Physical Methods of Research
Основною метою викладання кредитного модуля “Фізичні методи досліджень” є формування у студентів необхідних теоретичних знань і практичних умінь щодо використання приладів і методик для вимірювання характеристик концентрованих джерел енергії, різних властивостей матеріалів, дослідження фізичних процесів, що протікають при взаємодії концентрованих потоків енергії з матеріалами, якими він повинен володіти для вирішення системи типових задач діяльності для виконання виробничих функцій.
Студенти після засвоєння навчальної дисципліни мають продемонструвати такі результати навчання:
знанняпринципів вибору об’єктів досліджень у залежності від способу вимірювання, технологію їх виготовлення (препарування), будову та принципи дії відповідного обладнання та методів обробки одержаних результатів.
вміння визначити хімічний та фазовий склад об’єкту, дослідити його структуру та субструктури; виміряти механічні характеристики та проаналізувати зв'язок: хімічний склад – обробка – фазовий склад – структура – властивості.
Розділ1. Фізичні методи досліджень.
Тема 1.1. Загальна характеристика та області застосування фізичних методів досліджень. Мета та задачи курсу. Основні терміни та визначення. Основні принципи метрології. Методи обробки результатів спостережень, вимірювань. Класифікація фізичних методів досліджень. Коротка характеристика методів, області застосування. Об’єкти досліджень, способи їх виготовлення. Технологія приготовлення мікрошліфів, технологічне обладнання, абразивні матеріали та хімічні реактиви.
Розділ 2. Структура, фазовий та елементний склад матеріалів.
Тема 2.1. Методи досліджень мікроструктури матеріалів. Світлова мікроскопія. Методи мікроструктурного аналізу. Світлова мікроскопія. Принцип роботи і побудова мікроскопа. Об’єктиви. Дефекти зображень. Окуляри. Освітлювальні системи. Основні характеристики мікроскопа: збільшення, розрізняльна здатність. Способи світлової мікроскопії. Метод косого освітлення. Метод темнопольного спостереження. Метод інтерференціонного контрасту. Метод фазового контрасту. Метод спостереження у поляризованому світлі.
Тема 2.2. Методи досліджень мікроструктури матеріалів. Електронна мікроскопія. Електронна просвічуюча мікроскопія. Побудова та принцип дії електронного мікроскопу. Метод фольг. Метод реплік. Растрова електронна мікроскопія. Побудова та принцип дії растрового електронного мікроскопу. Джерела інформації в зоні дії електронного променя, їх характеристики. Методика роботи у режимі відбитих електронів, поглинутих електронів. Оже – спектроскопія. Методики досліджень мікроструктури. Фрактографія. Дослідження дислокацій, тонкої кришталевої структури. Мікроаналіз.
Тема 2.3. Методи визначення фазового складу матеріалів. Кришталева побудова матеріалів. Кришталографічні площини та іх визначення. Принцип взаємодії рентгеновського випромінювання з матеріалами. Рентгеноструктурний аналіз. Види обладнання. Принцип дії та побудова дифрактометра. Конструкції камер. Методика роботи з дифрактометром. Визначення фазового складу матеріалів. Методика розшифровування дифрактограм.Визначення окремих фазових складових, кількісний аналіз.
Тема 2.4. Визначення елементного складу та розподілу легуючих елементів та домішок у матеріалах. Методи визначення хімічного складу матеріалів. Хімічний метод. Спектральний метод. Рентгеноспектральний мікроаналіз. Побудова рентгеноспектрального мікроаналізатора. Підготовка об’єктів та методика дослідження. Локальність та точність метода. Можливості метода РСМА. Іонний мікроаналіз: мас-спектроскопія вторинних іонів. Принцип метода. Спектрометр. Можливості метода. Методи визначення товщини покриттів, наплавлених шарів, шарів зі зміненою структурою.5
Розділ 3. Методи визначення фізико-механічних властивостей матеріалів.
Тема 3.1. Методи вимірювання твердості матеріалів. Твердість матеріалів - визначення. Статичні та динамічні методи вимірювання твердості матеріалів. Метод Бринеля. Метод Роквелла. Метод Виккерса. Метод мікротвердості. Метод дряпання. Твердість по Шору. Твердість по Кнуппу. Метод динамічного вчавлювання індентора.
Тема 3.2. Методи вимірювання механічних характеристик матеріалів. Методи визначення залишкових макронапружень в поверхневих шарах матеріалів. Метод пошарового травлення (М.М. Давиденкова), метод розрізного кільця, голографічний спосіб. Методи вимірювання характеристик втомленої міцності матеріалів. Зразки. Обладнання. Методи визначення міцності зчеплення покриттів з основою. Метод штифтів.
Тема 3.3. Методи визначення зносостійкості, теплостійкості та корозійної стійкості матеріалів. Триботехнічні характеристик матеріалів. Способи випробувань на зношування. Машини тертя. Методи визначення теплостійкості та жароміцності матеріалів після фізико-технічної обробки. Методи вимірювання характеристик корозійної стійкості матеріалів. Ваговий та потенціостатичний метод визначення швидкості корозії.
Розділ 4. Методи досліджень швидкопротікаючих процесів.
Тема 4.1. Методи вимірювання температур нагріву матеріалів при дії концентрованих потоків енергії. Методи вимірювання темпратур при фізико-технічній обробці матеріалів. Метод термопар. Пірометричні способи безконтактного вимірювання термопар. Яркістна пірометрія. Пірометри повного поглинання.
Тема 4.2. Гідродинамічні характеристик процесів взаємодії концентрованих потоків енергії з матеріалами. Методи вимірювання швидкостей переміщення границі розплаву та випаровування. Дослідження характеристик газового потоку при газолазерному різанні матеріалів та газопорошкового струменя при лазерному наплавленні.
Методичні вказівки до проведення практичних занять, виконання контрольних робіт та самостійної роботи. Рентгенівський аналіз залишкових напружень
1.Залишкові напруження та їх вплив на експлуатаційні властивості деталей машин.
2. Умови, причини та механізми виникнення залишкових напружень.
3. Фізика рентгенівських променів.
4. Обґрунтування вибору рентгенівського методу вимірювання залишкових напружень
5. Дифракція рентгенівських променів на кристалічній гратці. Формула Вульфа – Бреггов
6. Кристалографічні індекси атомних площин та направлень
7.Дифракційний спектр полікристалічного матеріалу.
8. Одержання дифракційного спектру в дифрактометрах з фокусуванням по Бреггу- Брентано
9. Вплив пружних однорідних напружень на вигляд рентгенівської дифрактограми
10. Вибір дифракційних максимумів для вимірювання залишкових напружень
11. Визначення залишкових напружень sin²ψ – методом
11.1. Теоретичні основи методу.
11.2. Послідовність вимірювання залишкових напружень в деталях машин
12. Приклади розрахунку залишкових напружень та аналізу механізмів їх виникнення.
12.1. Обробка технічного заліза імпульсним лазерним випромінюванням без перекриття ЗТВ та оплавлення поверхні
12.2. Обробка сталі 20 імпульсним лазерним випромінюванням без перекриття ЗТВ та оплавлення поверхні.
12.3. Лазерне гартування сталі 65Г випромінюванням твердотільного YAG-лазера неперервної дії.
12.4. Газопорошкове лазерне наплавлення: будування епюри ЗН в шарі
12.5. Комбінована обробка: лазерне легування з послідуючим іоно– плазмовим азотуванням
Лабораторна робота №1. Визначення хімічного складу матеріалів методом мас – спектроскопии вторинних іонів
Лабораторна робота 2. Визначення хімічного складу матеріалів методом рентгеноспектрального мікроаналізу
Лабораторна робота 3. Ідентифікація однофазних речовин по даним про міжплощинні відстані
Лабораторна робота 5. Рентгеноструктурний якісний фазовий аналіз
Лабораторна робота 6. Аналіз напруженого стану деталей методами рентгеноструктурного аналізу