Кафедра біомедичної інженерії

[BF29] Матеріалознавство та конструкційні матеріали

Робоча програма навчальної дисципліни (Силабус)

Реквізити навчальної дисципліни

Рівень вищої освітиПерший (бакалаврський)
Галузь знань-
Спеціальність
Освітня програма163Б МІ - Медична інженерія (ЄДЕБО id: 28920)163Б РБІ - Регенеративна та біофармацевтична інженерія (ЄДЕБО id: 32311)163Б МІ+ - Медична інженерія (ЄДЕБО id: 58753)163Б РБІ+ - Регенеративна та біофармацевтична інженерія (ЄДЕБО id: 58754)
Статус дисципліниНормативна
Форма здобуття вищої освітиОчна
Рік підготовки, семестр2 курс, осінній семестр
Обсяг дисципліни4,5 кред. (Лекц. 36 год, Практ. 36 год, Лаб. 0 год, СРС. 63 год )
Семестровий контроль/контрольні заходиЗалік
Розклад занятьhttps://rozklad.kpi.ua
Мова викладанняУкраїнська
Інформація про керівника курсу / викладачів Лекц.: Тарасова Л. Д.,
Практ.: Тарасова Л. Д.,
СРС.: Тарасова Л. Д.
Розміщення курсу

Програма навчальної дисципліни

1. Опис навчальної дисципліни, її мета, предмет вивчання та результати навчання

Навчальна дисципліна «Матеріалознавство та конструкційні матеріали» вивчає:

  • взаємозв’язок між складом, будовою та властивостями матеріалів;
  • фазові перетворення,  тепловий  вплив,  поверхневі  явища,  інші чинники, що  впливають на основні властивості  матеріалів;
  • основи термічної, хіміко-термічної обробки та інших способів зміцнення матеріалів;
  • закономірності змін властивостей матеріалів при зовнішніх фізико-хімічних впливах;
  • номенклатуру конструкційних матеріалів, що застосовуються в галузі біомедичної інженерії;
  • теоретичні основи створення нових матеріалів із заданими властивостями.

Під час вивчення  дисципліни студенти  набувають  вмінь і досвіду практичного застосування знань з матеріалознавства для обґрунтованого вибору конструкційних матеріалів, з наперед заданими властивостями з урахуванням умов їх обробки та  експлуатації.

Метою навчальної дисципліни є формування у студентів компетентностей у відповідності до освітньо-професійної програми «Медична інженерія».

Методи навчання

Пасивні та активні методи навчання для засвоєння найважливіших знань, дослідницький метод навчання, інтерактивний метод, робота в малих групах.

Інтегральна компетентність (ОП введено в дію Наказом ректора НОН/89/2021 від 19.04.2021р.):

ІК - Здатність розв’язувати складні спеціалізовані задачі та практичні проблеми у біомедичній інженерії або у процесі навчання, що передбачає застосування певних теорій та методів хімічної, біологічної та медичної інженерії, і характеризується комплексністю та невизначеністю умов.

Спеціальні (фахові) компетентності (ОП введено в дію Наказом ректора НОН/89/2021 від 19.04.2021 р.):

ФК 5 - Здатність застосовувати фізичні, хімічні, біологічні та математичні методи в аналізі, моделюванні функціонування живих організмів та біотехнічних систем.

ФК 6 - Здатність ефективно використовувати інструменти та методи для аналізу, проектування, розрахунку та випробувань при розробці біомедичних продуктів і послуг.

ФК 8 - Здатність проводити дослідження та спостереження щодо взаємодії біологічних, природних та штучних систем (протези, штучні органи та ін.).

Програмними результатами навчання після вивчення дисципліни є (ОП введено в дію Наказом ректора НОН/89/2021 від 19.04.2021 р.):

ПРН 1 - Застосовувати знання основ математики, фізики та біофізики, біоінженерії, хімії, інженерної графіки, механіки, опору та міцності матеріалів, властивості газів і рідин, електроніки, інформатики, отримання та аналізу сигналів і зображень, автоматичного управління, системного аналізу та методів прийняття рішень на рівні, необхідному для вирішення задач біомедичної інженерії.

ПРН 9 - Розуміти теоретичні та практичні підходи до створення та застосування штучних біологічних і біотехнічних об’єктів та матеріалів медичного призначення.

ПРН 11 - Здійснювати контроль якості та умов експлуатації медичної техніки та матеріалів медичного призначення, штучних органів та протезів.

ПРН 15 - Вміти вибирати та рекомендувати відповідне медичне обладнання і біоматеріали для оснащення медичних закладів та забезпечення основних стадій технологічного процесу діагностики, профілактики та лікування.

ПРН 19 – Володіння інженерними методами розрахунку елементів приладів і систем медичного призначення, сучасними методами перевірки на експериментальну цілісність і працездатність біотехнічних систем та визначення їх характеристик, методами вибору класичних і новітніх конструкційних матеріалів, а також засобів проектування пристроїв, приладів і систем медико-біологічного призначення.

Згідно з вимогами програми навчальної дисципліни, студенти мають продемонструвати такі результати навчання:

знання:

  • класифікації, будови, властивостей, галузей використання металів та сплавів, закономірності зміни властивостей сплавів під дією термічного, хімічного та механічного впливу;

уміння:

  • по діаграмам стану визначати структуру сплавів, оцінювати їх властивості та раціонально обирати матеріали для тих чи інших виробів в залежності від поставлених вимог.
  • аналізувати вплив процесів термічної, хімічної та механічної обробки на будову і експлуатаційні властивості конструкційних матеріалів.
  • визначати хімічний склад і особливості сплавів за маркуванням.
  • здійснювати пошук та узагальнювати інформацію з питань вибору матеріалів при конструюванні виробів медичного призначення, робити висновки і формулювати рекомендації в межах своєї компетенції.
  • орієнтуватися в сучасних тенденціях розвитку матеріалознавства.

2. Пререквізити та постреквізити дисципліни (місце в структурно-логічній схемі навчання за відповідною освітньою програмою)

Дисципліна відноситься до нормативних освітніх компонентів циклу професійної підготовки, базується на знаннях з фізики, загальної та неорганічної хімії.

Теоретичні знання та практичні навички, що отримані під час вивчення навчальної дисципліни, використовуються під час опанування наступних дисциплін: 

  • нормативної дисципліни: «Механіка»;
  • вибіркових дисциплін:  «Біомедична механіка», «Лікувальна медична техніка», «Розробка та експлуатація фізіотерапевтичних медичних приладів».

3. Зміст навчальної дисципліни

Перелік розділів і тем всієї дисципліни

Розділ 1. Основи металознавства

Тема 1.1. Класифікація, будова, властивості та склад металів та металевих сплавів.

Тема 1.2. Теорія сплавів. Діаграми стану сплавів.

Тема 1.3. Сплави заліза з вуглецем. Діаграма стану сплавів залізо-цементит.

Розділ 2. Основи термічної обробки металів і сплавів

Тема 2.1 Теорія термічної обробки. Перетворення при термічній обробці сталі.

Тема 2.2. Поверхневе зміцнення  металів і сплавів.

Розділ 3. Конструкційні матеріали – класифікація, властивості, призначення

Тема 3.1. Леговані сталі.

Тема 3.2. Метали та сплави з особливими властивостями.

Тема 3.3. Кольорові метали та сплави.

Тема 3.4. Неметалічні конструкційні матеріали.

4. Навчальні матеріали та ресурси

Базова література

  1. Афанасьєва О.В. Матеріалознавство та конструкційні матеріали. Навч. посібник. – Харків: ХНУРЕ, 2016. –  188  с.
  2. Технологія  конструкційних матеріалів і матеріалознавство. Конспект лекцій. Ч.ІІ / Уклад. Є.Г. Афтанділянц,  О. В. Зазимко, К.Г. Лопатько, А.В. Поліщук. – Київ: НУБіП, 2016. – 322 с.
  3. Матеріалознавство: навч. посіб. / В.І. Бузило, В.П. Сердюк, А.В. Яворський, О.А. Гайдай / М-во освіти і науки України, Нац. техн. ун-т «Дніпровська політехніка» – Дніпро: НТУ «ДП», 2021. – 243 с.
  4. Основи матеріалознавства. Частина 2. Метали та сплави. Неметалеві матеріали. Конспект лекцій для студентів хімічного факультету / Укладачі: Юрченко О.М., Кормош Ж.О., Парасюк О.В. – Луцьк: Вежа-друк, 2018. – 56 с.
  5. Технологія конструкційних матеріалів та матеріалознавство, розділ Матеріалознавство: Навчальний посібник / Л.Г. Бодрова, Г.М. Крамар, Я.О. Ковальчук, І.В. Коваль – Тернопіль: ФОП Паляниця В.А., 2023. – 157 с.
  6. Матеріалознавство та конструкційні матеріали. Конспект лекцій: навчальні  матеріали  для самостійного та дистанційного вивчення для студ. спеціальності 163  «Біомедична інженерія» / КПІ ім. Ігоря Сікорського; уклад.: Л.Д Тарасова.  – Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021. Посилання на ресурс: https://do.ipo.kpi.ua/course/view.php?id=1342
  7. Матеріалознавство та конструкційні матеріали. Практикум [Електронний ресурс] : навчальний посібник для здобувачів ступеня бакалавра за освітніми програмами «Медична інженерія», «Регенеративна та біофармацевтична інженерія» спеціальності 163 «Біомедична інженерія» / Л. Д. Тарасова ; КПІ ім. Ігоря Сікорського. – Електронні текстові дані (1 файл: 2,53 Мбайт). – Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022. – 143 с. – Назва з екрана. Посилання на ресурс: https://ela.kpi.ua/handle/123456789/48262
  8. Марочник сталі та сплавів. Режим доступу: http://www.splav-kharkov.com/choose_type.php

Додаткова література

  1. Афтанділянц Є. Г., Зазимко О. В., Лопатько К. Г. Матеріалознавство: Підручник. К.: Вища освіта, 2012. – 548 с. 
  2. Бялік О.М.та ін. Металознавство: Підручник. – К.: ІВЦ «Політехніка», 2001. – 375 с. – ISBN 966-622-053-9.
  3. Власенко А. М., Співак О. Ю. Матеріалознавство: Навчальний посібник. – Вінниця: ВДТУ, 2002. – 101 с.
  4. Кшнякін В. С. Основи фізичного матеріалознавства : навч. посіб. : у 2 ч. / В.С. Кшнякін, А. С. Опанасюк, К. О. Дядюра. – Суми : Сумський державний університет, 2015. – Ч. 2. – 291 с. ISBN 978-966-657-586-2,  ISBN 978-966-657-588-6. 
  5. Методичні вказівки до виконання практичних робіт з дисципліни «Фізичне матеріалознавство» для здобувачів першого (бакалаврського) рівня вищої освіти зі спеціальності 104 Фізика та астрономія всіх форм навчання / Укл.: Лисенко О.Б, Калініа Т.В. Кам’янське, ДДТУ, 2019.– 64 с.
  6. Уварова І.В., Горбик П.П., Горобець С.В., Іващенко О.А., Ульянчич Н.В. Наноматеріали медичного призначення. За ред. акад. НАН України В.В. Скорохода - К.: Наукова думка, 2014. – 415 с
  7. Матеріалознавство та конструкційні матеріали. Практикум  [Електронний ресурс] : навч. посіб. для студ. спеціальності 163 «Біомедична інженерія»,для всіхспеціалізацій / І. Ю. Худецький, К. В. Ляпіна, Ю. В. Антонова-Рафі; КПІ ім. Ігоря Сікорського. – Електронні текстові данні (1 файл: 6,19 Мбайт). – Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2018. – 147 с.
  8. Шаповал С. В. Конспект лекцій з дисципліни «Матеріалознавство» (для студентів 2 курсу денної форми навчання освітнього рівня «бакалавр» спеціальності 185 – Нафтогазова інженерія та технології) / С. В. Шаповал ; Харків. нац. ун-т міськ. госп-ва ім. О. М. Бекетова. – Харків : ХНУМГ ім. О. М. Бекетова, 2017. – 122 с. 
  9. Callister, William D. Materials Science and Engineering: an introduction / William D. Callister, Jr. – 7th ed. Copyright 2007, John Wiley & Sons, Inc.

Навчальний контент

5. Методика опанування навчальної дисципліни (освітнього компонента)

 

Тема

Програмні

результати

навчання

Основні завдання

Контрольний захід

Термін виконання

Класифікація, будова, властивості та склад металів та металевих сплавів.

ПРН 1

ПРН 9

 

Практична робота 1

Практична робота 2

Практична робота 3

Практична робота 4

1-й тиждень

2-й тиждень

3-й тиждень

4-й тиждень

Теорія сплавів.

Діаграми стану сплавів.

Сплави заліза з вуглецем. Діаграма стану сплавів залізо-цементит.

ПРН 1

ПРН 9

ПРН 11

 

 

Практична робота 5

Практична робота 6

Практична робота 7

Практична робота 8

5-й тиждень

6-й тиждень

7-й тиждень

8-й тиждень

Теорія термічної обробки. Перетворення при термічній обробці сталі. Поверхневе зміцнення   металів   і сплавів

ПРН 1

ПРН 9

ПРН 11

 

Практична робота 9

Практична робота 10

Практична робота 11

 

9-й тиждень

10-й тиждень

11-й тиждень

 

Леговані сталі.

Метали та сплави з особливими властивостями

ПРН 11

ПРН 15

ПРН 19

Практична робота 12

 

12-й тиждень

 

Кольорові метали та сплави

ПРН 11

ПРН 15

ПРН 19

Практична робота 13

Практична робота 14

 

13-14-й тиждень

 

Неметалічні конструкційні матеріали

ПРН 11

ПРН 15

ПРН 19

Практична робота 15

Практична робота 16

 

15-й тиждень

16-й тиждень

 

Реферат

ІК

 

Подання реферату на оцінювання

16-17-й тиждень

Модульна контрольна робота 

ІК

 

Практична робота 17

17-й тиждень

Залік / залікова контрольна робота

 

Практична робота 18

18 тиждень

Рекомендації щодо засвоєння навчальних занять (у формі деталізованого опису кожного заняття та запланованої роботи): 

Лекційні  заняття

Теми лекційних  занять

1. Роль матеріалів у сучасній техніці. Класифікація матеріалів. Кристалічна будова металів. Поняття про матеріалознавство, як науку.  Роль вітчизняних та зарубіжних вчених у розвитку матеріалознавства. Фактори, що впливають на вибір матеріалів. Умови роботи біомедичного устаткування. Загальна характеристика металів. Кристалічна будова металів. Типи елементарних комірок, їх кількісні характеристики.  Температурний поліморфізм металів. Основні параметри кристалічних решіток: координаційне число, коефіцієнт компактності, індекси площин та напрямків. Анізотропія кристалів.

2. Дефекти кристалічної  будови. Класифікація дефектів. Характеристика точкових дефектів (вакансії, міжвузлові атоми, дефекти за Френкелем і Шотткі, домішкові атоми заміщення і проникнення). Лінійні дефекти (крайові та гвинтові дислокації,  вектор Бюргерса, густина дислокацій). Поверхневі дефекти (поверхні розділу між окремими зернами або субзернами у полікристалічному металі). Об'ємні дефекти (скупчення точкових дефектів, що утворюють пори, вкраплення іншої фази). Площини ковзання. Вплив дефектів кристалічних граток на міцність кристала.

3. Механічні властивості  матеріалів  і  методи  їх  визначення. Деформації та напруження. Закон Гука, межі його застосування. Стандартні механічні властивості. Характеристики, що визначаються при розтягу. Аналіз умовних і робочих діаграм. Енергія деформації. Твердість та методи її визначення (метод Брінелля, Роквелла, Віккерса). Запас міцності. Ударна в’язкість, опір втомі.

4. Пластична деформація і рекристалізація. Механізм пластичної деформації та її вплив на мікро-, субмікроструктуру та густину дислокацій. Зв’язок між основними характеристиками структури та механічними та іншими властивостями. Сутність явища наклепу і його практичне використання. Вплив нагрівання на структуру і властивості  деформованого металу. Сутність процесів віднови, первинної та вторинної рекристалізації. Холодна і гаряча пластичні деформації. Рекристалізаційне відпалювання і його призначення.

5. Теорія сплавів. Діаграми стану сплавів.  Сплав, система, компонент, фаза. Правило фаз Гіббса.  Типи взаємодії компонентів сплаву. Тверді розчини заміщення та проникнення. Термодинамічні основи фазових перетворень металів. Процес кристалізації. Побудова діаграм стану сплавів.. Правило відрізків – визначення складу і кількості кожної фази. Основні типи діаграм стану сплавів: І, ІІ, ІІІ, ІУ типу. Зв'язок між типом діаграми стану сплаву та властивостями сплавів за М.С. Курнаковим.

6. Діаграми стану залізо-цементит Fе-FезС. Фазовий склад, структурні складові залізовуглецевих сплавів та їх властивості. Основні  фази залізовуглецевих сплавів: ферит, аустеніт, цементит, перліт, ледебурит, графіт. Характерні точки діаграми. Мікроструктури залізовуглецевих сплавів. Морфологічні форми графіту.

7. Вуглецеві сталі. Склад вуглецевих сталей, структура і властивості залежно від вмісту постійних домішок. Класифікація та маркування вуглецевих сталей за способом виробництва; за вмістом вуглецю; за якістю. Сталі звичайної якості (групи А, Б, В); якісні вуглецеві сталі (S < 0,04 %, Р < 0,04 %) та високоякісні сталі (S і Р < 0,03 %), їх використання. Класифікація сталей за методом придання форми та розмірів – литі, ковані, прокатані; за структурою – доевтектоїдні (ферит+перліт), евтектоїдні (перліт), заевтектоїдні (перліт+цементит); за призначенням – конструкційні (до 0,7 % С), інструментальні (0,7-1,35 % С), автоматні та котельні. Вуглецеві інструментальні сталі, їх  маркування та призначення.

8. Машинобудівні чавуни. Структура, властивості та використання. Білі, сірі, ковкі, високоміцні чавуни. Їх мікроструктура і форми графіту. Залежність механічних характеристик чавунів  від форми, розмірів, кількості та характеру розміщення графітових включень. Модифікування чавуну. Перетворення, що відбуваються під час графітизації чавуну. Вплив домішок і швидкості охолодження на структуру та властивості чавуну. Класифікація, маркування та призначення машинобудівних чавунів. Леговані чавуни (корозійностійкі, жаростійкі і жароміцні, зносостійкі, немагнітні та інші), їх призначення.

9. Технологічні  процеси  термічної обробки. Відпал І роду та його різновиди (рекристалізаційний, гомогенізуючий (дифузійний тощо). Відпал ІІ роду. Повний, неповний, сфероїдизуючий,  ізотермічний та нормалізаційний відпал. Гартування та його види. Загартованість, прогартованість (прожарюваність) сталей.  Способи гартування. Відпуск низький, середній, високий. Старіння та його види. Термічна обробка чавуну.

10. Теорія термічної обробки сталі. Основи теорії термічної  обробки сталі.  Фазові перетворення та основні структури при нагріванні та охолодженні сталі. Перетворення перліту в аустеніт та аустеніту на перліт. Перетворення аустеніту в мартенсит. Вплив нагріву на структуру і властивості деформованого металу. Наклеп, повернення, полігонізація, рекристалізація. 

11. Хіміко-термічна обробка (ХТО) сталі. Технологічні процеси ХТО: дисоціація, адсорбція (сорбція), дифузія. Цементація. Механізм утворення і будова цементованого шару. Цементація твердим карбюратором. Газова цементація. Термічна обробка сталі після цементації та властивості цементованих деталей. Азотування. Механізм утворення азотованого шару. Сталі для азотування. Технологія процесу азотування. Нітроцементація. Ціанування. Борирування. Дифузійна металізація. Хіміко-термічна обробка чавуну.

12. Конструкційні та інструментальні леговані сталі. Вплив легуючих елементів на критичні точки, структуру та властивості сталей. Класифікація легованих сталей. Конструкційні леговані сталі. Галузі використання конструкційних сталей. Вироби зі сталі. Маркування конструкційних сталей. Класифікація і маркування інструментальних сталей залежно від призначення: для різального інструменту (швидкорізальні); для вимірювального інструменту; штампові сталі для деформування в холодному стані; штампові сталі для деформування у гарячому стані; тверді сплави. Експлуатаційні властивості інструментальних сталей.

13. Метали та сплави з особливими властивостями Корозійностійкі сталі, їх властивості, структура, використання. Види корозійного руйнування. Жаростійкі та жароміцні сталі і сплави. Методи їх обробки та застосування. Магнітні сталі та сплави. Сплави з заданим температурним коефіцієнтом лінійного розширення. Сталі та сплави з особливими пружними властивостями. Тугоплавкі метали та їх сплави, характеристика, властивості та галузі застосування. Маркування сталей. Перспективи розвитку та створення нових матеріалів. Лазерне легування атомами хрому/азоту. Радіаційно тривкі матеріали. Сучасні наноматеріали та нанотехнології.

14. Кольорові метали та їх сплави. Сплави на основі міді та нікелю. Сплави з особливими електрофізичними властивостями. Мідь та її сплави. Класифікація мідних сплавів, їх склад, система маркування, властивості та області застосування. Механічні властивості міді та латуней. Допустимі навантаження на мідні сплави в залежності від робочої температури. Бронзи. Механічні властивості деяких бронз та їх використання. Жароміцні сплави міді та їх призначення. Нікель та його сплави. Призначення, марки та фізико-механічні властивості нікелю та його сплавів. Сплави для термопар, їх характеристики. Сплави для електронагрівників, їх фізико-механічні властивості.

15. Кольорові метали та їх сплави. Сплави на основі алюмінію, магнію, титану. Основні властивості алюмінію. Класифіка­ція алюмінієвих сплавів (деформовані, ливарні, спечені).  Термічно незміцнювані та термічно зміцнювані сплави, їх властивості, маркування, призначення.  Технологічні способи виготовлення виробів із сплавів кожної групи. Галузі використання деформованих і ливарних сплавів магнію. Загальна характеристика титану. Алотропічні модифікації титану. Вплив легуючих елементів і домішок на механічні властивості титану. Термічна обробка титанових сплавів. Система маркування і галузі використання.

16. Неметалеві конструкційні матеріали. Пластмаси. Класифікація пластмас за призначенням. Фізико-механічні властивості та сфери застосування термопластичних пластмас (термопластів). Характеристики найбільш поширених термопластів на основі поліетилену, поліпропілену, фторопласту, поліаміду, органічного скла. Процес старіння пластмас. Пінопласти. Термореактивні пластмаси (реактопласти). Класифікація реактопластів за формою наповнювачів. Порошкові, волокнисті та шаруваті реактопласти.

17. Інші неметалеві конструкційні матеріали. Гумовотехнічні матеріали. Загальні відомості. Основні інгредієнти гумової суміші. Механічні властивості гум. Гуми загального і спеціального призначення, їх характеристики та галузі використання. Клеї та їх склад. Класифікація клеїв за видом основи. Герметики та їх класифікація. Особливості застосування клеїв і герметиків. Неорганічне скло. Механічні та фізичні властивості скла та способи його зміцнення. Основні різновиди неорганічного скла (кварцове, безосколкове, електропровідне, піноскло, скляне волокно) та галузі його застосування. Ситали. Види технічної кераміка та особливості її застосування.

18. Композиційні  матеріали. Поняття про композиційні матеріали (КМ). Структура та класифікація КМ. Композиційні матеріали з металевою матрицею на основі алюмінію, магнію, титану, нікелю - їх властивості та застосування. Антифрикційний КМ на основі свинцю, армованого дротом із нержавіючої сталі або олов’яної бронзи. Дисперснозміцнені КМ - їх властивості та застосування. КМ з полімерною матрицею, зміцненою волокном. Типи армувальних волокон і полімерних зв’язувальних. Схеми армування. Керамічні композиційні матеріали. Псевдосплави, їх властивості та галузі застосування.

Практичні заняття

Теми практичних занять

  1. Кристалічна будова  металів. Характеристики кристалічних граток. Визначення  теоретичної густини металів.
  2. Індексування вузлів, напрямків і площин кристалічних ґраток. Визначення належності напрямку до певної площини, кутів між атомними площинами та відстані між паралельними площинами.
  3. Механізми утворення вакансій і міжвузлових атомів. Визначення рівноважної кількості вакансій, їх концентрації  та енергії утворення.
  4. Механічні властивості матеріалів. Методика  випробування матеріалів на розтяг. Визначення по умовній діаграмі характеристик пружності, міцності та пластичності матеріалів.
  5. Ретикулярна, лінійна і площинна щільність кристалічних структур. Визначення індексів напрямків і площин найбільш щільного пакування.
  6. Пластична деформація і механізми зміцнення матеріалів. Визначення напруження зсуву, що виникає в системі ковзання.
  7. Кількісний склад металевих сплавів. Визначення залежності між масовими, молярними та об’ємними частками компонентів у сплавах.
  8. Діаграма стану системи, компоненти якої утворюють неперервний ряд рідких і твердих розчинів.
  9. Діаграми стану систем з відсутністю взаємної розчинності та обмеженою розчинністю компонентів у твердому стані.
  10. Системи з хімічними сполуками та проміжними фазами.
  11. Система залізо-цементит. Аналіз перетворень та визначення фазового та структурного стану сплавів в залежності від їх складу та температури.
  12. Дифузійні процеси при хіміко-термічній обробці сталі. Визначення часу, необхідного для досягнення певної концентрації дифундуючого елемента в металі.
  13. Кінетика фазових перетворень. Механізм і кінетика аустенітизації. Рівняння Аврамі. Визначення часу, необхідного для перетворення аустеніту в перліт за певних умов.
  14. Ознайомлення з номенклатурою конструкційних матеріалів, що застосовуються в галузі біомедичної інженерії. Встановлення взаємозв’язку між складом, будовою та властивостями матеріалів. Вибір матеріалів для певного виробу  медичного призначення.
  15. Конструктивна міцність та методи визначення довговічності матеріалів. Графічні методи оцінки довговічності полімерів.
  16. Композиційні матеріали. Вивчення впливу форми, розмірів, кількості  та характеру розміщення наповнювача на механічні характеристики композиційних матеріалів.
  17. Модульна контрольна робота.
  18. Залікова контрольна робота.

6. Самостійна робота студента

з/п

Види  самостійних робіт

Кіль-ть годин

1

Опрацювання теоретичного матеріалу, розглянутого на лекціях

18

2

Розв’язок задач і проведення розрахунків за тематикою практичних робіт

32

3

Підготовка до модульної контрольної роботи

3

4

Написання реферату

10

Разом

63

Одним із видів самостійної роботи під час опанування навчальної дисципліни «Матеріалознавство та конструкційні матеріали»  є написання реферату.

Основна ціль реферату – поглиблення та розширення теоретичних знань студентів з окремих тем навчальної дисципліни, отримання  досвіду самостійної роботи з навчальною та науковою літературою.

Реферат виконується згідно з вимогами, у термін, зазначений викладачем. Тема реферату може бути обрана студентом самостійно, але погоджена з викладачем.

 Приблизна тематика рефератів

  1. Сучасні методи макроструктурного аналізу металів і сплавів.
  2. Методи дослідження макроструктури.
  3. Методи дослідження мікроструктури. Вплив розмірів і форми пор на властивості матеріалів.
  4. Лінійні дефекти кристалічної будови металів. Крайові та гвинтові дислокації. Вектор Бюргерса. Утворення дислокацій та їх розмноження. Рух і взаємодія дислокацій.
  5. Вуглецеві конструкційні сталі. Маркування, властивості та застосування.
  6. Термічна обробка  (ТО) вуглецевих сталей. Основні види ТО.  Способи гартування сталей. 
  7. Поверхневе гартування сталей.
  8. Механізми дифузії в металах і сплавах. Обмінний, циклічний, міжвузельний, вакансійний механізми. Умови реалізації механізму дифузії.
  9. Види хіміко-термічної обробки, їх суть і призначення.
  10. Засоби захисту металів і сплавів від корозії.
  11. Корозійностійкі сталі. Електрохімічна корозія. Корозійностійкі пасивуючі метали. Корозійностійкі непасивуючі метали.
  12. Жароміцні сталі. Хімічна корозія. Жаростійкість металів. Критерії жароміцності матеріалів. Основні групи жароміцних матеріалів.
  13. Конструкційна міцність матеріалів і критерії її оцінки. Критерії міцності. Надійність. Параметри KCV та KCT. Довговічність. Циклічна довговічність.
  14. Алюміній, його сплави, маркування, властивості та застосування.
  15. Мідь, її сплави, маркування, властивості та застосування.
  16. Антифрикційні матеріали. Структура, хімічний склад, властивості, маркування.
  17. Сплави з ефектом пам’яті форми. Властивості, застосування.
  18. Електропровідність металів. Властивості провідників. Матеріали високої провідності. Надпровідники і криопровідники. 
  19. Фулерени: характеристики, властивості та застосування.
  20. Будова та фізико-хімічні властивості фулеренів. Перспективи використання в біомедичній інженерії.
  21.  Вуглецеві нанотрубки їх одержання і властивості.
  22. Особливості будови термопластичних і термореактивних полімерів. Їх переваги, недоліки та галузі застосування.
  23. Механічні випробування пластмас. Випробування на розтягування.  
  24. Механічні випробування пластмас.  Умови проведення випробувань на статичний вигин.
  25. Умови проведення динамічних випробувань пластмас на міцність. Визначення ударної в’язкості.
  26. Визначення твердості пластмас. Емпіричні залежності між твердістю та модулем пружності при стисненні, величиною коефіцієнта Пуассона, межею текучості,  руйнуючим напруженням.
  27. Полімерні матеріали з ефектом пам’яті форми. Властивості, застосування.
  28. Принципи побудови композиційних матеріалів, їх класифікація.
  29. Методи оцінки складу і структури композиційних матеріалів.
  30. Процеси  формування структури теплоізоляційних матеріалів.
  31. Композиційні матеріали на металічній основі.
  32. Наповнювачі полімерних композиційних матеріалів.
  33. Склопластик: властивості, технічні характеристики,  застосування.
  34. Вуглепластик: властивості, технічні характеристики,  застосування.
  35. Механічна міцність скла. Теорія міцності Гриффитса. Статична теорія міцності. Фактори, що визначають міцність скла.
  36. Методи зміцнення скла: травлення поверхні, іонний обмін, термічна обробка.
  37. Склокераміка (ситали). Склад, структура, фізико-механічні властивості, застосування в біомедичній інженерії.
  38. Керамічні матеріали. Вплив фазового складу на механічні властивості.
  39. Основні характеристики каучукових герметиків, їх склад, властивості, переваги, недоліки, застосування.
  40. Наноструктури та наноматеріали. Основні види наноматеріалів, їх фізико-хімічні та фармакологічні властивості.
  41. Сучасні інструментальні методи аналізу матеріалів медичного призначення.

Вимоги до оформлення реферату

Титульний аркуш реферату повинен мати такий зміст: назва університету; назва факультету; назва кафедри; назва спеціальності, назва освітньо-професійної програми, назва навчальної дисципліни; тема реферату; прізвище та ім’я студента, курс, номер академічної групи, рік. 

За титульним аркушем слідує детальний план (зміст) реферату, в якому треба виділити вступ, розділи основного змісту, їх підрозділи (за потребою), висновок, список використаних джерел. У змісті праворуч позначаються номери сторінок початку кожного структурного елемента.

У вступі обґрунтовують актуальність обраної теми, оцінюють стан дослідження проблеми, формулюють мету і визначають завдання реферату, дають короткий загальний огляд наявної літератури і використаних джерел. 

Основна частина включає аналітичний огляд сучасних джерел (не менше 5) та узагальнення інформації за заданою тематикою .

Реферат виконують у стилі мовлення в безособовій формі (розглянуто,, проаналізовано, доведено і т. д.). Викладання матеріалу повинно бути чітким, конкретним, супроводжуватися необхідними поясненнями з посиланням на джерела інформації. Посилання слід зазначати порядковим номером за списком використаних джерел у квадратних дужках, наприклад, «…у збірнику завдань [3, с.34] ...».

У висновку потрібно висвітлити такі аспекти:

  • оцінити ступінь досягнення мети і виконання завдань роботи;
  • перерахувати і стисло охарактеризувати відомі підходи розглянутої проблеми;
  • виділити нові аспекти, що підлягають подальшому вивченню;
  • визначити, що є цінним у реферованих роботах і вимагає додаткового аналізу.

Список використаних джерел оформляється згідно з діючими правилами. Якщо інформація взята з мережі Інтернет, потрібно, як і для звичайної літератури, вказати автора, назву статті, а потім навести адресу сайту.

Реферат має бути надрукований на стандартному аркуші формату А 4 з дотриманням таких вимог: поля ліве – 30 мм, праве – 15 мм, верхнє – 20 мм, нижнє –20 мм; шрифт Times New Roman розміром 14 пт; міжрядковий інтервал – 1,5; відступ червоного рядка – 1,25; вирівнювання тексту – за шириною.

Вимоги до обсягу реферату не висуваються. Обсяг повинен бути таким, щоб повністю розкрити суть тематики та містити всі необхідні структурні елементи. Рекомендовано не менше 10 та не більше 25 сторінок. 

Кожен структурний елемент змісту роботи починається з нової сторінки. Найменування структурних елементів треба розташовувати по центру рядка без крапки в кінці, без підкреслення, відділяючи від тексту трьома міжрядковими інтервалами. Перенос складів у словах не використовується. Рисунки і таблиці повинні мати заголовки і нумерацію, узгоджену з номером розділу.

Реферат оцінюється за критеріями:

  • Відповідність обраній темі;
  • Якість оформлення та наявність всіх необхідних структурних елементів;
  • Оригінальність поданого матеріалу;
  • Захист роботи - ступінь володіння теоретичним матеріалом, викладеним у рефераті.

Реферати не перевіряються на плагіат, але повинні відповідати вимогам академічної доброчесності. У разі виявлення академічної недоброчесності, робота не зараховується.

Граничний термін подання реферату на оцінювання – 17-й тиждень навчання.

Політика та контроль

7. Політика навчальної дисципліни (освітнього компонента)

Правила відвідування занять

Відвідування лекційних і практичних занять не є обов’язковим. Однак, студентам рекомендується відвідувати заняття, оскільки на них викладається теоретичний матеріал, оцінюється рівень його засвоєння в ході усного опитування,   розвиваються уміння і навички, необхідні для виконання завдань в рамках самостійної роботи. Система оцінювання орієнтована на отримання балів за активність студента, а також виконання завдань, що здатні розвинути практичні уміння та навички. 

Пропущені контрольні заходи

Практичні роботи, що подаються на перевірку з порушенням терміну виконання, але до терміну виставлення поточної атестації (або заліку / іспиту), оцінюються зі штрафними балами. Практичні роботи, що подаються на перевірку з порушенням терміну виконання та після терміну виставлення поточної атестації (або заліку / екзамену), не оцінюються. Реферат, що подається на перевірку з порушенням терміну виконання, оцінюється зі штрафними балами.

Порушення термінів виконання завдань та заохочувальні бали

Заохочувальні бали

Штрафні бали

Критерій

Ваговий бал

Критерій

Ваговий бал

Активна участь в ході усних опитувань

+1 бал

Порушення термінів виконання практичної роботи (за кожну таку роботу)

- 1 бал

Участь у міжнародних, всеукраїнських та/або інших заходах або конкурсах за тематикою навчальної дисципліни

+ 5 балів

Несвоєчасне написання модульної контрольної роботи

Від -2 до -12 балів (залежить від терміну здачі)

 

 

Несвоєчасне  подання на перевірку Реферату

Від -2 до -12 балів (залежить від терміну здачі)

Якщо контрольний захід був пропущений з поважної причини (хвороба, яка підтверджена довідкою встановленого зразка) – штрафні бали не нараховуються.

Академічна доброчесність

Політика та принципи академічної доброчесності визначені у розділі 3 Кодексу честі Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського». Детальніше: https://kpi.ua/code

Норми етичної поведінки

Норми етичної поведінки студентів і працівників визначені у розділі 2 Кодексу честі Національного технічного університету України «Київський політехнічний  інститут  імені  Ігоря Сікорського». Детальніше: https://kpi.ua/code

Процедура оскарження результатів контрольних заходів

Студенти мають можливість підняти будь-яке питання, яке стосується процедури контрольних заходів та очікувати, що воно  буде  розглянуто  згідно  з  наперед  визначеними процедурами. Студент має право оскаржити результати контрольних заходів згідно Положення про апеляції в КПІ ім. Ігоря Сікорського (наказ №НОН/128/2021 від 20.05.2021 р.) https://osvita.kpi.ua/node/182

Інклюзивне навчання

Навчальна дисципліна може викладатися для більшості студентів з особливими освітніми потребами, окрім осіб з серйозними вадами зору, які не дозволяють виконувати завдання за допомогою персональних комп’ютерів, ноутбуків та/або інших технічних засобів.

Дистанційне навчання

Дистанційне навчання відбувається через платформу дистанційного навчання «Сікорський». Виконання практичних робіт, модульної контрольної роботи, домашньої контрольної роботи здійснюється під час самостійної роботи студентів у дистанційному режимі з можливістю консультування з викладачем через електронну пошту, платформу ZOOM, соціальні мережі.

Навчання іноземною мовою

Навчання англійською мовою здійснюється лише для студентів-іноземців. За бажанням студентів, допускається вивчення матеріалу за допомогою англомовних онлайн-курсів за тематикою, яка відповідає тематиці конкретних занять.

8. Види контролю та рейтингова система оцінювання результатів навчання (РСО)

Види контролю та бали за кожен елемент контролю

№ з/п

Контрольний захід

%

Ваговий бал

Кіл-ть

Всього

1.

Практична робота

40

2,5

16

40

2.

Модульна контрольна робота

30

30

1

30

3.

Реферат

30

30

1

30

4

Залікова робота[1]

70

70

1

70

 

 Всього

100

Здобувач отримує позитивну залікову оцінку за результатами роботи в семестрі, якщо має підсумковий рейтинг за семестр не менше 60 балів та виконав умови допуску до семестрового контролю, які визначені РСО.

Зі здобувачами, які не виконали всі умови допуску до заліку та мають рейтингову оцінку менше 60 балів, а також з тими здобувачами, хто бажає підвищити свою рейтингову оцінку, на останньому за розкладом занятті з дисципліни в семестрі, викладач проводить семестровий контроль у вигляді залікової контрольної роботи або співбесіди.

Після виконання залікової контрольної роботи, якщо оцінка за залікову контрольну роботу більша ніж за рейтингом, здобувач отримує оцінку за результатами залікової контрольної роботи.

Якщо оцінка за залікову контрольну роботу менша ніж за рейтингом, застосовується «жорстка» РСО – попередній рейтинг здобувача (за винятком балів за Реферат) скасовується і він отримує оцінку з урахуванням результатів залікової контрольної роботи. Цей варіант формує відповідальне ставлення здобувача до прийняття рішення про виконання залікової контрольної роботи, змушує його критично оцінити рівень своєї підготовки та ретельно готуватися до заліку.

Календарний контроль

Провадиться двічі на семестр як моніторинг поточного стану виконання вимог силабусу. Метою проведення календарного контролю є підвищення якості навчання студентів та моніторинг виконання графіка освітнього процесу студентами.

Критерій

Перша

атестація

Друга

атестація

Термін календарних контролів

8-ий тиждень

14-ий тиждень

Умови отримання позитивного результату з календарного контролю

 

 

Поточний рейтинг

≥ 10,5 балів

≥ 19,5 бали

Виконання практичних робіт

№№ 1-7

+

+

№№ 8-13

+

Модульна контрольна

робота

Оцінена

МКР

Реферат

Оцінений

реферат

У разі виявлення академічної недоброчесності під час навчання – контрольний захід не зараховується.

Семестрова атестація студентів

Обов’язкова умова допуску до заліку

Критерій

Поточний рейтинг, в тому числі:

RD ≥ 60

  • виконання МКР

не менше 60 % від максимального балу

  • захист Реферату

не менше 60 % від максимального балу

Результати оголошуються кожному студенту окремо у присутності або в дистанційній формі - в системі Moodle або е-поштою. Також фіксуються в системі «Електронний кампус».

Необов’язкові умови допуску до заліку

  • Активність на практичних заняттях.
  • Позитивний результат першого та другого календарних контролів
  • Відвідування лекційних занять.

 

 


[1] Враховується в суму рейтингу разом з оцінкою за Реферат у разі, якщо студент не набрав 60 балів за семестр або бажає покращити свою оцінку.

...

Таблиця відповідності рейтингових балів оцінкам за університетською шкалою
Кількість балівОцінка
100-95Відмінно
94-85Дуже добре
84-75Добре
74-65Задовільно
64-60Достатньо
Менше 60Незадовільно
Не виконані умови допускуНе допущено

9. Додаткова інформація з дисципліни (освітнього компонента)

Перелік питань для підготовки до модульної контрольної роботи та заліку наведено у Додатку 1.

Дистанційне навчання через проходження додаткових онлайн-курсів за певною тематикою допускається, за умови погодження зі студентами.

У разі, якщо невелика кількість студентів має бажання пройти онлайн-курс за певною тематикою, вивчення матеріалу за допомогою таких курсів допускається, але студенти повинні виконати всі завдання, що передбачені  програмою навчальної дисципліни.

Список курсів пропонується викладачем після виявлення бажання студентами, оскільки банк доступних курсів поновлюється майже щомісяця.

Студент надає документ, що підтверджує проходження дистанційного курсу (у разі проходження повного курсу), або надає виконані практичні завдання з дистанційного курсу та, за умови проходження усної співбесіди з викладачем за пройденими темами, може отримати оцінки за контрольні заходи, що передбачені за вивченими темами.

 

Додаток 1  до силабусу дисципліни

«Матеріалознавство та конструкційні матеріали»

Перелік питань /завдань для підготовки до МКР та заліку

  1. Дати визначення елементарній комірці.  Типи і параметри кристалічної комірки. У  чому полягає суть поліморфізму? Наведіть приклади цього явища.
  2. Характеристики кристалічної гратки: координаційне число, коефіцієнт компактності для кристалічних комірок ПК, ОЦК, ГЦК. Анізотропії кристалів.
  3. Вплив кристалічної структури матеріалу на його густину. Визначити теоретичну густину міді за наступних умов: кристалічна структура ГЦК, атомний радіус 0,128 нм, молярна маса 63,5 г/ моль.
  4. Індекси Міллера: індекси вузла, напрямку, площини – правила визначення. Основні формули кристалографії для кубічних кристалів.
  5. Класифікація недосконалостей реальних кристалічних структур. Будова ідеальних та реальних кристалів. Дати характеристику точкових дефектів. Визначення рівноважної концентрації вакансій.
  6. Види дефектів кристалічних граток. Дислокації та їх будова. Причини легкого переміщення в кристалічній гратці, вплив на механічні та фізичні властивості.
  7. Кількісні характеристики  крайової і гвинтової дислокацій: контур і вектор Бюргерса.
  8. Щільність дислокацій. Залежність міцності від щільності дислокацій. Визначити загальну довжину дислокацій в 1000 мм3 матеріалу при щільності дислокацій 105 мм2.
  9. Будова металів і сплавів у твердому стані. Поняття твердих розчинів, хімічних з’єднань, фазових сумішей.
  10. Загальна методика побудови діаграм стану для різних випадків взаємодії компонентів у твердому стані.
  11. Побудова кривих нагрівання і охолодження за допомогою правила фаз. Пояснити суть наступних понять: компонент, фаза, фізико-хімічна система, кількість ступенів свободи.
  12. Діаграми стану для випадків необмеженої і обмеженої розчинності компонентів у твердому стані, а також при утворенні в системі хімічних сполук.
  13. Діаграма стану сплавів, компоненти яких обмежено розчиняються у твердому стані та утворюють евтектику. Визначення складу фаз і їх кількісне співвідношення.
  14. Зв’язок між властивостями сплавів і типом діаграми стану (правило Курнакова).
  15. Охарактеризувати основні ділянки робочої діаграми розтягу. Проаналізувати робочу і умовну діаграми розтягу, охарактеризувати кожну точку діаграми.
  16. Пояснити метод визначення пружних властивостей матеріалів по умовній діаграмі розтягу.
  17. Пояснити метод визначення  характеристик матеріалів на міцність по умовній діаграмі розтягу.
  18. Умовна границя текучості і методи її визначення. Характеристики пластичності.
  19. Пояснити метод визначення залишкової деформації при розтягу по умовній діаграмі. Дати характеристику пластичним і крихким матеріалам, їх особливості та істотні відмінності при випробуваннях на розтяг і стиск.
  20. Пояснити метод визначення енергетичних характеристик по умовній діаграмі розтягу.
  21. Допустиме напруження для пластичних і крихких матеріалів. Чинники, що впливають на вибір коефіцієнта запасу міцності.
  22. Вплив дислокацій на міцність металу? Пояснити розбіжність між теоретичною і реальною міцністю?
  23. Що розуміється під твердістю матеріалу. Суть методу визначення твердості за Брінеллем, Роквеллом, Віккерсом. З якою метою використовуються різні методи визначення твердості?
  24. Динамічні випробування матеріалів. Ударна в’язкість матеріалів і методи її визначення.
  25. Сутність явища наклепу і його практичне використання.
  26. З яких компонентів складається система залізо-цементит? Опишіть їх основні властивості.
  27. Які поліморфні перетворення відбуваються в залізі? Вказати температури. Скільки однофазних областей на діаграмі залізо-цементит? Скільки двофазних областей на діаграмі залізо-цементит?
  28. Дати визначення фериту, аустеніту, цементиту, перліту і ледебуриту. Вказати їх тип кристалічної гратки. Як змінюються будова ледебуриту в залежності від температури (кімнатна, вище евтектоїдної 727°С)?
  29. Як визначити у заданому сплаві при вказаній температурі масову кількість фаз та їх хімічний склад?
  30. Назвіть лінію солідусу на діаграмі залізо-цементит. По яких лініях діаграми залізо-цементит і з якої фази виділяється цементит первинний, вторинний, третинний?
  31. Які перетворення проходять при охолодженні з рідкого стану до кімнатної температури в доевтектоїдному, заевтектоїдному, доевтектичному, евтектичному або заевтектичному сплаві? З яких фаз складаються заевтектоїдні сталі при кімнатній температурі?
  32. Які лінії діаграми залізо-цементит відповідають перитектичному, евтектичному і евтектоїдному перетворенням? Описати сутність перитектичного, евтектичного та евтектоїдного перетворень.
  33. Визначте по діаграмі залізо-цементит, з яких фаз складається сталь з 0,47 % С при температурах 100 і 1000°С?
  34. У чому відмінність сірого чавуну від білого? Класифікація і маркування сірих чавунів. Структури сірих чавунів? Як одержують високоміцний чавун? Його будова, властивості і призначення.
  35. Порівняйте механічні властивості сірого, ковкого і високоміцного чавунів. Яка форма графіту найбільш сприятлива для набуття високих механічних властивостей?
  36. 36.Які лінії на діаграмі стану залізо-вуглець позначаються як А1, А2, А3, А4, Аm? Які перетворення відбуваються при цих температурах? Назвіть основні параметри термічної обробки.
  37. 37.Назвіть основні види суто термічної обробки. Дати визначення і загальну характеристику.
  38. З якою метою призначають повний та неповний відпал доевтектоїдних сталей і до яких температур, відповідно, нагрівають ці сталі? З якою метою призначають відпал заевтектоїдних сталей.
  39. Яка термічна обробка називається нормалізацією? До яких температур нагрівають до- та заевтектоїдні сталі при нормалізації?
  40. Яка термічна обробка називається гартуванням? Які структури можуть утворюватися в сталях при різних швидкостях охолодження з аустенітного стану?
  41. До яких температур нагрівають сталі різного хімічного складу при гартуванні? Яка швидкість охолодження сталей називається критичною? Дайте характеристику структурі «мартенсит»
  42. Для яких сталей призначають низький, середній та високий відпуск? Яка термічна обробка сталей називається поліпшенням?
  43. Фізичні основи хіміко-термічної обробки. Цементація. Азотування. Ціанування. Дифузійна металізація. Переваги ХТО та поверхневого гартування в порівнянні з об’ємною термічною обробкою.
  44. Вплив температури насичення, тривалості процесу, хімічного складу сплаву на глибину дифузійного шару.
  45. Як класифікуються конструкційні сталі за технологією термічної обробки? Вимоги до виробів, що підлягають цементації? Чим визначається вибір марки цемент
Опис матеріально-технічного та інформаційного забезпечення дисципліни

-




Робочу програму навчальної дисципліни (силабус):
Складено Тарасова Л. Д.;
Ухвалено кафедрою БМІ (протокол № 1 від 31.08.2023 )
Погоджено методичною комісією факультету/ННІ (протокол № 1 від 1.09.2023 )