеної сталі і тим більша її пластичність та в'язкість.

Відпуск, в основному, проводять після загартування для зняття внутрішніх напружень. Низький відпуск застосовують при виготовленні різального інструменту, вимірювального інструменту, цементованих деталей та ін; середній - при виробництві ковальських штампів, пружин, ресор; високий - для багатьох деталей, що зазнають дії високих напружень (осі автомобілів, шатуни і т.п.).

Поняття “неметалеві матеріали” включає в себе великий асортимент матеріалів, які базуються на полімерах і їх різних сполуках. До них відносяться різного роду пластичні маси, плівки, волокна, гуми, клеї, лакофарбові матеріали, деревина, а також силікатне скло, кераміка та ін.Неметалеві матеріали є не тільки замінювачами металевих матеріалів, але часто застосовуються і як самостійні (іноді, навіть, як матеріали, які не можна замінити). Окремі їх види володіють високою механічною міцністю, іноді більшою за міцність металів. Якщо при цьому врахувати, що неметалеві матеріали значно легші за металеві, як правило більш корозієстійкі, мають високі електроізоляційні характеристики більш дешеві тощо, тоді стає зрозумілим, чому в будь-якому сучасному суспільстві за планами його розвитку надається велике призначення створенню нових неметалевих конструкційних матеріалів, розробці нових і удосконаленню існуючих способів їх виробництва. Тенденція - замінити, там де це можна металеві конструкційні матеріали більш дешевими неметалевими, які б не поступалися по експлуатаційним властивостям металевим, є однією із найважливіших у перспективах технічного розвитку сучасного суспільства. При цьому як і у випадку металевих конструкційних матеріалів і неодмінно надаєїх виробництва удосконалення.

Пластична маса (пластмаса) - штучно створені матеріали на основі синтетичних або природних полімерів. За ДСТУ 2406-94: Пластична маса - матеріал, основою якого є полімер, що перебуває під час формування виробу у в'язкорідкому чи високоеластичному стані, а під час експлуатації - в склоподібному чи кристалічному стані

Пластмаси формують при підвищеній температурі, у той час коли вони мають високу пластичність. Сировиною для отримання полімерів є нафта, природний газ, кам'яне вугілля, сланці.

Органічне скло (в побуті часом оргскло) - прозорі пластмаси на основі поліметилметакрилата (плексигласу), полікарбонатів, полівінілхлориду, полістирола та інших полімерів. Їх перевагами над неорганічним склом є мала густина, вища міцність, добра технологічність: вони легко формуються у вироби, обробляються різанням, добре зварюються, склеюються. Недоліком органічного скла є низька поверхнева твердість. Частіше застосовується поліметилметакрилат, який характеризується доброю оптичною прозорістю (92%), стійкий до дії вуглеводнів, мастильних матеріалів, розчинів кислот та лугів. Застосовується в автомобіле-, судно- та літакобудуванні, медицині для виготовлення багатошарового скла, оптичних лінз, світлотехнічних деталей тощо.

Поліетиле́н (-СН2-СН2-)n - є карбоцепним полімером аліфатичного органічного вуглеводня олефінового ряду етилену. Термопластичний насичений полімерний вуглеводень; твердий, безколірний, жирний на дотик матеріал. Він легший за воду, горить повільно синюватим полум'ям без кіптяви.

Пінопла́сти - газонаповнені пластмаси з пористою структурою, які складаються з комірок, що не сполучаються, отримані з синтетичних смол; характеризуються низькою щільністю та високими тепло- і звукоізоляційними характеристиками.

Пінопласти бувають:

·        поліуретанові,

·        полівінілхлоридові,

·        поліетиленові,

·        карбамід-формальдегідні,

·        полістиролівфенольні, і

·        формальдегідні.

Компози́тний матеріал (КМ), або композит - гетерофазний матеріал, окремі фази якого виконують специфічні функції, забезпечуючи йому властивості, яких не має жодний з компонентів окремо[1]. Зазвичай отримують поєднанням двох або більше компонентів, які нерозчинні або малорозчинні один в одному і мають властивості, що сильно відрізняються. Один компонент пластичний (зв'язувальна речовина, або матриця), а другий має високі характеристики міцності (наповнювач, або зміцнювач). Таким чином, у КМ кожний компонент грає свою специфічну роль: матриця забезпечує пластичність, зміцнювач - міцність матеріалу; Особливий клас КМ - це природні КМ.

КМ класифікують за рядом ознак:

за формою зміцнювального компонента (волокнисті, дисперсно-зміцнені, шаруваті). Волокна можуть бути безперервними і дискретними;

за видом матеріалу матриці (металеві, керамічні, полімерні, вуглецеві);

за схемою армування (для волокнистих матеріалів) - з одновісним, двовісним, тривісним та багатовісним армуванням;

за видом матеріалу зміцнювача (металеві частинки, металеві волокна і шари, вуглецеві, борні, скляні, органічні, керамічні волокна). Залежно від технології введення армувальних волокон у матрицю застосовують різні форми армувальних елементів - нитки, джгути, стрічки, тканини.

У КМ на основі полімерних матриць як полімер використовують епоксидні, фенольні, поліуретанові, поліамідні смоли. Ці смоли мають низьку густину, невисоку температуру полімеризації, високу міцність і жорсткість, достатню адгезійну міцність з основними видами армувальних волокон, гарні технологічні властивості.

Як матеріали зміцнювачів застосовують високоміцні і високо жорсткі (з високим модулем пружності Е) волокна всіх перелічених вище типів залежно від умов роботи виробу. Ними можуть бути тонкий дріт, спеціально виготовлені волокна, вуса. Діаметр волокон змінюється від одиниць до декількох десятків мікрометрів.

Рис. 1.2.3. Композит з двовісним армуванням

У КМ з металевою матрицею основним матеріалом для матриць є сплави на основі Al, Mg, Ті, іноді нікелеві сплави. Як зміцнювач використовують вуглецеві волокна, нитки з карбіду кремнію, оксиди алюмінію, бору, тонкі дроти металів.

У КМ керамічного типу матрицею служать оксиди, нітриди, карбіди, інтерметаліди.

Властивості та використання КМ

.Властивості КМ залежать від матеріалу матриці і зміцнювача, кількісного їх співвідношення, форми зміцнювача, для волокнистих КМ - від схеми армування і довжини волокон.

Матриця зв'язує композицію, придає їй форму. Від властивостей матриці залежать технологічні режими одержання КМ і такі важливі характеристики, як робоча температура, густина, питома міцність.

КМ з металевою матрицею

Механізм зміцнення таких КМ дисперсними частинками і волокнами принципово різний. У дисперсно-зміцнених КМ міцність залежить від здатності дисперсних частинок гальмувати рух дислокацій у матриці. При цьому основне навантаження сприймає матриця, і міцність великою мірою залежить від відстані між частинками та їх розмірів. Залежно від розміру зміцнювальних частинок дисперсно-зміцнені матеріали поділяють на два типи: матеріали з частинками 0,01.-.0,1 мкм у кількості до 15% і композити з частинками, які перевищують за розмірами 1 мкм, при загальній кількості понад 25%. В матеріалах першого типу матриця несе основне навантаження, тоді як частинки утруднюють переміщення дислокацій і тим самим викликають зміцнення. Коефіцієнт зміцнення, оцінений як відношення тимчасового опору композиту до тимчасового опору матриці укомп /уматр, для них може досягати 15. У композитах другого типу навантаження розподіляється між матрицею й зміцнювальними частинками. Крім того, ці частинки, як і в першому випадку, перешкоджають руху дислокацій. Загальне зміцнення укомп /уматр досягає 25.

Прикладом композитів першого типу може бути А1, зміцнений високодисперсними частинками А12О3. Ці матеріали зберігають свою міцність до високих температур (~ 0,8 Тпл), стійкі проти повзучості. Такі композити, як правило, одержують методами порошкової металургії. Вони знаходять застосування як жароміцні і жаростійкі матеріали.

До матеріалів другої групи відносяться широко розповсюджені тверді сплави, виготовлені методом порошкової металургії (WC-Со, ТіС-Со та ін.). Сплави цього типу застосовують для різального інструменту, матриць, пуансонів, лопаток турбін.

В композитах, армованих волокнами, матриця є середовищем, що передає навантаження волокнам і розподіляє його між ними. Отже, міцність таких КМ при незмінній кількості зміцнювача залежить від міцності волокон, сили зчеплення між волокнами і матри¬цею і від опору матриці зсуву. Як приклад приведемо композит «Алор» (алюмінієва матриця + органічне волокно). Якщо в А1 ув ~ 50 МПа, то в такому КМ ув ~ 500-600 МПа, а швидкість росту тріщини, у порівнянні з А1, знижується більш ніж у 20 разів. Це зумовлено гальмуванням розвитку тріщини волокнами.

Важливу роль у зміцненні волокнистих матеріалів грає відношення довжини волокна до його діаметра: чим воно більше, тим вище міцність КМ.

В ряді конструкцій використовуються комбінації (гібриди) різних видів зміцнювачів. Такі КМ називають гібридними. Як правило, вони мають вищі технологічні та службові характеристики, оскільки в них досягається можливість поєднання переваг різних матеріалів.

Кількість зміцнювана у волокнистих КМ може мінятися від декількох відсотків до 70 - 80%, а коефіцієнт зміцнення досягає 50.

Орієнтованостружкова плита (ОСП, часто ОСБ - від англ. Oriented Strand Board) - багатошаровий (3-4 шари) листовийкомпозиційний матеріал, що складається з деревинної стружки, склеєної різними смолами з додаванням синтетичного воску і борної кислоти. Стружка в шарах плити має орієнтацію: в зовнішніх - поздовжню, у внутрішніх - поперечну.

Класифікація:

·        OSB-1 - для користання в умовах зниженої вологості (меблі, обшивка, упаковка)

·        OSB-2 - для виробляння тримальних конструкцій в сухих приміщеннях

·        OSB-3 - для виробляння тримальних конструкцій в умовах підвищеної вологості

·        OSB-4 - для виробляння конструкцій, що працюють в умовах значних механічних навантаг в умовах підвищеної вологості

За покривом ОСП поділяють на:

·        Полаковані - покриті лаком з одного боку

·        Поламіновані - покрита ламінатом (зокрема - під багаторазову опалубку для бетонних робіт: кількість циклів - до 50)

·        Обшпунтовані - плита з обробленими краями з 2-х або 4-х сторін плити для укладання за площею поверхні.

На осннові аналізу програми визначимо зміст вивчення матеріалознавства для 7-9 класів:

У 7 класі в розділі 1 «Основи матеріалознавства» виділено дві години, тобто дві теми, а саме: тема 1.1 «Види конструкційних матеріалів. Деревина.», тема 1.2 «Властивості деревини. Добір матеріалу для виготовлення виробу.» [12]

У 8 класі в розділі 1 «Основи матеріалознавства» виділено дві години, одна тема: тема 1.1 «Сортовий прокат та листовий метал, як конструкційний матеріал.» тому ми її розділимо на 2 уроки.

У 9 класі в розділі 1 «Основи матеріалознавства.» виділено одну годину, тема 1.1 «Метеріали хімічного походження. Композиційні матеріали.»[12]   

В 7 класі учні повині :

Знати: характериcтику деревини як конструкційного матеріалу; називати види пиломатеріалів. хатеризувати властивості деревини; називає дефекти деревини;

Вміти: розрізняти види пиломатеріалів, визначати породи деревини за структурою, вибирати деревину для виготовлення виробу з урахуванням вимог до деревинних матеріалів.

В 8 класі учні повині:

Знати: поняття метал, сплав, чавун та сталь, види сталей, профілі сортового прокату.

Вміти: розрізняти метали та сплави, розпізнавати профілі сортового прокату, визначати вплив термообробки на механічні властивості сталей.

В 9 класі учні повинні:

Знати: види полімерів; приклади виробів, які виготовлені з полімерів та композитів; вплив штучних матеріалів на здоров’я людини і навколишнє середовище; властивості композитів;

Вміти: розрізняти композиційні матеріали серед інших штучних матеріалів; розрізняти композити на основі деревини; визначати шкідливі пластмаси за їх маркуванням

У трудовій діяльності важливу роль відіграють знання і вміння учнів з матеріалознавства, тому важливо щоб вони знаходились на високому рівні, тому для їх формування в учнів ми використаємо інформаційно-комунікаційні технології і опишемо їх систему у наступному параграфі.

1.3    Сутність інформаційно-комунікаційних технологій та їх система для формування знань і вмінь у 7-9 класах

Передавання знань є складовою людської діяльності, тому застосування новітніх інформаційних технологій у галузі освіти зумовлені двома чинниками. З одного боку, це необхідність підготувати учня до його майбутнього робочого місця, а з іншого - необхідність більш ефективної передачі знань, до швидкого сприйняття й обробки інформації,яка надходить, успішно її відображати і використовувати. Наявність знань та вмінь з інформаційних технологій стає базовою вимогою для випускника школи. Молода людина, яка не володіє сучасними ІКТ, яка не ознайомилася з технологіями Інтернет у ЗНЗ, буде неминуче відкинута за межі сучасного інформаційного суспільства.

Сьогодні гострою є потреба розробки і впровадження нових технологій формування знань, умінь і навичок, нового змісту, методів, засобів навчання, дидактично-методичного забезпечення в цілому. Впровадження ІКТ в освітню систему України та формування єдиного інформаційно-освітнього простору - одні з пріоритетних напрямів сучасної державної політики. Науково-методичні основи використання ІКТ у навчально-виховному процесі в середовищі "1 учень - 1 комп'ютер"основною метою ІКТ навчання є підготовка учнів до життєдіяльності, яка відповідає умовам інформаційного суспільства. Педагогічним завданням ІКТ навчання є підвищення якості, інтенсивності і ефективності уроку; розвиток творчості учня; формування інформаційної культури учня, формування знань і вмінь.

Важливим для аналізу шляхів побудови технологій навчання на базі засобів ІКТ, що сприяють розвитку наступності шкільної і вузівської освіти, є питання про класифікацію цих засобів.