Спецкурсы и дисциплины специализации по проблемам современного материаловедения как элемент познавательной активности студентов-физиков

18. Новиков И.И., Розин К.М. Кристаллография и дефекты кристаллической решетки. Г.: Металлургия. 1990. 335 с.

19. Перевезенцев В.Н., Щербань М.Ю. Геометрическая теория тройных стыков зерен в кубических кристаллах // Поверхность. Физика, химия, механика. 1982. № 5. С. 36-42.

20. Рабухин В.Б. О повышенной диффузионной проницаемости границ в области их тройных стыков // Поверхность. Физика, химия, механика. 1986. № 6. с. 143-145.

21. Рабухин В.Б., Паникарский А.С. Прямое наблюдение ускоренной диффузии вдоль тройных стыков границ // Поверхность. Физика, химия, механика. 1986. № 5. С. 150-152.

22. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. Г.: Наука, 1979. 560 с.

В.В. Мартыненко

СПЕЦКУРСЫ И ДИСЦИПЛИНЫ СПЕЦИАЛИЗАЦИИ ПО ПРОБЛЕМАМ СОВРЕМЕННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

КАК ЭЛЕМЕНТ ПОЗНАВАТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ СТУДЕНТОВ-ФИЗИКОВ

Стимулирование познавательного интереса является одной из важных задач в совершенствовании качества профессиональной подготовки учителя физики. В этом плане весьма перспективным направлением следует считать установление в преподавании взаимодействия физики с современными технологиями. Для решения данной проблемы на кафедре теоретической физики на протяжении последних лет читаются спецкурсы и дисциплины специализации по проблемам современного материаловедения («Физика порошковых материалов», «Элементы теории и технологии нанесения защитных порошковых материалов», «Отдельные вопросы теории технологии металлокерамических материалов», «Технология обработки конструкционных материалов с элементами машиноведения» и др.) и проблемам теплофизики твердого тела («Элементы теории теплообмена в твердых телах»).

Выбор направления в повышении познавательной активности студентов физиков был обусловлен рядом факторов. Определяющим фактором явилось направление научно-исследовательской работы кафедры теоретической физики ТГПИ. Преподаватели уже много лет занимаются теоретическими исследованиями в области физики нанесения порошковых покрытий, теплообмена и прочности твердых тел. Эти исследования вплотную связаны с учебной работой, а также с научно-исследовательской деятельностью студентов.

Другим фактором явилось то обстоятельство, что, несмотря на то, что физика твердого тела, физическое материаловедение являются основой большинства числа важных технических дисциплин, существующие программы курсов общей и теоретической физики для педвузов все еще не отвечают потребностям сегодняшнего дня в этих областях. Не следует забывать о том, что представленная тематика спецкурсов и дисциплин специализации нова и нетрадиционна для физических специальностей. Это еще раз говорит об актуальности и полезности поставленных спецкурсов в образовательном процессе, особенно с учетом появления средних учебных заведений с усиленной подготовкой по физико-математическим дисциплинам.

Как отмечалось ранее, представленные спецкурсы, постоянно совершенствуясь и дополняясь новейшей информацией по проблемам в них изучаемым, во многом связаны с научной деятельностью преподавателей кафедры. А потому накопленный педагогический опыт и, главное, результаты воздействия на познавательный интерес с вытекающими отсюда последствиями могут служить предметом достаточно серьезного исследования. Результаты воздействия могут быть изучены как в плане влияния на процесс обучения студента в педвузе вплоть до завершения учебы, так и в плане последующей профессиональной деятельности будущего учителя физики.

Непосредственной целью спецкурсов и дисциплин специализации является: дать основы представлений о методах современного физического материаловедения, его задачах, о современной прогрессивной энергосберегающей технологии в машиностроении, о физических принципах порошковой металлургии. Задача спецкурсов состоит не только в расширении профессионального

кругозора будущего учителя физики в области, где физика помогает существенно ускорить научно-технический прогресс, но и в возможности непосредственно использовать накопленные при изучении общей и теоретической физики знания и, тем самым, значительно повысить уровень познавательной активности студентов.

В качестве примера ниже мы представим разработанные варианты программ по спецкурсам «Физика порошковых материалов» и «Элементы теории теплообмена в твердых телах».

I. Спецкурс «Физика порошковых материалов».

Определенная часть спецкурса изучается студентами самостоятельно с использованием обширного списка литературы, включая статьи в научных журналах, труды членов кафедры теоретической физики ТГПИ, специалистов ИТМО и ОИМ НАН республики Беларусь. Для понимания материала данного спецкурса необходимо знакомство с такими разделами курса общей и теоретической физики: поверхностное натяжение и капиллярные явления, механические свойства кристаллических твердых тел, общие положения термодинамики. Материал спецкурса распределен по темам и сопровождается проведением лекционных и семинарских занятий. Структура семинарских занятий такова, чтобы разработанные студентами вопросы могли бы быть впоследствии использованы в школе, как на уроках физики, так и на факультативах и кружковых занятиях. Помимо этого, материал спецкурса может послужить базой для дисциплин с новыми образовательными госстандартами. Содержание тем приводится ниже.

Тема 1. Введение в спецкурс. Математический аппарат.

Спецкурс начинается с вводной лекции, на которой рассказывается о задачах современного материаловедения, физике металлов и их роли в научно-техническом прогрессе за последние десятилетия и, конкретно, о роли порошковой металлургии. Подчеркивается значение порошковой металлургии для создания новых материалов, композитов, используемых в машиностроении, и космической отраслях, в атомной энергетике.

Тема 2. Термодинамика обратимых и необратимых процессов. Элементы статистической физики.

На лекциях обсуждаются законы термодинамики, и дается понятие об основных термодинамических функциях. С позиций второго закона термодинамики рассматриваются общие положения термодинамики необратимых процессов (ТНП), приводятся критерии термодинамического равновесия. Вводится, используемое в дальнейшем представление о диссипативной функции. Это представление увязывается с понятиями термодинамических «сил» и «потоков». Обсуждается принцип симметрии кинетических коэффициентов (соотношения Онзагера) и следствия из него. В заключении темы приводятся функции распределения (без вывода) и, в соответствии с принципом Больцмана, вероятности неравновесных состояний.

Тема 3. Напряженно-деформированное состояние вещества. Уравнения движения деформированного твердого тела.

Более подробно анализируется тензор деформаций (в декартовых и цилиндрических координатах), его инварианты. То же относится к тензору напряжений и его инвариантам. Обобщенный закон Гука используется для получения уравнений движения в терминах деформаций. Подробно рассказывается о природе модулей сдвига и всестороннего сжатия. Рассматривается модель вязкого течения в линейном приближении компонент тензора напряжений в зависимости от скоростей деформаций. Вводится понятие о диссипативной функции, выраженной через компоненты тензора скоростей деформаций или через компоненты тензора напряжений и коэффициенты вязкости.

Тема 4. Неупругое поведение материалов.

На первой лекции этой темы анализируется диаграмма напряжение-деформация при растяжении образца. Вводятся понятия о пластическом деформировании, об упрочнении материала, о разрушении. На последующих лекциях раскрывается дислокационный механизм пластичности. Подробно рассказывается о роли дефектов структуры в твердых телах. Раскрывается механизм упрочнения. Даются представления о диффузии в твердых телах. Раскрывается природа высокотемпературной ползучести металлов. Приводятся соображения из физики металлов относительно коэффициента сдвиговой вязкости с учетом структуры.

Тема 5. Физика спекания порошковых материалов. Припекание и основанные на нем технологии.

На основе материала предшествующих тем рассматривается процесс спекания металлических порошков. При этом используется модель вязкой сплошной среды, уплотнение которой происходит за счет убывания пористости. Вводится представление о коэффициентах сдвиговой и объемной вязкостей пористой среды. Дается представление о моделях спекания, основываясь на работах Я.И. Френкеля, Б.Я. Пинеса, Я.Е. Гегузина, В.В. Скорохода, М.С. Ковалъченко, Н.Н. Дорож-кина, а также работах членов кафедры. Приводятся уравнения, позволяющие исследовать кинетику процессов спекания и припекания порошковых систем. На последней лекции этой темы рассматриваются некоторые важнейшие применения порошковой металлургия: получение изделий из металлических порошков, получение композитов с заданными свойствами, нанесение защитных порошковых покрытий методами припекания. Рассматриваются современные технологии припе-кания: электроконтактное, центробежное и другие.

Тема 6. Напыление порошковых материалов на твердые поверхности.

В этой теме даются общие представления о методах газотермического напыления защитных порошковых покрытий посредством высокотемпературной плазменной струи или с помощью струи газа, в которой сформировался факел пламени. Приводится теория двухфазной затопленной струи. Рассказывая о процессах присоединения частиц к основе. В заключении дается обзор технологий напыления и их применения.

II. Программа второго спецкурса «Элементы теории теплообмена в твердых телах» состоит из четырех тем, содержание которых приведено ниже.

Тема 1. Введение в спецкурс. Понятие о порошковой системе, спекании и припекании к основе порошковых покрытий. Физический и математический бесконечно малые объемы. Способы активизации процессов спекания и припекания, порошковых систем. Силовая и температурная активации процессов спекания,

В этой теме показывается, что на основе экспериментальных данных силовая и температурная активация процессов спекания имеют особое значение, причем в определенных, строго заданных пределах. Поэтому силовые и температурные режимы необходимо поддерживать в определенных пределах для оптимального процесса спекания. В связи с этим процессам теплопроводности и напряженному состоянию уделяется особое внимание. В этой теме дается вывод уравнения теплопроводности в инвариантной форме и в цилиндрической системе координат, применительно к цилиндрической детали. Даются понятия о начальных я граничных условиях теплопроводности. Здесь же дается анализ задач электродинамики о распространении электромагнитных волн в проводниках, поскольку нагрев металлических деталей осуществляется индукционным методом. Показывается, что проходит очень быстро, что позволяет при решении задач тепловодности пренебречь объемными источниками теплоты.

Тема 2

В этой теме даются решения уравнений теплопроводности с различными граничными условиями для цилиндров в нестационарной и стационарной постановках для однослойных и двухслойных цилиндров на стадиях:

1) предварительной процессу спекания, когда порошковая среда рассматривается как сыпучая;

2) процесс спекания порошковой массы, пористость меняется со временем;

3) процесс охлаждения основы с нанесенным на ней порошковым покрытием.

Тема 3

В этой теме рассматривается силовое активирование порошковой системы за счет центробежных сил и поэтому, прежде всего, рассматривается напряженное состояние цилиндра под действием центробежных сил. Для этого дается вывод уравнения равновесия цилиндрического элемента. Даются уравнения связывающие деформации с напряжениями с учетом градиентов температур. Дается система уравнений термоуцругости в цилиндрической системе координат с граничными условиями. Здесь же решается задача о напряженном состоянии двухслойного цилиндра (основа-покрытие) в поле нестационарных температур и объемных сил. Особое внимание уделяется процессу на границе основа-покрытие, то есть адгезионным аспектам и вводится понятие сте-

пени сцепления основы с порошковым покрытием, которое учитывается в решении задач о напряженном состоянии цилиндра.

Тема 4

В этой завершающей теме с учетом рассчитанных температурных полей и напряженного состояния приводится расчет кинетики спекания порошковых слоев под действием температур (температурная активация), под действием градиентов температур и центробежных сил (силовая активация). Дается понятие о кинетике спекания, и показывается, как температурная и силовая активации способствуют оптимальному процессу спекания порошковых систем.

Такие пути повышения познавательной активности студентов сложились как система на кафедре теоретической физики в процессе чтения дисциплин специализации и спецкурсов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Информационный учебно-методический журнал «Таганрог: мир образования», 1999.

2. Абрамович Т.М., Жорник В.И., Донских С.А., Мартыненко В.В. и др. Теоретические основы газопорошковой наплавки / Математика в индустрии: Тр. междунар. конф. Таганрог: Изд-во Таганрог. гос. пед. ин-та, 1998.

3. Л. Ван Флек. Теоретическое и прикладное материаловедение. М.: Мир, 1964.

4. Дорожкин Н.Н., Кашицын Л.П., Абрамович Т.М., Кирпиченко И.А. Центробежное припекание покрытий при переменных силовых воздействиях. Мн.: Наука и техника, 1993.

В.И. Переверзев

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МОЛЕКУЛ ГАЗА С ПОВЕРХНОСТЯМИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

1. Учет молекулярной структуры поверхностей элементов стенок сосуда.

Поверхность препятствия или стенок сосуда, в котором заключен идеальный газ, рассматриваемый как механическая система свободных материальных точек, представляет собой совокупность сильно взаимодействующих и находящихся в непрерывном движении молекул. Теория и опыты по одностороннему растяжению ионных кристаллов [1, 29] свидетельствуют о том, что сила, прилагаемая к их частицам в момент разрыва (сила притяжения между частицами кристалла), имеет порядок 10-12 - 10-10 Н. При этом смещение частиц не превышает 0,3 г0, где г0 - равновесное расстояние между ионами. Сила, необходимая для того же смещения частиц при сжатии (сила отталкивания между ионами), на несколько порядков больше. Из-за сильного взаимодействия между собой каждую молекулу поверхности препятствия или стенок сосуда, в котором находится газ, можно рассматривать как идеальную частицу с весьма большой массой, скорость которой не превышает скорости звука в материале стенок сосуда (в металлах и сплавах, из которых, как правило, изготавливаются сосуды, скорость звука порядка 6*103 м/с). В силу этого состояние движения молекул поверхностей препятствий и стенок при столкновении с ними частиц газа практически не меняется. Состояние движения той из них, с которой непосредственно сталкивается I -я

молекула газа, и состояние движения самого элемента АЯ  стенок сосуда или препятствия определяют характер и время её соударения. Это проявляется, прежде всего, в различии нормальных составляющих импульса последней до и после столкновения.

Пусть в некоторой системе отсчета К в момент времени ?, непосредственно предшествующий началу столкновения, / -я молекула газа движется со скоростью V , а элемент АЛ', препятствия или стенок сосуда со скоростью . Свяжем с молекулой поверхности АЛ',, с которой сталкивается 1 -я молекула газа, систему отсчета К-,, а с самим элементом АЛ' , систему отсчета Кг. В системе отсчета К] система отсчета К1 движется со скоростью . Тогда в системе от-