LABORATORIJSKE VAJE Materiali
Načrtujte po tem učnem načrtu
Prijavite se kot učitelj in Astra po tem učnem načrtu pripravi letno pripravo ali pripravo na uro.
Opis teme
Pri vajah se obravnavajo teme, pomembne za splošno znanje o materialih. Dijaki utrdijo znanje o zgradbi materialov, o preiskavah mikrostruktur ter vplivih deformacije (pri kovinah) in toplotno aktiviranih procesov na razvoj mikrostruktur in s tem na lastnosti materialov.
Temeljni cilj tega poglavja je pri dijakih utrditi zavedanje, da so lastnosti materialov neločljivo povezane z zgradbo, ki nam jo razkrijejo preiskave mikrostruktur, in da so različne mikrostrukture posledica ne le določenih kemijskih sestav materialov, ampak v veliki meri tudi posledica različnih termomehanskih zgodovin materialov.
DIDAKTIČNA PRIPOROČILA ZA TEMO: Vaje, ki se navezujejo na splošna poglavja, naj se izvedejo pred drugimi vajami.
Kristalna in amorfna zgradba materialov
Učni cilji
- S pomočjo modelov obnovi geometrijsko predstavo o kristalni mreži in osnovni celici kristalnih mrež ter se nauči, kaj so mrežno mesto, intersticija in praznina.
Minimalni standardi
- Na modelih pokaže mrežna mesta, intersticije in praznine.
Pojmi
- Amorfna zgradba (struktura)
- Kristalna mreža
- Osnovna celica
- Intersticija
- Vrzel
- Praznina
- Kristalna striktura (zgradba)
Realna zgradba materialov, mikrostruktura materialov
Učni cilji
- Utrdi pomen pojmov struktura in mikrostruktura materialov;
- Razširi poznavanje napak v kristalni mreži in jih usvoji kot elemente mikrostrukture;
- Se seznani z delovanjem metalografskega svetlobnega mikroskopa (opis in demonstracija uporabe mikroskopa);
Izbirni cilji
- Spozna osnovna pravila odvzema in priprave metalografskega vzorca in ga opazuje z mikroskopom.
Standardi znanja
- Našteje osnovna pravila in postopke za odvzem ter pripravo metalografskih vzorcev;
- Opiše razliko med presevnim in metalografskim mikroskopom.
Minimalni standardi
- Razlikuje med strukturo (kristalno zgradbo) in mikrostrukturo materialov ter našteje osnovne elemente mikrostrukture;
- Iz kroglic izdela modele, ki vsebujejo praznino, vrinjen (intersticijski) atom in substitucijski atom;
Pojmi
- Mikrostruktura
- Metalografska priprava vzorca
- Svetlobni (optični) mikroskop
- Presevni mikroskop
- Metalografski mikroskop
- Elektronski mikroskop
Didaktična priporočila
Didaktična priporočila: Obisk institucije, ki ima metalografski laboratorij, ogled priprave vzorcev in mikroskopov (svetlobni mikroskop, elektronski mikroskop). Če je na voljo metalografski mikroskop, naj se pri vajah uporabi za opazovanje mikrostruktur. Za izdelavo modelov se uporabi plastičen material (glina, modelirna masa, lesene paličice).
Difuzija
Učni cilji
- Opredeli difuzijski par, koncentracijski gradient, difuzijski tok;
- Razlikuje in razloži pojma substitucijska in intersticijska difuzija;
Izbirni cilji
- Opazujejo gibanje atomov v kristalni mreži s pomočjo računalniškega modela (simulacije).
Standardi znanja
- Našteje difuzijski par, koncentracijski gradient, difuzijski tok in jih pojasni.
Minimalni standardi
- Našteje difuzijski par koncentracijski gradient difuzijski tok
Pojmi
- Difuzijski par
- Difuzijski tok
- Koncentracijski gradient
Didaktična priporočila
Didaktična priporočila: Dijaki izvedejo eksperiment, ki pojasni vpliv temperature na difuzijo. Npr. opazujejo hitrost difuzije kapljice črnila v hladni vodi in v vroči vodi.
Fazne transformacije
Učni cilji
- Usvoji, da taljenje, strjevanje, raztapljanje in izločanje iz raztopine prištevamo med fazne transformacije;
Izbirni cilji
- S pomočjo faznega diagrama in termične analize (krivulja temperatura-čas) oceni kemično sestavo zlitine;
- Se seznani z metodo termične analize in razloži povezanost krivulj s faznim diagramom;
- Spozna, kako se s faznim diagramom ugotovi agregatno stanje zlitine znane sestave pri podani temperaturi.
Minimalni standardi
- Razloži procese taljenja, strjevanja, raztapljanja in izločanja iz raztopine kot fazne transformacije, ki temeljijo na difuziji.
Pojmi
- Komponenta
- Faza
- Fazna transformacija
- Termična analiza
Didaktična priporočila
Eksperiment 1:: Pripravi ali kupi se približno evtektična zlitina, npr. Pb-Sn (približno 60 % Sn, tališče približno 180°C) ali Sn-Zn (približno 9 % Zn, tališče približno 200°C; kupi se kot palice za lotanje). Med ohlajanjem se meri temperatura v odvisnosti od časa (termoelement tip K, samo žice). S pomočjo krivulje temperatura-čas ugotovi približno temperaturo strjevanja zlitine.
Eksperiment 2:: Pripravi se nasičena raztopina kuhinjske soli v vreli vodi. Med ohlajanjem se opazuje izločanje soli iz raztopine.
Deformacija materialov
Učni cilji
- Utrdi pojma elastična in plastična deformacija;
- Uvidi, da plastična deformacija kovin sledi predhodni elastični deformaciji, ki ostane reverzibilna kljub plastični deformaciji;
Izbirni cilji
- Spozna povezavo plastične deformacijo kovinskih materialov z drsenjem dislokacij;
- Uvidi povezavo deformacijskega utrjanja z naraščanjem gostote dislokacij pri hladni deformaciji.
Standardi znanja
- Razloži, da je hladna deformacija eden od načinov utrjanja duktilnih kovinskih materialov.
Minimalni standardi
- Pojasni, da plastična deformacija kovin sledi predhodni elastični deformaciji, ki ostane reverzibilna kljub plastični deformaciji;
Pojmi
- Deformacijsko utrjanje
Didaktična priporočila
Didaktična priporočila: povečamo, da pride do plastične deformacije, in opozorimo na delno zmanjšanje deformacije med razbremenjevanjem. Najlažje se to demonstrira, če je en konec preizkušanca vpet v primež ali položen na dve podpori, podobno kot pri upogibnem preizkusu.
Eksperiment 2:: Utrjanje duktilne žice z večkratnim upogibanjem do preloma.
Kovinski materiali pri visokih temperaturah in toplotne obdelave
Učni cilji
- Obnovi osnovno znanje o učinkih najpogostejših toplotnih obdelav (mehko žarjenje, normaliziranje, kaljenje, popuščanje, rekristalizacija);
Izbirni cilji
- Uvidi, da so spremembe lastnosti pri toplotnih obdelavah posledica omogočanja ali zaviranja difuzije.
Standardi znanja
- Pojasni, da se pojavijo spremembe lastnosti pri toplotnih obdelavah povezane z difuzijo ali s preprečevanjem difuzije med ohlajanjem (pri kaljenju);
- Razlikuje kaljive in nekaljive materiale.
Minimalni standardi
- Razloži, kako lahko zmanjšamo ali odpravimo posledice deformacijskega utrjanja;
Pojmi
- Mehko žarjenje
- Normaliziranje
- Rekristalizacija
- Kaljenje
- Popuščanje
- Poboljšanje
Didaktična priporočila
Eksperiment 1:: Rekristaliziramo deformacijsko utrjeno bakreno žico (npr. bakreno inštalacijsko žico prereza 4 ali 6 mm2 . Če nimamo žarilne peči, lahko rekristalizacijo izvedemo tudi s pomočjo plinskega gorilnika (spajkalnika) na kartuše. Rekristalizirano žico nato z upogibanjem ponovno deformacijsko utrdimo. Po nekaj upogibih bo utrjanje že dobro opazno. Za vsakega dijaka pripravimo približno 15 cm dolg kos nove in enako dolg kos rekristalizirane žice.
Eksperiment 2:: Žica iz jekla za poboljšanje (npr. žica iz C45, ali C50, premer 3–4 mm): en kos kalimo v hladni vodi, drugega ohladimo skupaj s pečjo, tretjega pustimo v izhodiščnem stanju. Pri vajah primerjamo lastnosti z upogibanjem (potrebno silo, duktilnost oz. krhkost). Upoštevamo varnostne ukrepe za preprečevanje poškodb (opekline, vreznine na ostrih robovih, frčanje drobcev pri prelomu kaljenega preizkušanca).