Techniki i metody badania materiałów

stacjonarne

II stopnia

W 44/+, Ć8/+, Lab. 24/+, razem: 76 godz., 6 pkt ECTS

Bazuje na przedmiotach ogólnych, kierunkowych i specjalistycznych – brak wymagań wstępnych.

Kierunek - mechatronika

Specjalność - Techniki komputerowe w mechatronice

dr hab. inż. Jacek JANISZEWSKI , prof. WAT

Aktywność / obciążenie studenta w godz.

1. Udział w wykładach / 44

2. Udział w laboratoriach / 24

3. Udział w ćwiczeniach / 8

4. Udział w seminariach / 0

5. Samodzielne studiowanie tematyki wykładów / 44

6. Samodzielne przygotowanie do laboratoriów / 24

7. Samodzielne przygotowanie do ćwiczeń / 8

8. Samodzielne przygotowanie do seminarium / 0

9. Realizacja projektu / 0

10. Udział w konsultacjach / 12

11. Przygotowanie do egzaminu / 15

12. Przygotowanie do zaliczenia / 0

13. Udział w egzaminie / 2

Sumaryczne obciążenie pracą studenta: 181 godz./6ECTS

Zajęcia z udziałem nauczycieli (1+2+3+4+9+10+13): 90 godz./3ECTS

Zajęcia powiązane z działalnością naukową/4 ECTS

Przegląd metod badań właściwości mechanicznych w warunkach quasi-statycznego obciążenia. Przegląd metod pomiarów twardości i mikrotwardo-ści. Współczesne metody pomiaru odkształceń. Przegląd metod badań wła-ściwości mechanicznych materiałów w warunkach udarowego obciążenia. Specjalizowane oprzyrządowanie stosowane w badaniach dynamicznych. Podstawowe wiadomości o wymianie ciepła. Elementy termodynamiki ciała stałego. Właściwości cieplnofizyczne – termofizyczne materiałów i struktur materiałowych. Badania właściwości termofizycznych. Mikroskopia świetlna i elektronowa. Preparatyka zgładów metalograficznych. Metody oznaczania składu chemicznego i fazowego. Komputerowa analiza obrazu. Analiza ilo-ściowa i jakościowa.

Wykłady

1. Wprowadzenie do problematyki badań właściwości mechanicznych materiałów. /1/

Cel i istota badań właściwości mechanicznych materiałów konstrukcyjnych. Podział metod i technik badawczych ze względu na szybkość odkształcenia.

2. Metody i techniki badań właściwości mechanicznych materiałów w warunkach quasi-statycznego odkształcenia. / 5 /

Przegląd testów wytrzymałościowych (statyczna próba rozciągania, ściskania, skręcania i zginania oraz próba pełzania). Wymagania metodyczne statycznych prób wytrzymałościowych. Tendencje rozwojowe aparatury do wykonywania testów wytrzymałościowych w warunkach quasi-statycznego obciążenia.

3. Metody pomiaru twardości / 2 /

Cel i istota pomiarów twardości. Przegląd metod. Wymagania metodyczne, ograniczenia i zakres stosowalności. Tendencje rozwojowe aparatury do wykonywania pomiarów twardości.

4. Badanie wytrzymałości zmęczeniowej materiałów / 2 /

Cel i istota prób zmęczeniowych. Wymagania metodyczne. Aparatura stosowana w próbach zmęczeniowych.

5. Techniki i metody badawcze w zakresie średnich szybkości odkształcenia. /4/

Cel i istota prób udarnościowych. Wymagania metodyczne testów udarnościowych za pomocą młotów wahadłowych, spadowych oraz dynamicznych serwo-hydraulicznych maszyn wytrzymałościowych. Tendencje rozwojowe młotów i maszyn wytrzymałościowych do wykonywania testów z szybkościami odkształcenia w zakresie od 101 do 103 s-1.

6. Techniki i metody badawcze w zakresie dużych i bardzo dużych szybkości odkształcenia. /6/

Cel i istota badań w warunkach dynamicznego obciążenia. Test dzielonego pręta Hopkinsona. Test uderzeniowy Taylora. Test pierścieniowy. Test płytowy. Wymagania konstrukcyjne i metodyczne wykonywania testów dynamicznych. Aparatura badacza i systemy pomiarowe stosowane podczas wyznaczania dynamicznych charakterystyk wytrzymałościowych.

7. Podstawowe wiadomości o wymianie ciepła /4/

Stan równowagi termodynamicznej, praca i ciepło, pojęcie energii wewnętrznej i entalpii, bilans energii. Charakterystyka opisowa mechanizmów wymiany ciepła: przewodzenia, unoszenia i promieniowania. Prawo Fouriera i równania nieustalonego przewodzenia ciepła, modelowanie analityczne zagadnień nieustalonego przewodzenia ciepła – modele wykorzystywane do opracowywania metod pomiarowych. Klasyfikacja zagadnień konwekcyjnych, opis matematyczny zagadnień unoszenia ciepła. Sposoby korzystania z zależności kryterialnych. Podstawowe informacje o promieniowaniu termicznym, bilansowanie energii w zagadnieniach radiacyjnych.

8. Fenomenologia właściwości termofizycznych /2/

Parametry termodynamiczne i ich współzależności: ciepło właściwe, rozszerzalność cieplna, ściśliwość, rozprężliwość. Fazy i przemiany fazowe. Zależność właściwości termofizycznych od temperatury, uśrednianie wartości w danym przedziale temperatury i jego skutki

9. Elementy termodynamiki ciała stałego /4/

Mechanizmy gromadzenia i przenoszenia energii w kontekście struktury substancji: przykłady modelu korpuskularnego dla ciepła właściwego gazu doskonałego i przewodności cieplnej. Zwięzła charakterystyka mechanizmów fononowych, elektronowych i innych, ograniczenia kwantowe. Anizotropia właściwości. Właściwości ciała jednorodnego a właściwości struktury materiałowej. Udział innych mechanizmów wymiany ciepła - pojęcia właściwości wypadkowych (efektywnych) i pozornych – właściwości zastępczych. Ograniczenia metodologiczne związane ze złożeniami i sprzężeniami oddziaływań oraz strukturą obiektu (struktury materiałowej)

10. Przegląd metod i technik pomiaru temperatury /2/

Zerowa zasada termodynamiki i pojęcie temperatury empirycznej, temperatura bezwzględna w kontekście drugiej i trzeciej zasady termodynamiki. Skala temperatury, metody pomiaru temperatury, czujniki pomiaru temperatury i ich charakterystyki, stała czasowa – bezwładność czujnika, zwięzła charakterystyka układów pomiarowych

11. Badania właściwości termofizycznych /6/

Badania właściwości cieplnofizycznych w kontekście analizy termicznej. badania kompleksowe z zachowaniem kolejności badań wagowych, pomiaru termograwimetrycznego, badań mikrokalorymetrycznych, badań dylatometrycznych, pomiarów przewodności cieplnej i/lub dyfuzyjności cieplnej, badań dynamicznej analizy termomechanicznej. Charakterystyka metod i technik mikrokalorymetrycznych (DSC), dylatometrycznych (Dil), termograwimetrycznych (TG, STA), pomiarów dyfuzyjności cieplnej (LFA, oscylacje temperatury), przewodności cieplnej (metoda Poensgena), termomechnicznych (DMA) w kontekście rodzaju badanego materiału/struktury

12. Mikroskopia świetlna i elektronowa. Preparatyka zgładów metalograficznych. Metody oznaczania składu chemicznego i fazowego /4/

Mikroskopia świetlna - budowa i działanie mikroskopu metalograficznego, metody badań, przygotowanie próbek. Elektronowa mikroskopia skaningowa - zasada działania i budowa elektronowego mikroskopu skaningowego, przygotowanie próbek, interpretacja kontrastu obrazów SEM. Badania mikroanalityczne w mikroskopii elektronowej. Mikroanaliza rentgenowska EDS/WDS. Transmisyjna mikroskopia elektronowa - podstawy fizyczne, budowa i działanie mikroskopu, oddziaływanie wiązki elektronów z preparatem, teorie kontrastu w TEM podstawowe metody badawcze, preparatyka folii replik, interpretacja kontrastu obrazów. Dyfrakcja elektronów w mikroskopii transmisyjnej.

13. Komputerowa analiza obrazu. Analiza ilościowa i jakościowa. /2/

Metody komputerowej analizy obrazu wspomagające metalografię klasyczną i ilościową Pomiar cech geometrycznych analizowanych elementów struktury.

Ćwiczenia audytoryjne

1. Bilansowanie energii w układzie termodynamicznym. Przewodzenie ciepła, konwekcja, promieniowanie /2/

Wyznaczenie zmian temperatury dla układu o określonych właściwościach. Porównanie intensywności mechanizmów wymiany ciepła

2. Równanie nieustalonego przewodzenia ciepła /2/

Porównanie rozwiązań zagadnienia ustalonego (metoda Poensgena lub metoda gorącego drutu) i nieustalonego (metoda chwilowego źródła ciepła w dowolnym ujęciu)

3. Właściwości dynamiczne układu /2/

Stała czasowa czujnika w modelu parametrów skupionych, rozwiązanie zagadnienia pełnego (kontekst metody monotonicznego wymuszenia cieplnego pomiaru dyfuzyjności cieplnej)

4. Identyfikacja faz na podstawie dyfraktogramów (XRD) /2/

Omówienie budowy i zasady działania dyfraktometru rentgenowskiego XRD (X-Ray Diffractometer). Zapoznanie studentów z problematyką związaną z identyfikacją faz oraz zależnością wiążąca strukturę kryształu z długością fali promieniowania padającego na kryształ i kątem, pod którym obserwowane jest maksimum interferencyjne (Prawo Bragga). Analiza jakościowa na podstawie dyfraktogramów rentgenowskich zarejestrowanych w trybie skanowania -2,

Laboratoria

1. Quasi-statyczna próba rozciągania./3/

2. Badania wytrzymałościowe w warunkach testu dzielonego pręta Hopkinsona. /3/

3. Badania ciągliwości metali w warunkach elektromagnetycznego testu pierścieniowego. /2/

4. Metody pomiaru temperatury. Badanie właściwości dynamicznych czujnika /2/

5. Pomiar przewodności cieplnej ciał stałych /2/

6. Pomiar ciepła właściwego ciał stałych/badania mikrokalorymetryczne/ badania przemian fazowych /2/

7. Pomiar dyfuzyjności cieplnej ciał stałych /2/

8. Pomiar rozszerzalności cieplnej /2/

9. Badania kompleksowe właściwości cieplno-fizycznych /2/

10. Mikroskopia optyczna. /2/

11. Mikroskopia elektronowa i mikroanaliza rentgenowska. /2/

Podstawowa:

1. S. Katarzyński, S. Kocańda, M. Zakrzowski - „Badania własności mechanicznych Metali”. Warszawa, WNT, 1967.

2. L. Dobrzański, Metody badań metali i stopów. Badanie właściwości mechanicznych i fizycznych, WNT Warszawa 1986,

3. J. Janiszewski, Badania materiałów inżynierskich w warunkach obciążenia dynamicznego, Wydawnictwo WAT, Warszawa 2012.

4. J. Terpiłowski, A. J. Panas, S. Wiśniewski, M. Preiskorn, P. Koniorczyk, J. Zmywaczyk, A. Woźniak, S. Szodrowski: Termodynamika. Pomiary cieplne. WAT, Warszawa,1994.

5. T. R. Fodemski (red.): Pomiary cieplne – cz. 1. Podstawowe pomiary cieplne. WNT, Warszawa, 2001

6. E. Tyrkiel: Termodynamiczne podstawy materiałoznawstwa, PWN, Warszawa, 1997.

7. S. Wiśniewski: Wymiana ciepła. PWN, Warszawa 1980 (S. Wiśniewski, T. Wiśniewski: Wymiana ciepła, WNT, Warszawa, 2000).

8. L. Michalski, K. Eckersdorf, J. Kucharski: Termometria. Przyrządy i pomiary. Wyd. Pol. Łódzkiej, Łódź, 1998.

9. L. Dobrzański, Mikroskopia świetlna i elektronowa, WNT, 1986

10. B. D. Cullity, Podstawy dyfrakcji promieni rentgenowskich, PW, 1964

Uzupełniająca:

11. M.A. Meyers: Dynamic behaviour of materials. Johns Wiley and Sons, INC, New York- Chichester-Brisbane-Toronto-Singapoure, 1994.

12. A. Szummer, k. Sikorski, Ł. Kaczyński, J. Paduch, K. Stróż; Podstawy ilościowej mikroanalizy rentgenowskiej, Wydawnictwo NT Warszawa 1994.

13. K. D. Maglić, A. Cezairliyan, and V. E. Peletsky, eds. Compendium of Thermophysical Property Measurement Methods, New York: Plenum Press, 1984.

14. K. D. Maglić, A. Cezairliyan, and V. E. Peletsky, eds. Compendium of Thermophysical Property Measurement Methods - Vol.2. Recommended Measurement Techniques and Practices, New York: Plenum Press, 1992.

15. G. Grimvall: Thermophysical Properties of Materials. Amsterdam: Elsevier Sc. Publ. B.V., 1986.

16. W.Wm Wendlandt.: Thermal Analysis. 3-rd ed., John Willey& Sons, New York 1986.

17. W. Zielenkiewicz: Pomiary efektów cieplnych. Metody i zastosowania. Centrum Upowszechniania Nauki, PAN, Warszawa 2000.

18. A. Bejan, A. D. Krauss, Heat Transfer Handbook, John Willey & Sons, Hoboken, New Jersey, 2003 (E-żródła, Biblioteka WAT)

Symbol i nr efektu przedmiotu / efekt uczenia się / odniesienie do efektu kie-runkowego

W1 / Ma poszerzoną i pogłębioną wiedzę w zakresie metod i technik identyfi-kacji charakterystyk fizyko-mechanicznych materiałów stosowanych w urządzeniach i systemach mechatronicznych / K_W09

U1 / Potrafi pozyskiwać informacje z literatury, baz danych i innych źródeł; potrafi integrować uzyskane informacje, dokonywać ich interpretacji, a także wyciągać wnioski oraz formułować i uzasadniać opinie / K_U01

U2 / potrafi zaplanować eksperyment z elementami i urządzeniami mechtro-nicznymi / K_U10

U3 / potrafi, przy formułowaniu i rozwiązywaniu zadań związanych z modelo-waniem, projektowaniem, wytwarzaniem i eksploatacją elementów, układów i systemów mechatronicznych integrować wiedzę z zakresu charakteryzacji materiałów inżynierskich stosując podejście systemo-we, z uwzględnieniem aspektów pozatechnicznych / K_U16

U4 / potrafi dokonać wyboru techniki i aparatury pomiarowej w celu wyzna-czenia właściwości fizyko-mechanicznych danego materiału konstruk-cyjnego/ K_U17

Przedmiot zaliczany jest na podstawie dwóch składowych:

­ pozytywnych ocen ze sprawdzianów cząstkowych,

­ pozytywnej oceny z egzaminu.

Egzamin z przedmiotu jest prowadzone w formie ustnej lub pisemnej (w zależności od liczności grupy)

Warunkiem dopuszczenia do egzaminu jest otrzymanie pozytywnych ocen z ćwiczeń audytoryjnych i laboratoriów

Osiągnięcie efektu W1 weryfikowane jest na ustnym lub pisemnym egzaminie i podczas sprawdzianów cząstkowych.

Osiągnięcie efektu U1 sprawdzane jest podczas ćwiczeń audytoryjnych, sprawdzianów cząstkowych i egzaminu końcowego.

Osiągnięcie efektu U2- sprawdzane jest podczas ćwiczeń laboratoryjnych.

Osiągnięcie efektu U3 - sprawdzane jest podczas ćwiczeń audytoryjnych, sprawdzianów cząstkowych i egzaminu końcowego.

Osiągnięcie efektu U2 - sprawdzane jest podczas ćwiczeń laboratoryjnych oraz sprawdzianów cząstkowych i egzaminu końcowego.

Ocenę bardzo dobrą otrzymuje student, który potrafi scharakteryzować wszystkie metody i techniki badawcze stosowane do wyznaczania charakterystyk mechanicznych, termicznych i mikrostrukturalnych; zna wymagania metodyczne i ograniczenia danej techniki badawczej; potrafi wybrać technikę badawczą w zależności od rodzaju badanego materiału i wyznaczanych charakterystyk opisujących właściwości fizyko-mechaniczne materiału konstrukcyjnego. Jest bardzo aktywny podczas zajęć i ma duży wpływ na treść omawianych na zajęciach zagadnień. Otrzymał wszystkie oceny pozytywne ze sprawdzianów cząstkowych, a średnia ważona ocen mieściła się w przedziale ocen dobrej plus i bardzo dobrej.

Ocenę dobrą plus otrzymuje student, który potrafi scharakteryzować wszystkie metody i techniki badawcze stosowane do wyznaczania charakterystyk mechanicznych, termicznych i mikrostrukturalnych; potrafi omówić podstawowe wymagania metodyczne i ograniczenia danej techniki badawczej; potrafi wybrać technikę badawczą w zależności od rodzaju badanego materiału i wyznaczanych charakterystyk opisujących właściwości fizyko-mechaniczne materiału konstrukcyjnego. Jest aktywny podczas zajęć i ma wpływ na treść omawianych na zajęciach zagadnień. Otrzymał wszystkie oceny pozytywne ze sprawdzianów cząstkowych, a średnia ważona ocen mieściła się w przedziale ocen dobrej i dobrej plus.

Ocenę dobrą otrzymuje student, który potrafi scharakteryzować poprawnie większość metod i technik badawczych stosowanych do wyznaczania charakterystyk mechanicznych, termicznych i mikrostrukturalnych; potrafi wymienić i opisać główne wymagania metodyczne i ograniczenia danej techniki badawczej; potrafi wybrać technikę badawczą w zależności od rodzaju badanego materiału i wyznaczanych charakterystyk opisujących właściwości fizyko-mechaniczne materiału konstrukcyjnego. Jest aktywny podczas zajęć. Otrzymał wszystkie oceny pozytywne ze sprawdzianów cząstkowych, a średnia ważona ocen mieściła się w przedziale ocen dostatecznej plus i dobrej.

Ocenę dostateczną plus otrzymuje student, który poprawnie charakteryzuje podstawowe metody i techniki badawcze stosowane do wyznaczania charakterystyk mechanicznych, termicznych i mikrostrukturalnych; potrafi wymienić i skrótowo opisać podstawowe wymagania metodyczne i ograniczenia danej techniki badawczej; potrafi wybrać technikę badawczą do wyznaczenia podstawowych charakterystyk opisujących właściwości fizyko-mechaniczne materiału konstrukcyjnego. Otrzymał wszystkie oceny pozytywne ze sprawdzianów cząstkowych, a średnia ważona ocen mieściła się w przedziale ocen dostatecznej i dostatecznej plus.

Ocenę dostateczną otrzymuje student, który poprawnie charakteryzuje podstawowe metody i techniki badawcze stosowane do wyznaczania charakterystyk mechanicznych, termicznych i mikrostrukturalnych; potrafi wymienić i skrótowo opisać tylko niektóre wymagania metodyczne i ograniczenia danej techniki badawczej; potrafi wybrać tylko te techniki badawcze, które umożliwiają wyznaczenie podstawowych charakterystyk opisujących właściwości fizyko-mechaniczne materiału konstrukcyjnego. Otrzymał wszystkie oceny pozytywne ze sprawdzianów cząstkowych, a średnia ważona ocen mieściła się w przedziale ocen dostatecznej i dostatecznej plus.

Ocenę niedostateczną otrzymuje student, który nie potrafi poprawnie scharakteryzować podstawowych metod i technik badawczych stosowanych do wyznaczania charakterystyk mechanicznych, termicznych i mikrostrukturalnych; nie potrafi wymienić i skrótowo opisać podstawowe wymagania metodyczne i ograniczenia danej techniki badawczej; nie potrafi wybrać techniki badawczej, które umożliwia wyznaczenie podstawowych charakterystyk opisujących właściwości fizyko-mechaniczne materiału konstrukcyjnego. Otrzymał przynajmniej jedną ocenę negatywną ze sprawdzianów cząstkowych.

nie dotyczy