ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»
Согласовано | Утверждаю |
Руководитель направления декан МФ проф. ______________ «___» ___________ 2012 г. | Зав. кафедрой МиТХИ, проф. __________ «___» ___________ 2012 г. |
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«диффузия в твердых телах»
Направление подготовки: 150100.68 «материаловедение и технологии материалов»
Магистерская программа: «Материаловедение и технологии наноматериалов и покрытий»
Квалификация (степень) выпускника: магистр
Форма обучения: заочная
Форма обучения: заочная
Составитель: _________________ доцент кафедры МиТХИ
Программа является приложением
к учебному плану в соответствии с ГОС-2010
Санкт-Петербург
2012
1. Цели и задачи дисциплины
Цель дисциплины – дать будущим магистрам по материаловедению и технологии материалов современные знания об основные законах и понятиях теории диффузионных процессов в твердых телах, необходимые для решения материаловедческих и металлургических задач, совершенствования и создания новых конструкционных (в том числе нано-) материалов.
Задачи дисциплины:
- изучение феноменологической теории диффузии и освоение методов решения уравнений диффузии при различных граничных условиях;
- изучение основ термодинамической теории диффузии, сущности и возможностей современных методов определения коэффициентов диффузии;
- изучение основ атомной теории диффузии, сущности и термодинамических характеристик возможных механизмов диффузии в твердых телах;
- рассмотрение характера и причин влияния основных внутренних и внешних факторов на коэффициент диффузии;
- рассмотрение особенностей диффузионных процессов, протекающих в специфических условиях.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина относится к циклу М1 (вариативная часть).
Для изучения дисциплины «Диффузия в твердых телах» необходимы знания, умения и компетенции, полученные обучающимися при изучении дисциплин «Математическое моделирование и современные проблемы наук о материалах и процессах», «Основы научных исследований», «Физика и химия конденсированного состояния/Теория электронного строения твердых тел», «Материаловедение и технологии современных и перспективных материалов», «Объемные наноструктурированные конструкционные наноматериалы».
3. Требования к результатам освоения дисциплины
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих общекультурных (ОК) и профессиональных (ПК) компетенций:
Код компетенции | Название компетенции |
ОК-1 | Способность совершенствовать и развивать свой интеллектуальный и общекультурный уровень и профессионализм, устранять пробелы в знаниях и обучаться на протяжении всей жизни |
ОК-2 | Владение навыками развития научного знания и приобретения нового знания путем исследований, оценки, интерпретации и интегрирования знаний, проведения критического анализа новых идей |
ОК-6 | Способность самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности |
ОК-7 | Способность к профессиональной эксплуатации современного оборудования и приборов … и формулированию новых исследовательских задач на основе возникающих проблем |
ОК-8 | Владение навыками формирования и аргументации собственных суждений и научной позиции на основе полученных данных, умение анализировать и делать выводы по социальным, этическим, научным и техническим проблемам, возникающим в профессиональной деятельности, с учетом экологических последствий |
ПК-1 | Владение базовыми знаниями теоретических и прикладных наук и развитие их самостоятельно с использованием в профессиональной деятельности при анализе и моделировании, теоретическом и экспериментальном исследовании материалов и процессов |
ПК-4 | Способность к самостоятельному обучению новым методам исследования, к изменению научного, научно-педагогического и производственного профиля своей профессиональной деятельности |
ПК-6 | Умение использовать методы моделирования и оптимизации, стандартизации и сертификации для оценки и прогнозирования свойств материалов и эффективности технологических процессов |
ПК-7 | Понимание и самостоятельное использование физических и химических основ, принципов и методики исследований, испытаний и диагностики веществ и материалов; наличие навыков комплексного подхода к исследованию материалов и технологий их обработки и модификации, включая стандартные и сертификационные испытания материалов, изделий и процессов |
ПК-9 | Наличие навыков самостоятельного сбора данных, изучения, анализа и обобщения научно-технической информации по тематике исследования, разработки и использования технической документации, основных нормативных документов по вопросам интеллектуальной собственности, подготовки документов к патентованию, оформлению ноу-хау на основе знаний основных положений в области интеллектуальной собственности, патентного законодательства и авторского права РФ |
ПК-12 | Владение навыками самостоятельного использования технических средств для измерения и контроля основных параметров технологических процессов, структуры и свойств материалов и изделий из них, планирования и реализации исследований и разработок |
ПК-14 | Способность к профессиональной эксплуатации современного оборудования и приборов в соответствии с целями ООП магистратуры |
В результате изучения дисциплины студент должен овладеть основами знаний по дисциплине, формируемыми на следующих уровнях:
Знать:
- методы математического описания процесса диффузии в твердых телах для различных условий;
- физико-химическую сущность и механизмы диффузии в твердых телах;
- роль диффузии в различных процессах тепловой обработки материалов.
Уметь:
- использовать законы диффузии для анализа химических и фазовых превращений в макроскопических системах;
- составлять и решать кинетические уравнения процессов диффузии в гомогенных и гетерогенных системах, анализировать полученные результаты;
- производить расчеты массопереноса в конденсированных системах;
- производить расчеты скорости процессов в объеме и на поверхностях раздела в многофазных системах.
Владеть:
- методами измерений диффузионных характеристик систем;
- навыками оценки вкладов диффузионных процессов в развитие структурных и фазовых превращений в материалах.
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетных единицы.
Вид учебной работы | Всего часов | Семестры | |||
3 | |||||
Аудиторные занятия (всего) | 10 | 10 | |||
В том числе: | |||||
Лекции | 2 | 2 | |||
Практические занятия (ПЗ) | 8 | 8 | |||
Семинары (С) | |||||
Лабораторные работы (ЛР) | |||||
Самостоятельная работа (всего) | 94 | 94 | |||
В том числе: | |||||
Курсовой проект (работа) | |||||
Расчетно-графические работы | |||||
Реферат (или электронная презентация) | 26 | 26 | |||
Другие виды самостоятельной работы | |||||
Подготовка к практическим работам | 12 | 12 | |||
Составление отчетов к практическим работам | 20 | 20 | |||
Защита лабораторных работ | |||||
Подготовка к сдаче зачета | 36 | 36 | |||
|
(зачет, экзамен) | 4 | зачет | |||
Общая трудоемкость, час Зач. ед. | 108 | 108 | |||
3 | 3 |
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Содержание раздела |
1. | Введение | Понятие диффузии; самодиффузия и гетеродиффузия. Место диффузии в процессах производства и обработки материалов. |
2. | Феноменологическая теория диффузии | Диффузионный поток. Первое уравнение диффузии (первый закон Фика). Закон сохранения вещества при диффузии. Второе уравнение диффузии (второй закон Фика). Диффузионные характеристики и диффузионные параметры. Некоторые решения второго уравнения диффузии. Способы определения концентрационной зависимости коэффициента диффузии. Метод Матано. Основы термодинамической теории диффузии. Парциальные коэффициенты диффузии. Коэффициент взаимной диффузии. Восходящая диффузия и ее причины. Экспериментальные методы определения коэффициентов диффузии и их сравнительный анализ. |
3. | Атомная теория диффузии | Случайные блуждания и коэффициент диффузии. Возможные механизмы диффузии в кристаллических твердых телах. Связь коэффициентов самодиффузии с характеристиками образования и перемещение вакансий. Эффект Киркендалла. Диффузионная пористость. |
4. | Основные факторы, влияющие на коэффициент диффузии | Температурная зависимость коэффициента диффузии. Уравнение Аррениуса. Влияние природы диффундирующего элемента, типа, состава и кристаллической структуры твердого раствора на коэффициент диффузии. Анизотропия коэффициента диффузии. Влияние дефектов кристаллического строения на коэффициент диффузии. Диффузия по дислокациям и границам зерен. Результаты экспериментального изучения диффузии по границам зерен. |
5. | Специфические случаи диффузии | Особенности диффузии на внешней поверхности и на внутренних поверхностях раздела. Диффузия в многофазных системах. Диффузионный рост фаз. Спекание. Особенности диффузионных процессов в материалах с ионными и ковалентными связями. Особенности диффузии в наноматериалах. Диффузия в тонких поликристаллических плёнках. Диффузионное легирование. Особенности диффузии в расплавленных металлах и сплавах. |
.
5.2. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи
с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
№№ п/п | Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин | №№ разделов данной дисциплины, необходимых для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин | ||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | ||
1. | Оборудование и методики исследований наноматериалов и покрытий | + | + | + | + | + |
2. | Взаимодействие лазерного излучения с веществом | + | + | + | + | + |
3. | Проектирование технологических процессов формирования и обработки наноматериалов и покрытий | + | + | + | + | + |
4. | Научно-исследовательская работа | + | + | + | + | + |
5.3. Разделы дисциплины и виды занятий
№№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Лек- ции | Практ. зан. | Лаб. зан. | Семин. | СРС | Всего, час. |
1. | Введение | 2 | 2 | 4 | |||
2. | Феноменологическая теория диффузии | 2 | 15 | 17 | |||
3. | Атомная теория диффузии | 2 | 15 | 17 | |||
4. | Основные факторы, влияющие на коэффициент диффузии | 2 | 15 | 17 | |||
5. | Специфические случаи диффузии | 2 | 15 | 17 | |||
Итого: | 2 | 8 | 62 | 72 |
6. Лабораторный практикум –
не предусмотрено учебным планом и основной образовательной программой.
7. Практические занятия
№№ п/п | № раздела | Тематика практических занятий | Трудо-емкость, час |
1. | 2 | Решения второго уравнения диффузии при различных граничных условиях | 2 |
2. | 3 | Механизмы диффузии. Эффект Киркендалла | 2 |
3. | 4 | Диффузия по границам зерен: теория и экспериментальные данные | 2 |
4. | 5 | Диффузия в межкристаллитных границах и наноматериалах | 2 |
8. Примерная тематика курсовых проектов (работ) -
не предусмотрено учебным планом и основной образовательной программой.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение
дисциплины
а) основная литература:
1. Мерер, Х. Диффузия в твердых телах: учебно-справочное руководство / Пер. с англ. под ред. и / Х. Мерер. – Долгопрудный: Интеллект, 2011. – 536 с.
2. Бокштейн, атомов и ионов в твердых телах / , . – М.: МИСИС, 20с.
3. Кузьминых, в металлах и сплавах : учеб. пособие / , . – Уфа: УГАТУ, 2006. – 58 с.
4. Франк-Каменецкий, макрокинетики: диффузия и теплопередача в химической кинетике: учебник-монография / -Каменецкий. – 4-е изд. – Долгопрудный: Интеллект, 2008. – 407 с.
б) дополнительная литература:
5. Большой энциклопедический словарь / гл. ред. .
– М.: Изд-во «Большая Российская энциклопедия», – СПб.: «Норинт», 1997.
6. Имаев, в металлах : учеб. пособие / . – Уфа: УГАТУ, 2000. – 103 с.
7. Актавина, твердых фаз и диффузия в металлических сплавах: учеб. пособие / , В. Н, Барсуков. – Л.: СЗПИ, 1981. – 76 с.
в) Интернет-ресурсы:
8. Диффузия в твердых телах: учеб.-метод. комплекс дисциплины [Электронный ресурс] / сост. , , . – М.: Изд. Дом МИСИС, 2010. – 125 с.
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Кафедра материаловедения и технологии художественных изделий имеет мультимедийную аудиторию для проведения лекционных и практических занятий и располагает необходимым комплектом мультимедийных материалов.
11. Методические рекомендации по организации изучения
дисциплины
Изучаемая дисциплина содержит материал, необходимый для получения цельного представления об обширной области процессов, связанных с перемещением атомов и ионов в металлах, полупроводниках, диэлектриках, керамических материалах, композитах и т. д. При этом важно как знание законов, управляющих движением частиц, так и приложение этих законов к разнообразным явлениям переноса, контролируемым диффузией, в однофазных и многофазных системах.
Для успешного освоения дисциплины необходим учет свойственных ей особенностей:
- материал дисциплины обладает существенными отличиями от пройденного ранее при изучении других дисциплин, в нем содержится много новых понятий и определений; его усвоение обучающимися требует использования многих из ранее полученных знаний;
- дисциплине свойственен широкий охват возможных для решения задач, которые могут иметь как теоретический, так и прикладной, технологический характер;
- использование сведений, полученных при изучении данной дисциплины, возможно в других областях знания, поскольку различные процессы описываются теми же уравнениями, что и диффузия;
- дисциплина носит фундаментальный характер, так как принципы, лежащие в основе описания процессов и явлений, являются всеобщими.
Материал дисциплины включает несколько тесно связанных между собой смысловых блоков:
- макроскопический, содержащий определение основных параметров диффузии, уравнения диффузии и различные решения этих уравнений;
- микроскопический, содержащий основные представления теории случайных блужданий;
- методы определения основных параметров диффузии на основе экспериментальных данных;
- анализ основных механизмов диффузии;
- раздел, посвященный применению вышеизложенных представлений к описанию и анализу диффузионных процессов в сложных системах. Основное внимание в этом разделе уделено диффузии в межкристаллитных границах, на представлениях о которой базируется описание диффузии в наноматериалах.
Дисциплина содержит большое количество учебного материала, а время аудиторных занятий ограничено. Следствием этого является появление трудностей при усвоении новой информации лекционного занятия и при решении задач на практических занятиях.
Чтобы снизить трудоемкость восприятия материала дисциплины, необходима:
- активная работа обучающихся на практических занятиях, участие в обсуждении узловых понятий;
- постоянная самостоятельная работа обучающихся; особенно важно тщательно относиться к выполнению заданий преподавателя и самостоятельному разбору теоретических и практических вопросов дисциплины.
Дополнительной трудностью освоения дисциплины является то, что ее материал базируется на уже пройденных разделах математики (решение обыкновенных дифференциальных уравнений, анализ систем линейных дифференциальных уравнений) и физической химии (законы и методы термодинамики, фазовые переходы, термодинамика поверхностных явлений; формальная химическая кинетика).
Аттестация обучающегося по дисциплине является совокупностью данных по успешности выполнения им требований учебной программы (посещения лекционного и практических занятий, сдачи зачета в форме итогового тестирования и собеседования с преподавателем).
Разработчик:
кафедра МиТХИ доцент
Эксперты:
кафедра МиТХИ профессор
профессор
