Изучение структуры и свойств материалов, применяемых в медицине. Методические указания к практическим занятиям по дисциплине «Конструкционные и биомат

УДК 620.22.(07)

К-317

Рецензент С.И. Шарапов

Кащенко А.П.

К-317 Изучение структуры и свойств материалов, применяемых в медицине [Текст]: методические указания к практическим занятиям по

дисциплине «Конструкционные и биоматериалы» для студентов

направления 12.03.04 (201000) «Биотехнические системы и технологии» / сост. А.П. Кащенко, С.Е. Строковская, Г.С. Строковский. – Липецк: Издво ЛГТУ, 2014. – 24 с.

Методические указания предназначены для студентов направления 12.03.04 (201000) «Биотехнические системы и технологии» (профиль подготовки «Инженерное дело в медико-биологической практике»).

Содержат перечень изучаемых тем и разделов, набор заданий и упражнений.

Табл.6. Ил.10. Библиогр.:5 назв.

© ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет», 2014

Предлагаемая тематика заданий соответствует теоретическому материалу, изложенному на лекционных занятиях и в используемой литературе.

При оформлении задания указываются:

-ФИО студента;

-номер группы;

-тема и задачи работы.

На проверку представляется подробное решение задач с рабочими формулами и подстановкой численных значений.

При изучении предмета «Конструкционные и биоматериалы» используется следующая тематика семинарских занятий:

1. Оптические приборы и построение изображений.

2. Определение вектора Бюргерса.

3. Характеристики дислокационной структуры кристаллического материала.

4. Расчёт двух структурных составляющих на диаграмме состояния.

5 Расчёт трёх структурных составляющих на диаграмме состояния.

6. Определение механических свойств материала при неразрушающем методе контроля.

7. Определение механических свойств металла при разрушающем методе контроля.

3

1. Оптические приборы и построение изображений

1.1. Человеческий глаз как оптическая система

Рис. 1. Схема построения изображения в человеческом глазе

Основной линзой глаза является хрусталик х, дающий изображение предмета Р на сетчатой оболочке С. Показатель преломления n стекловидной жидкости, заполняющей глаз за хрусталиком, отличен от показателя преломления воздуха (примерно 1) перед хрусталиком. Поэтому справедливо соотношение , где f – фокусное расстояние хрусталика.

Для глаза величины F' и n постоянны. Для того чтобы изображение предмета, находящегося на различных расстояниях F от глаза, попадало на сетчатую оболочку, необходимо с изменением F менять в соответствии с формулой фокусное расстояние хрусталика f. Это осуществляют специальные мышцы, деформирующие хрусталик и позволяющие аккомодировать глаз в очень широких пределах от до некоторого . Абсолютная величина расстояния ясного видения для нормального глаза составляет

. У близорукого глаза , а у дальнозоркого

.

Свет, попадая на сетчатую оболочку, вызывает химическую реакцию разложения зрительного пурпура, заключенного в так называемых палочках и

4

колбочках, и таким образом раздражает окончания зрительного нерва. Эти раздражения передаются в головной мозг и создают там зрительные ощущения.

1.2. Устройство микроскопа

Световой микроскоп предназначен для исследования поверхности материалов с увеличением до 2000 раз. В основе оптической системы микроскопа лежат 2 линзы - окуляр и объектив (рис.2).

Рис. 2. Построение изображения в микроскопе

Объектив дает обратное действительное увеличенное изображение,

окуляр (лупа) - прямое мнимое увеличенное, при этом изображение, даваемое объективом, является предметом для окуляра. Принципиальная схема хода лучей в микроскопе типа МПС приведена на рис.3.

5

Образец помещают на предметный столик изучаемой поверхностью вверх. Грубая наводка трубы осуществляется вращением макровинта (6), точная - микровинта (3) (не более 1/2 оборота) при закрепленном положении макровинта. Для изучения образца в монохроматическом свете применяют светофильтры. Яркость освещения регулируется реостатом осветителя, а также с помощью диафрагмы (12). Для перехода от наблюдения в отраженном свете к наблюдению в проходящем предусмотрен переключатель.

1.3. Рабочие параметры микроскопа

Увеличением микроскопа называется отношение размеров изображения hи и предмета hп :

nм = hи / hп ,

при этом интегральное увеличение зависит от увеличения каждой из линз окуляра n2 и объектива n1:

nм = n1 · n2 ,

которые, в свою очередь, зависят от оптической силы объектива f1 и окуляра f2. Таким образом,

nм = lнз ·lф · f1 · f2. ,

где lнз = 250 мм - расстояние наилучшего зрения, lф - расстояние между соседними фокусами объектива и окуляра. Требуемое значение интегрального увеличения можно найти с помощью простой зависимости

nм ≥ lmin / hп ,

где lmin - минимальное расстояние, разрешаемое глазом (lmin = 0,1 - 0,2 мм).

Разрешение микроскопа характеризует способность прибора давать раздельно изображение точек, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Минимальное значение этого расстояния lp называется пределом видимости:

7

результате получится лишнее межатомное расстояние, обозначаемое как вектор , то это означает, что имеет место краевая или винтовая дислокация.

Выбираем для ГЦК и ОЦК решеток период а=2,87Ǻ. Для каждого студента выдается индивидуальное задание (табл. 1)

Полученные данные студент использует для графического построения элементарной ячейки и определения межатомного расстояния на заданной плоскости в известном направлении. Это расстояние и является вектором Бюргерса.

3. Характеристики дислокационной структуры

кристаллического материала

3.1. Определение объемной плотности дислокаций

Дислокации в кристалле могут располагаться равномерно или образовывать скопления. Их можно наблюдать под микроскопом прямым методом путём избирательного химического травления, так как места выхода дислокаций на изучаемую поверхность травятся сильнее (в поле зрения ямки

9

травления выглядят как точки). При скоплении дислокаций вдоль плоскости они выглядят как прямые линии.

Важнейшей характеристикой дислокаций является их плотность -

суммарная длина дислокаций Σl , приходящаяся на единицу объема кристалла V (см/см3):

ρD = Σl / V.

Каждая подгруппа получает фотографию структуры, к ней указывается увеличение, число площадок и их размер в сантиметрах.

После определения требуемых характеристик площадок проводится подсчёт ямок травления, и по этим данным определяется плотность выхода дислокаций:

nD = icp n2M / S,

где icp - усредненное по квадратам значение числа ямок травления, nm –

увеличение, S – площадь площадок.

Объёмная плотность дислокаций определяется выражением

ρD = 2 · nD ,

Результаты измерений и вычислений вносим в табл. 2.

3.2.Определение угла разориентировки блоков

Вметаллах при определенных условиях возникает так называемая субзеренная (блочная) структура. Границы блоков образованы линейными скоплениями дислокаций, в то время как внутри блоков дислокации

10