МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»
Физический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Декан
_______________________
"_____"__________20___ г.
Рабочая программа дисциплины
Физическое металловедение
Направление подготовки
011200 Физика
Профиль подготовки
Физическое материаловедение
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
Очная
Кемерово
2010
1. Цели освоения дисциплины «Физическое металловедение»: научить, на основе выработки теоретических представлений, анализировать и прогнозировать зависимость физических свойств металлов и сплавов от микроструктуры, состава, плотности дефектов кристаллической решетки, положения в периодической таблице элементов, фазового состояния и температуры; научить использовать методы физического анализа для решения задач металловедения и физики металлов; ознакомить с принципами формирования особых физических свойств в сплавах.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата Дисциплина входит в профессиональный цикл ООП в качестве дисциплины по выбору (Б.3.ДВ 2).
Данная дисциплина логически и содержательно взаимосвязана с такими дисциплинами и модулями ООП, как: Экспериментальные методы в физике конденсированного состояния, Введение в физику твердого тела. Современные материалы.
«Входные» знания, умения и готовности обучающегося, необходимые при освоении данной дисциплины и приобретенные в результате освоения предшествующих дисциплин: Модуль Математика, Квантовая теория, Физика атома и атомных явлений. Введение в физику твердого тела.
Теоретические дисциплины, для которых освоение данной дисциплины необходимо как предшествующее: Введение в нанотехнологии, Современные материалы.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины формируются следующие компетенции: способность эксплуатировать современную физическую аппаратуру и оборудование (ПК-3)
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать: Физические принципы работы электронного микроскопа. Основы вакуумной техники. Методы подготовки объектов для электронно-микроскопического анализа. Уметь: Проводить металлографический анализ металлов и сплавов. Проводить измерения микротвердости. Проводить пробоподготовку объектов для электронно-микроскопического анализа. Работать с вакуумными установками ВУП-4 и ВУП-5. Работать с электронным микроскопом ЭМ-125. Владеть: методиками подготовки объектов для металлографического и электронно-микроскопического анализа. Владеть инструментальными методами исследования структуры металлов и сплавов.Способность применять на практике базовые общепрофессиональные знания теории и методов физических исследований (ПК-5),
Знать: Модель Зоммерфельда, Зонную модель электронного строения твердого тела. Методы исследования топологии поверхности Ферми. Типы твердых растворов. Электронные теории ограниченных твердых растворов. Роль размеров атомов при образовании твердых растворов. Методы определения размеров атомов. Типы сверхструктур. Правила Юм-Розери, Закон Вегарда. Понятие фаз Лавеса. Типы дислокаций. Вектор Бюргерса. Методы исследования дислокаций. Типы точечных дефектов. Свойства точечных дефектов в металлах. Механические свойства несущественно зависящие от температуры. Зависимость σ-ε. Теории деформационного упрочнения, вызванного полями дальнодействующих и близкодействующих напряжений. Теории текучести. Методы испытания на твердость по Бринеллю, Роквеллу, Викерсу. Характеристики металлов, получаемые при испытании на разрыв. Модель Гриффитса. Понятие усталости металла. Понятие ползучести. Правило фаз Гиббса. Вывод простых диаграмм состояния методом геометрической термодинамики. Методы построения кривых ликвидуса и солидуса. Метод исследования фазовых равновесий в твердом состоянии. Понятие гомогенного раствора. Вакансионный механизм диффузии в твердых растворах. Теорию гомогенного и гетерогенного зародышеобразования. Теорию (Гиббса) атомного роста кристаллов. Способы перераспределения примесей при кристаллизации. Метод зонной плавки. Понятие дендритного и эвтектического роста. Понятие нормального, мартенситного и аллотропического превращения.· Уметь: Решать типичные задачи металловедения. Анализировать диаграммы состояния сплавов. Анализировать диаграммы σ-ε. Решать прямую и обратную задачу электронографии.
· Владеть: методом геометрической термодинамики для анализа сплавов. Методами исследования дефектов в кристаллах.
4. Структура и содержание дисциплины (модуля)
Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетных единицы 144 часа.
4.1. Объём дисциплины и виды учебной работы (в часах)
4.1.1. Объём и виды учебной работы (в часах) по дисциплине в целом
Вид учебной работы | Всего часов |
Общая трудоемкость базового модуля дисциплины | 4 зачетные единицы, 144 часа |
Аудиторные занятия (всего) | 72 |
В том числе: | |
Лекции | 36 |
36 | |
Самостоятельная работа | 72 |
В том числе: | |
Подготовка к выполнению лабораторных работ | |
Подготовка к тестированию | |
Оформление отчетов по лабораторным работам | |
Вид промежуточного контроля | Промежуточное контрольное тестирование. Защита лабораторных работ |
Вид итогового контроля | Зачет |
4.1.2. Разделы базового обязательного модуля дисциплины и трудоемкость по видам занятий (в часах)
№ п/п | Раздел Дисциплины | Семестр | Неделя семестра | Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах) | Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра) Форма промежуточной аттестации (по семестрам) | |||
Лекции | Лабораторные работы | В т. ч. активных форм | Самостоятельная работа | |||||
1 | Атомное строение металлов и сплавов | 7 | 1-6 | 12 | 18 | Промежуточный тест | ||
2 | Дефекты кристаллического строения механические свойства металлов и сплавов | 7 | 7-11 | 10 | 12 | 2 | 18 | Защита лабораторных работ |
3 | Фазовые превращения | 7 | 12-17 | 10 | 12 | 2 | 18 | Защита лабораторных работ |
4 | Металлография | 7 | 18 | 4 | 12 | 2 | 18 | Защита лабораторных работ |
5 | Зачет | 7 | Тест, собеседование |
4.2 Содержание дисциплины «Физическое металловедение»
Содержание разделов лекционного курса дисциплины
№ | Наименование раздела дисциплины | Содержание раздела дисциплины | Результат обучения, формируемые компетенции |
1 | Атомное строение металлов и сплавов | Электронная структура и периодическая система элементов. Силы связи в кристаллах. Ионная связь. Ковалентная связь. Связь Ван-дер-Ваальса. Металлическая связь. Резонансная связь. Кристаллическая структура металлов. Аллотропия. Физические свойства определяемые силами сцепления. Металлическое состояние. Состояние электрона в кристаллической решетке. Статистика электронов проводимости. Модель газа свободных электронов. Плазмоны. Модель почти свободных электронов. Электроны во внешнем поле. Поверхность Ферми. Определение поверхности Ферми. Тепловые свойства. Магнитные свойства. Электрические свойства. Растворимость в твердом состоянии. Типы твердых растворов. Правила Юм-Розери. Значение электронной концентрации. Предел растворимости в твердом состоянии. Размерный фактор. Упругая деформация решетки в твердых растворах. Закон Вегарда. Промежуточные фазы. Фазы Лавеса. | ПК – 5 Знать: Квантово механические модели электронов проводимости Методы исследования поверхности Ферми. |
2 | Дефекты кристаллического строения механические свойства металлов и сплаво | Контур Бюргерса. Типы дислокаций. Движение дислокаций. Закон Кирхгофа для векторов Бюргерса. Энергия дислокации. Дислокации в кристаллах. Геометрия движущихся дислокаций. Кривые напряжение-деформация. Влияние температуры на кривые напряжение –деформация. Деформационное разупрочнение. Теории деформационного упрочнения. Ползучесть металлов. Механические свойства существенно зависящие от температуры. Предел текучести. Деформации, обусловленные когерентным сопряжением решеток. Деформационное упрочнение. Ползучесть. Характер разрушения. Другие прочностные свойства. Приготовление образцов. Оптическая микроскопия. Специальные виды микроскопии. Электронная микроскопия. Приготовление образцов. Рентгеновская микроскопия и микроанализ. | ПК – 5 Знать: свойства дислокаций. Теории деформационного упрочнения. Методы исследования дефектов в кристаллах Методы испытания металлов на прочность. |
Фазовые превращения | Построение диаграмм состояния. Диаграмма состояния сплавов, образующих механическую смесь из чистых компонентов (Диаграмма с образованием эвтектики). Правило отрезков. Ликвация. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии. Неравновесная кристаллизация. Дендритная (внутрикристаллическая) ликвация. Диаграмма состояния сплавов, образующих твердые растворы с ограниченной растворимостью в твердом состоянии (диаграмма состояния с эвтектикой и перитектикой). Диаграмма состояния сплавов, образующих устойчивые химические соединения. Диаграмма состояния сплавов, образующих неустойчивые химические соединения. Диаграмма состояния сплавов, образующих химическое соединение в твердом состоянии. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых имеют полиморфные превращения. Эвтектоидное превращение. Понятие о диаграммах состояния тройных систем. Горизонтальные (изотермические) и вертикальные (полиметрические) разрезы диаграмм. Связь между видом диаграммы состояний и свойствами сплавов. Построение кривых ликвидуса и солидуса. Законы диффузии Фика. Решение уравнений диффузии. Коэффициент диффузии. Диффузия в твердых растворах замещения. Диффузия по границам зерен и дислокациям. Гомогенное образование зародышей. Гетерогенное образование зародышей. Атомная кинетика движения межфазной границы. Перераспределение примесей при затвердевании. Процессы роста. Межфазные границы. Процессы зарождения. Образование зародышей в процессах выделения. Рост, контролируемый атомными процессами. На межфазной поверхности раздела. Рост, контролируемый диффузией. Рост пластинчатых агрегатов. Полиморфные превращения. Выделение из пересыщенного твердого раствора. Мартенситные превращения. Чистое железо и его свойства. Модификации. Диаграмма состояния железо-углерод. Фазы, структура и их свойства при комнатной температуре. Критические точки. Процесс кристаллизации типичных сплавов. Влияние углерода на свойства стали. Примеси в стали. Фазовые превращения при нагревании и охлаждении стали: перлит, сорбит, троостит, бейнит, мартенсит, аустенит. Распад переохлажденного аустенита. Общие сведения о термической обработке: отжиг, нормализация, закалка, отпуск. Изменение структуры и свойств стали под влиянием термической обработки. Виды отжига. Свойства закаленной стали. Особенности мартенситного превращения. Остаточный аустенит в закаленной стали. Превращения в закаленной стали при отпуске: распад мартенсита и остаточного аустенита, снятие внутренних напряжений и карбидное превращение, коагуляция карбидов. Изменение структуры и свойств стали в процессе отпуска. Хрупкость стали. Влияние легирующих элементов на процесс отпуска. | ПК –5 Знать: методы геометрической термодинамики. Знать теории роста кристаллов и фазовых превращений в металлах и сплавах | |
Металлография | Приготовление образцов. Оптическая микроскопия. Специальные виды микроскопии. Электронная микроскопия. Приготовление образцов. Рентгеновская микроскопия и микроанализ. | ПК –5 Знать: Методы подготовки объектов для металлографического анализа. Возможности электронно-микроскопического анализа для исследования структуры металлов и сплавов |
Содержание разделов лабораторного практикума дисциплины
№ | Наименование раздела дисциплины | Перечень лабораторных работ | Результат обучения, формируемые компетенции |
1 | Атомное строение металлов и сплавов | 1. Просвечивающий электронный микроскоп. Устройство и принцип работы. 2. Электронография. 3. Исследование проводниковых материалов. 4. Исследование свойств магнитных материалов. 5. Сканирующая туннельная микроскопия. | ПК – 3 ПК – 5 Владеть: структурными методами исследования |
2 | Дефекты кристаллического строения механические свойства металлов и сплаво | 6. Методы препарирования объектов для электронной микроскопии. 7. Исследование дефектов тонких металлических пленок 8. Определение твердости материалов | ПК –3 ПК –5 Уметь: проводить измерения микротвердости материалов. Владеть: Методами исследования дефектов в кристаллах |
3 | Металлография | 9. Металлографический анализ | ПК –3 ПК –5 Владеть методиками подготовки объектов для металлографического анализа. Владеть инструментальными методами исследования структуры металлов и сплавов. |
5. Образовательные технологии
Мультимедийные лекции (50% часов), ряд лабораторных работ выполняется как научно-исследовательская работа группой студентов: проводится анализ проблемы, изучается соответствующая литература, ставится цель и задачи, осваивается экспериментальное оборудование, на котором будут проводиться исследования, проводятся исследования, пишется отчет и работа защищается. Защита проводится в форме доклада с презентацией. Используются также индивидуальные на лабораторных работах, контрольные работы в виде тестов по теоретической части курса. Удельный вес занятий, проводимых в интерактивной форме, составляет не менее 20% аудиторных занятий.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Контрольные вопросы
1. Первый и второй закон термодинамики. Химический потенциал.
2. Строение идеальных кристаллов. Типы решеток и их характеристики.
3. Энтропия смешения.
4. Индексы плоскостей и направлений.
5. Растворимость.
6. Межатомное взаимодействие. Приближение парных взаимодействий.
7. Правило фаз Гиббса.
8. Потенциалы парных взаимодействий.
9. Условия равновесия. Константа равновесия.
10. Константы (материалов) и потенциалы парного взаимодействия
11. Поверхностные эффекты. Термодинамика процессов.
12. Ионная, металлическая, ковалентная и молекулярная связь.
13. Диаграммы состояния.
14. Основные характеристики кристаллов, связанные с кристаллической решеткой.
15. Промежуточные фазы, фазы Лавеса
16. Распределение металлов по группам и их свойства.
17. Ограниченные твердые растворы.
18. Изменение Tпл, сжимаемости, атомного размера в зависимости от подгруппы в периодической системе.
19. Упорядоченные твердые растворы
20. Аллотропия.
21. Диаграммы состояния систем с неограниченной растворимостью.
22. Дефекты кристаллической решетки и их классификация.
23. Диаграммы состояния систем с ограниченной растворимостью.
24. Дислокации. Типы и их характеристики.
25. Диаграммы состояния систем с промежуточными фазами.
26. Двумерные и трехмерные дефекты.
27. Системы с превращениями в твердом состоянии. Диаграммы состояния.
28. Напряжение. Образование дислокаций.
29. Диаграмма “железо-цементит”. Перетектическое превращение.
30. Движение дислокаций.
31. Диаграмма “железо-цементит”. Эвтектическое превращение.
32. Напряжение, создаваемое дислокацией в кристалле. Энергия дислокации.
33. Диаграмма “железо-цементит”. Эвтектоидное превращение.
34. Взаимодействие дислокации с точечными дефектами.
35. Мартенситное превращение.
36. Дефекты: границы зерен, поверхность.
37. Превращения аустенита при непрерывном охлаждении.
38. Тензор деформации. Относительная и истинная деформация.
39. Описание деформации в анизотропных твердых телах.
40. Превращения в чугунах при охлаждении.
41. Диаграмма “напряжение - деформация”. Процессы на различных участках зависимости σ-ε.
42. Испытания на разрыв. Характеристики металлов, получаемые при испытании на разрыв.
43. Диаграмма “напряжение - деформация”. Процессы на различных участках зависимости σ-ε.
44. Диаграмма “напряжение - деформация”. Процессы на различных участках зависимости σ-ε.
45. Испытания на изгиб. Характеристики металлов, получаемые при испытании на изгиб.
46. Диаграмма “напряжение - деформация”. Процессы на различных участках зависимости σ-ε.
47. Испытания на твердость. Твердость по Бринеллю, Роквеллу, Викерсу.
48. Хрупкое разрушение. Модель Гриффитса.
49. Усталость металлов.
50 тестовых заданий по дисциплине размещены на сервере университета в AST – центре
Зачет по дисциплине выставляется при выполнении всего цикла лабораторных работ, предоставлении отчетов и защите всех работ, прохождении промежуточного тестирования (положительным результатом тестирования считается выполнение 50 % и более).
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
а) основная литература:
Ливанов металлов: Учебник для вузов.- М.: «МИСиС», 200с Николаев металлов: Новые методы определения. Изд.2М. URSS, 20с. Материалы мультимедийных презентаций по курсу «Физическое металловедение» в формате MS PowerPoint (доступно на physic. *****), электронный ресурс. Тексты тестовых заданий по курсу «Физическое металловедение» в формате MS PowerPoint (доступно на physic. *****)» в формате MS Word (доступны на physic. *****), электронный ресурс. , Колесников электронный микроскоп. Устройство и принцип работы. Кемерово, ГОУ ВПО «Кемеровский государственный университет». 2006. , Морозова препарирования объектов для электронной микроскопии. Кемерово, ГОУ ВПО «Кемеровский государственный университет». 2006. , Колесников дефектов тонких пленках металлов. Кемерово, ГОУ ВПО «Кемеровский государственный университет». 2006.
а) дополнительная литература:
Физическое металловедение. Под ред. Р. Кана. Т.1-3. М. Мир. 1981. Гуляев. . М. Металлургия. 1986. Уманский металлов. М. Атомиздат. 19с.в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
1. Демин металлов. Учебное пособие - Москва: МГИУ, 200с. http://www. *****/book/preview/BEE094CA1AF3E1E0
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
В работах задействовано следующее оборудование: просвечивающий электронный микроскоп ЭМ-125, вакуумный универсальный пост ВУП-5, металлографический микроскоп МЕТАМ-РВ и измеритель микротвердости, лабораторная установка для исследования температурной зависимости электропроводности металлов и сплавов, лабораторная установка для исследования магнитных свойств. Для каждой работы имеются методические пособия (в том числе электронные варианты) и методические указания.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению подготовки 011200 ФИЗИКА и профилю Физическое материаловедение.
Автор: , доцент КЭФ, к. ф.-м. н.
Рецензент (ы): _________________________
Рабочая программа дисциплины
обсуждена на заседании кафедры
Протокол № | от « | » | 201 | г. |
Зав. кафедрой ________________________ Ф. И. О
(подпись)
Одобрено методической комиссией факультета
Протокол № | от « | » | 201 | г. |
Председатель ________________________ Ф. И. О
(подпись)
