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
Lastnosti izdelkov in konstrukcij so v veliki meri odvisne od lastnosti uporabljenih materialov.
Lastnosti materialov pa odvisni od njihove kemijske sestave in zgradbe, zgradba pa od njihove termomehanske zgodovine, tj. od postopkov izdelave in obdelave materialov med proizvodnjo materialov in izdelkov.
Zato splošne vsebine dijaka najprej seznanjajo z osnovnimi pojmi in definicijami s področja znanosti o materialih in tehnologijah materialov, delitvami materialov v skupine ter z osnovami o zgradbi materialov. Pa tudi z nekaterimi procesi oz. spremembami zgradbe, ki potekajo pod vplivom zunanjih dejavnikov, kot so spremembe temperature in deformacije pod vplivom delovanja zunanjih sil. Obravnavajo tudi pomembne lastnosti materialov in v preprostejših primerih odvisnost nekaterih lastnosti od termomehanske zgodovine materiala in njegove zgradbe.
Vsebine iz teme Splošnih vsebin predstavljajo temelj za kasnejšo pravilno rabo terminologije, simbolov veličin in enot ter razumevanje tem, ki sledijo splošnim poglavjem.
DIDAKTIČNA PRIPOROČILA ZA TEMO: Kadar je le mogoče, naj učitelj razlage popestri z uporabo modelov, ogledi filmov s spleta, s primeri predmetov oz. materialov, s katerimi so dijaki v stiku v vsakdanjem življenju, in s preprostimi eksperimenti, ki praktično prikažejo določene lastnosti, procese itd. Prav tako naj opozarja na primere, kako so posamezne lastnosti materialov odvisne od njihove vrste in zgradbe.
Znanost o materialih in inženirstvo
Učni cilji
- Spozna definicijo materiala in surovine;
- Se pouči o osnovnih razlikah med znanostjo o materialih in inženirstvom;
- Uvidi, da na mnogih področjih nadaljnji razvoj ni mogoč brez novih materialov.
Standardi znanja
- Našteje primere, ko brez razvoja materialov nadaljnji razvoj izdelka, naprave ali konstrukcije ni bil mogoč.
Minimalni standardi
- Razlikuje materiale in surovine ter znanost o materialih in inženirstvo;
Pojmi
- Material
- Surovina
- Inženirstvo
Razvrstitev materialov v osnovne skupine
Učni cilji
- Se seznani z različnimi kriteriji delitve materialov v skupine;
- Spozna delitev v najpomembnejše skupine glede na zgradbo: kovine, keramika (anorganski nekovinski materiali), polimeri (naravni in sintetični), kompoziti;
- Se pouči o značilnih aplikacijah za posamezne skupine tradicionalnih materialov.
Standardi znanja
- Našteje značilne aplikacije za posamezne skupine tradicionalnih materialov.
Minimalni standardi
- Glede na zgradbo razdeli materiale v tri osnovne skupine (kovine, polimeri in keramika) ter kompozite;
- Našteje delitve materialov v skupine glede na zgradbo, izvor (naravni, umetni) in namen uporabe (npr. gradbeni, tekstilni, konstrukcijski itd.);
Pojmi
- Kompozitni material
- Polimer
- Keramika
Didaktična priporočila
Didaktična priporočila: Izdelajo lastno zbirko osnovnih materialov in jih predstavijo v šoli.
Materialne lastnosti in njihova delitev v skupine
Učni cilji
- Se seznani z definicijama pojmov fizikalne lastnosti in kemijske lastnosti;
- Spozna delitev lastnosti trdnih snovi v različne podskupine (fizikalne, mehanske, električne, toplotne, magnetične, optične, kemijske itd.);
- Presodi najpomembnejše lastnosti posameznih skupin materialov.
Standardi znanja
- Našteje in definira različne podskupine lastnosti trdnih snovi (mehanske, električne, toplotne, magnetične, optične... );
- Našteje primere materialov z ekstremno velikostjo posamičnih lastnosti.
Minimalni standardi
- Razloži pojma fizikalna in kemijska lastnost;
- Našteje in definira različne podskupine lastnosti trdnih snovi (mehanske )
- Našteje značilne lastnosti za posamezne skupine materialov (delitev po zgradbi) in pomembne razlike znotraj skupine kovin;
Pojmi
- Fizikalna lastnost
- Kemijska lastnost
Didaktična priporočila
Didaktična priporočila: Na izbranem materialu dijaki prikažejo mehanske, fizikalne in kemijske lastnosti.
Zgradba atoma
Učni cilji
- Utrdi znanje o gradnikih atomov, o atomskem in masnem številu ter porazdelitvi elektronov po energijskih nivojih;
- Izve, da se atomi obnašajo kot toge kroglice in da Bohrov model atoma služi le ponazarjanju energijskih nivojev elektronov;
- Utrdi razumevanje periodnega sistema elementov.
Standardi znanja
- Razloži pojme elektronska lupina, energijski nivo, orbitala.
Minimalni standardi
- Našteje protone in nevtrone kot gradnike jedra ter elektrone;
- Pozna njihov električni naboj ter razume periodni sistem;
Pojmi
- Proton
- Nevtron
- Elektron
- Atom
- Električni naboj
- Elektronska lupina
- Energijski nivo
- Orbitala
- Masno število
Vezi med atomi
Učni cilji
- Utrdi znanje o kemijskih vezeh;
- Utemelji povezavo med tipom primarnih vezi in nekaterimi lastnostmi materialov (električna in toplotna prevodnost, plastična deformacija kovin itd.);
Izbirni cilji
- Spozna primere snovi s posameznim prevladujočim tipom primarnih vezi.
Standardi znanja
- Našteje tipe primarnih vezi (ionska, kovalentna, kovinska) in sekundarnih vezi (van der Waalsove vezi, vodikova vez);
- Razloži, od česa je odvisen tip primarne kemijske vezi (zasedenost zunanjih orbital, elektronegativnost);
Minimalni standardi
- Našteje tipe primarnih vezi (ionska kovalentna kovinska)
- Razloži, kako nastanejo primarne kemijske vezi;
- Ve, da so primarne vezi močnejše od sekundarnih.
Pojmi
- Sekundarne vezi
- Elektronegativnost
Kristalna in amorfna zgradba materialov
Učni cilji
- Spozna značilnosti kristalne in amorfne zgradbe trdnih snovi;
- Se seznani s pojmoma kristalna mreža in osnovne celica kristalne mreže.
Minimalni standardi
- Opiše urejenost dolgega in kratkega reda ter poveže dolgi in kratki red s kristalno oz. amorfno zgradbo snovi;
- Našteje primere kristaliničnih in amorfnih trdnih snovi;
- Razloži, kaj je kristalna mreža in osnovna celica kristalne mreže.
Pojmi
- Kristalna zgradba (struktura)
- Amorfna zgradba (struktura)
Didaktična priporočila
Didaktična priporočila: Učitelj s pomočjo videoposnetka prikaže temo Kristalna mreža.
Geometrija kristalov (kristalni sistemi, bravaisove mreže)
Učni cilji
- Spozna osnovne tipe mrež in osnovnih celic (Bravaisove mreže).
Standardi znanja
- Opiše preostale tipe osnovnih celic.
Minimalni standardi
- Opiše kubično telesno centrirano, kubično ploskovno centrirano in heksagonalno gosto zloženo kristalno mrežo;
- Izračuna razmerja med premerom atoma in velikostjo osnovne celice ter delež zasedenosti prostora z atomi za kubične kristalne mreže;
Pojmi
- Osnovna celica
- Bravaisova mreža
- Kristalna mreža
Didaktična priporočila
Didaktična priporočila: Dijaki lahko izdelajo lastne modele kristalnih mrež.
Polimorfizem in alotropija
Učni cilji
- Spozna pojma polimorfizem in alotropija.
Minimalni standardi
- Definira in razlikuje polimorfizem ter alotropijo.
Pojmi
- Polimorfizem
- Alotropija
Didaktična priporočila
Didaktična priporočila: Dijaki si ogledajo si videoposnetek na temo Polimorfizem in alotropija.
Napake v kristalni zgradbi
Učni cilji
- Spozna napake v kristalih (točkaste, linijske, ploskovne in prostorske);
Izbirni cilji
- Se seznani z najpomembnejšimi vplivi posameznih vrst napak na lastnosti materialov;
- Spozna nekatere vzroke nastanka napak in najpogosteje uporabljene načine (tehnološke postopke) za povečevanje ter za zmanjševanje števila napak posameznih vrst.
Minimalni standardi
- Definira in našteje osnovne skupine napak v kristalni zgradbi: točkaste, linijske, dvodimenzionalne (ploskovne) in tridimenzionalne (prostorske).
Pojmi
- Imena kristalnih napak
Realna zgradba materialov, mikrostruktura materialov
Učni cilji
- Spozna pojem mikrostruktura, elemente mikrostrukture in vplive mikrostrukture na mehanske lastnosti kovinskih materialov;
- Se seznani z osnovnimi načini preiskav mikrostruktur;
Izbirni cilji
- Kvalitativno spozna vpliv velikosti kristalnih zrn na trdnost in žilavost kovin.
Standardi znanja
- Našteje osnovne možnosti opazovanja mikrostruktur (svetlobna in elektronska mikroskopija).
Minimalni standardi
- Razlikuje med strukturo (kristalno zgradbo) in mikrostrukturo materialov ter našteje osnovne elemente mikrostrukture;
Pojmi
- Mikrostruktura
- Svetlobna mikroskopija
- Elektronska mikroskopija
Didaktična priporočila
Didaktična priporočila: Ogled vzorca materiala pod mikroskopom. Dijaki lahko na pocinkanem stebru izmerijo velikost kristalnega zrna.
Trdne raztopine in spojine
Učni cilji
- Spozna definicijo trdne raztopine;
- Usvoji pojma substitucijska in intersticijska topnost;
Izbirni cilji
- Razloži, da je vzajemna topnost v veliki večini primerov omejena in z naraščanjem temperature večinoma narašča, z zniževanjem temperature pa se zmanjšuje.
Standardi znanja
- Razlikuje intersticijsko od substitucijske topnosti.
Minimalni standardi
- Razlikuje kemično spojino od trdne raztopine;
- Pravilno uporablja termine trdna raztopina, topilo, topljenec in spojina;
Pojmi
- Vzajemna topnost
- Trdna raztopina
- Substitucijska topnost
- Intersticijska topnost
Didaktična priporočila
Didaktična priporočila: S poskusi se prikaže:
Didaktična priporočila: delna topnost: primer naraščanja topnosti sladkorja ali soli v vodi med segrevanjem in izločanje iz raztopine med ohlajanjem;
Didaktična priporočila: popolna topnost : primer mešanja vode z alkoholom;
Didaktična priporočila: netopnost: primer mešanja vode z oljem;
Didaktična priporočila: intersticijska, substitucijska topnost in trdna raztopina: prikaz na modelu s kroglicami.
Toplotno aktivirani procesi
Učni cilji
- Spozna difuzijo;
- Se seznani z najpogostejšimi toplotnimi obdelavami;
- Razume učinke poteka (ali zaviranja) difuzijskih procesov pri najpogostejših toplotnih obdelavah in pomen kontrole difuzije pri tehnologiji materialov;
Izbirni cilji
- Uvidi vpliv difuzije (namerno sprožene in naravno potekajoče) ter vplivov zaviranja oziroma preprečevanja difuzijskih procesov (hitro ohlajanje) na mikrostrukturo in na lastnosti materialov;
- Spozna, pri katerih toplotnih obdelavah (oziroma korakih znotraj posamezne obdelave) je difuzija zaželena, potrebna in pri katerih jo namerno zaviramo (preprečujemo).
Standardi znanja
- Razlikuje med intersticijsko in substitucijsko difuzijo;
- Pozna poenostavljeno vpliv gradienta koncentracij in časa.
Minimalni standardi
- Definira difuzijo;
- Kvalitativno opiše vpliv temperature na difuzijo;
- Opiše pomen difuzije za procese v materialih (da sprememba lastnosti pri toplotnih obdelavah temelji na difuzijskih procesih);
Pojmi
- Difuzija
- Substitucijska difuzija
- Intersticijska difuzija
- Toplotna obdelava
Fazne transformacije
Učni cilji
- Spozna definicije komponente, faze, sistema in večfaznega ravnotežja;
- Obravnava taljenje, strjevanje in izparevanje kot fazne transformacije ter se seznani z nekaterimi faznimi transformacijami v trdnem agregatnem stanju.
Standardi znanja
- Definira komponento, fazo, sistem, fazna ravnotežja;
- Našteje in opiše najpomembnejše fazne transformacije v materialih: taljenje, strjevanje, izparevanje, raztapljanje, izločanje.
Minimalni standardi
- Definira komponento fazo sistem
- Pojasni, kaj so fazne transformacije;
Pojmi
- Komponenta
- Faza
- Fazna transformacija
Kovinski materiali pri visokih temperaturah
Učni cilji
- Usvoji termin “visoka temperatura” kot mejno temperaturo (izraženo kot delež absolutne temperature tališča), pri kateri difuzija postane pomemben proces;
- Se seznani s procesi, ki potekajo pri visokih temperaturah in njihovim vplivom na zgradbo ter lastnosti materialov (rast kristalnih zrn, rekristalizacija, popuščanje);
Izbirni cilji
- Spozna, kaj so lezenje in visokotemperaturna oziroma suha korozija;
- Usvoji, kaj je rekristalizacija in kako vpliva na lastnosti materialov, ter našteje temeljne pogoje za potek poprave in rekristalizacije (dovolj velika predhodna plastična deformacija in dovolj visoka temperatura).
Standardi znanja
- Razloži pojem visoka temperatura kot mejna temperatura, nad katero je difuzija pomemben proces, in jo definira kot delež absolutne temperature tališča;
Minimalni standardi
- Razloži pojem visoka temperatura kot mejna temperatura nad katero je difuzija pomemben proces
- Opiše vpliv visokih temperatur na mehanske lastnosti materialov;
- Pozna pojav rasti kristalnih zrn in posledice za mehanske lastnosti.
Pojmi
- Lezenje
- Poprava
- Rekristalizacija
- Popuščanje
Didaktična priporočila
Didaktična priporočila: Ogled video posnetka na spletu na temo Vpliv temperature na mehanske lastnosti materialov. Smiselno je na kratko pojasniti razlike med obnašanjem kovin, polimerov in nekovinskih anorganskih materialov. Podrobneje se bodo te razlike pojasnile pri obravnavi nekovinskih anorganskih materialov in polimernih materialov.
Deformacija materialov
Učni cilji
- Se seznani z delitvijo deformacij glede na smer delovanja zunanjih sil (natezna, tlačna, upogibna, vzvojna, strižna deformacija);
- Spozna razlike med elastično, plastično, viskoelastično in viskoplastično deformacijo;
Izbirni cilji
- Se pouči o deformacijskem utrjanju kovin in pojav poveže z drsenjem dislokacij;
- Uvidi vpliv deformacijskega utrjanja in rekristalizacije na deformabilnost oz. duktilnost kovin.
Standardi znanja
- Razlikuje natezne, tlačne, upogibne, vzvojne, strižne deformacije, jih prepozna na slikah in jih ponazori s skico;
Minimalni standardi
- Razlikuje natezne tlačne upogibne vzvojne strižne deformacije jih prepozna na slikah
- Opiše osnovne značilnosti elastične deformacije (Hookov zakon);
- Razloži osnovne značilnosti plastične deformacije materialov.
Pojmi
- Natezna deformacija
- Tlačna deformacija
- Upogibna deformacija
- Vzvojna deformacija
- Strižna deformacija
- Deformacijsko utrjanje
- Dislokacija
Didaktična priporočila
Didaktična priporočila: Na primeru preprostega predmeta (npr. šolske gobe za brisanje table) se prikaže vse vrste obremenitev in posledičnih deformacij.
Porušitev
Učni cilji
- Spozna pomen pojmov žilavost, krhkost, duktilnost in utrujanje materiala;
Izbirni cilji
- Se seznani s pojmi teoretična in dejanska trdnost materialov ter z vzroki za razliko med njima;
- Se seznani z vzroki pojava in rasti razpok ter z različnimi načini prelomov (žilav, krhek in značilnosti obeh, nevarnosti za konstrukcije).
Standardi znanja
- Opiše zaporedje dogodkov pri nastanku in rasti razpoke ter porušitvi;
- Poenostavljeno opiše potek in značilnosti krhkega, žilavega in krhko-žilavega loma;
- Na sliki ali porušenem preizkušancu prepozna, ali je šlo za žilav ali krhek lom;
- Razloži, kaj sta utrujanje materiala in utrujenostni lom.
Minimalni standardi
- Definira žilavost, krhkost in duktilnost materiala;
Pojmi
- Napetost tečenja
- Trdnost
- Žilavost
- Krhkost
- Duktilnost
- Utrujanje
- Žilav lom
- Krhek lom
Didaktična priporočila
Didaktična priporočila: Dijaki jekleno žico prelomijo z izmeničnim prepogibanjem za prikaz loma z utrujanjem.