Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Сибирский федеральный университет»

УТВЕРЖДАЮ

Директор института цветных металлов и

материаловедения

_/ В.М.Денисов/ «_» _200 г.

УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

Дисциплина: Физика металлов_ (наименование дисциплины в соответствии с ФГОС ВПО и учебным планом) Укрупненная группа 150000 – Металлургия, машиностроение и материаллообработка (номер и наименование укрупненной группы) Направление 150100.62 – Металлургия_ (номер и наименование направления) Институт цветных металлов и материаловедения Кафедра Металловедение и термическая обработка металлов Красноярск

УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

составлена в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по укрупненной группе 150000 – Металлургия, машиностроение и материалообработка, образовательного направления (специальности) 150100.62 - Металлургия Программу составили:

к.т.н, доцент каф. МиТОМ Таскин В.Ю. ассистент каф. МиТОМ Сапарова А.С. Учебная программа согласована с выпускающей кафедрой «Металловедение и термическая обработка металлов» (МиТОМ) Заведующий кафедрой В.С. Биронт (фамилия, и. о., подпись) «6_»_декабря2007г.

Учебная программа обсуждена на заседании кафедры МиТОМ « 6 » декабря 200 7 г. протокол № Заведующий кафедрой _В.С. Биронт (фамилия, и. о., подпись) Учебная программа обсуждена на заседании НМСИ _ «» 200_ г. протокол № _ Председатель НМСИ (фамилия и. о., подпись) Дополнения и изменения в учебной программе на 200 /200 учебный год.

В учебную программу вносятся следующие изменения: _ _ _ Учебная программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры _ «» _ 200г. протокол № Заведующий кафедрой (фамилия, и.о., подпись) Внесенные изменения УТВЕРЖДАЮ:

Директор института (фамилия, и. о., подпись) 1 Цели и задачи изучения дисциплины 1.1 Цель преподавания дисциплины Развитие материаловедения невозможно без изучения и использования основ физики металлов. Понимание физической теории формирует современного исследователя-материаловеда, способного воспользовавшись глубокими теоретическими знаниями механизмов и процессов, влияющих на физические свойства и структуру металлов, использовать их при изучении и создании материалов, отвечающих возрастающим требованиям науки и производства.

В соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования в системе подготовки бакалавра по направлению 150100.62 – Металлургия, дисциплина «Физика металлов» является одной из основных дисциплин, на которых основывается современное металловедение.

Целью дисциплины является изучение электронной теории металлов, закономерностей образования и строения металлических фаз, изучение важнейших физических свойств теплоемкости, плотности и термического расширения, зависимости свойств от состава и структуры металлов и сплавов.

1.2 Задачи изучения дисциплины Задачи изучения дисциплины основываются на необходимости получения выпускником знаний, умений, навыков в соответствии с требованиями ФГОС ВПО, на основе которых формируются соответствующие компетенции.

1.2.1 Выпускник должен иметь представление:

П.1 основные научно-технических проблемы и перспективы развития науки, техники и экономики в ХХ1 веке, технологии создания и использования материалов с заданной атомной структурой и управления процессами, в которых вовлечены отдельные атомы или элементарные частицы.

1.2.2 Выпускник должен знать:

З.1- основные теоретические положения атомномолекулярного строения твердых веществ и материалов.

З.2 -строение, свойства и условия образования структурных составляющих твердых материалов.

З.3 -историю развития теоретических основ физики металлов и методов их исследования;

З.4- феноменологическую теорию диффузии;

З.5 -влияние деформации на изменение структуры и физических свойств материала;

З.6 -превращения с изменением состава фаз;

З.7- об общих закономерностях аллотропических и мартенситных превращениях в сплавах;

З.8- о зависимости физических свойств металлов от состава и сплавов.

З.9- прогнозирование состава сплавов в зависимости от требуемых физических свойств.

1.2.3 Выпускник должен уметь:

У.1- использовать полученные для проведения и создания методик по моделированию и проведению методов исследований различных физических свойств материалов;

У.2 -подготовить образцы и проводить исследования физических свойств металлов и сплавов;

У.3 -рассчитать некоторые статистические и кинетические параметры процессов, происходящих в металлах и сплавах на основе изучения физических свойств;

У.4- организовывать контроль готовой продукции в соответствии с требованиями заказчика.

У.5- анализировать расчётные данные решённых задач 1.2.4 Выпускник должен иметь опыт применения физических методов исследования:

О.1 -приборов и оборудования для проведения физических измерений;

О.2 -термического и дилатометрического анализов.

1.2.5 Совокупность знаний, умений и навыков должна обеспечить формирование у выпускника следующих общепрофессиональных (ОПК) и инструментальных (ИК) компетенций:

ОПК.1 -владение навыками работы со специальной и справочной литературой по вопросам физики металлов.

ОПК. 2- владение теоретическими основами структурных и фазовых превращений при тепловых и деформационных воздействиях.

ИК.1 - владение методами измерения физических величин.

ИК.2- выбор методов исследования и аппаратурного выполнения установок для измерения физических свойств металлических материалов.

ИК.3-умение выполнять все основные операции при проведении измерений физических величин металлических материалов.

Дисциплина «Физика металлов» базируется на широком использовании знаний дисциплин «Неорганическая химия», «Физика», «Физическая химия», «Основы физического металловедения», «Основы кристаллографии и дефекты кристаллического строения» и др.

В свою очередь знание «Физики металлов» необходимы для изучения последующих дисциплин: «Рентгенография и электронная микроскопия», «Теории термической обработки металлов», «Специальные стали и сплавы», «Металловедение и термическая обработка цветных сплавов», «Оборудование и проектирование термических цехов» и других дисциплин специализации. Они необходимы для выполнения курсовой научно-исследовательской работы, курсового и дипломного проекта, при прохождении технологической и преддипломной практики, а также в самостоятельной производственной деятельности.

2 Объем дисциплины и виды учебной работы Изучение теоретического курса (ТО) 0,94(34) 0,69(25) 0,25(9) Подготовка к практическим занятиям 0,75(27) 0,75(27) Подготовка к выполнению и защите ЛР 0,72(26) 0,72(26) торных работ к промежуточному контролю Вид итогового контроля (зачет, экзамен) Зачет Экзамен Объем дисциплины: лекции – 68 ч., практические занятия -17 ч., лабораторные занятия – 34ч., самостоятельная работа –97ч.

В первом столбце таблицы указаны виды аудиторных и самостоятельных занятий студентов по данной дисциплине, в других видах аудиторных занятий и самостоятельной работы указываются конкретные виды работы, предлагаемые кафедрой. Во втором – общая трудоемкость дисциплины в зачетных единицах (часах) в соответствии с ФГОС ВПО, объем аудиторных и самостоятельных занятий с разбивкой по видам в соответствии с учебным планом, утвержденным в СФУ. В третьем столбце производится разбивка дисциплины по семестрам и вид итогового контроля по дисциплине с разбивкой зачетных единиц (часов).

3 Содержание дисциплины 3.1 Разделы дисциплины и виды занятий в часах (тематический план занятий) Введение, атомное строение и основы электронной теории металлов, твёрдые Раздел 1. Атомное строение и основы электронной теории 3 Диффузия в металлах и сплавах Раздел 3. Диффузия в металлах сплавов, физические свойства Дисциплина состоит из четырех модулей.

Указаны названия модулей, разделов и тем лекционных занятий дисциплины, их содержание и объём в зачётных единицах и часах (аудиторные и для самостоятельного изучения).

Введение, атомное строение и основы электронной теории металлов, твёрдые растворы (аудит. -0,61 З.Е.(22 ч) ; сам. раб.-0,22З.Е.(8ч.) Раздел 1. Атомное строение и основы электронной теории металлов Лекция 1. Введение в курс. Предмет и задачи курса. Взаимосвязь физики металлов и прикладного металловедения. Роль курса в теоретической и практической подготовке металловеда ( ауд. 2ч, самостоятельная работа 1ч.) Лекция 2. Теория строения атома ( ауд. 2ч, самостоятельная работа 1ч.) Структурная модель атома Резерфорда. Теория Бора. Квантовые числа.

Спин электрона. Принцип неопределённости Гейзенберга.

Лекция 3. Физический смысл уравнения Шрёдингера. (ауд. 2ч, самостоятельная работа 1ч.) Волновые свойства микрочастиц. Волны Де-Бройля. Волновое уравнение Шрёдингера. Применение уравнения Шрёдингера.. Строение многоэлектронных атомов.

Лекция 4. Классификация металлов в соответствии с периодической табл. Д.И. Менделеева ( ауд. 2ч, самостоятельная работа 1ч.) Периодический закон Д.И. Менделеева. Классификация элементов.

Типы связи: ионная, металлическая, ковалентная, Ван-дер- Ваальсова. Кристаллическая структура веществ.

Лекция 5. Электронная теория металлов. ( ауд. 2ч, самостоятельная работа 1ч.) Теория свободных электронов.. Функции распределения МаквеллаБольцмана и Ферми-Дерака. Плотность энергетических состояний.

Сфера Ферми. Энергия и температура Ферми. Критерий вырождения электронного газа Лекция 6. Зонная теория металлов (ауд. 2 ч. самостоятельная работа Зонная теория металлов. Волновой вектор. Зоны Бриллюэна. Плотность квантовых состояний и заполнение зон электронами. Применение зонной теории для описания равновесия фаз. Электронный спектр металлов. Полупроводники.

Раздел 2. Твёрдые растворы Лекция 7. Теория твердых растворов.(ауд.2 ч самостоятельная работа 1ч) Твердые растворы замещения. Твердые растворы внедрения. Изменение периодов решетки и атомных радиусов при образовании твердого раствора. Энергия смешения. Условия неограниченной взаимной растворимости компонентов. Твердые растворы вычитания. Факторы управляющие образованием твердых растворов. Ближний порядок в твердых растворах...

Параметры ближнего порядка. Упорядоченные твердые растворы. Закон Вегарда. Физикохимический смысл и расчет термодинамических функций смесимости.

Лекция 8. Электронные соединения ( ауд. 2ч, самостоятельная работа 1ч.) Электронные соединения (фазы Юм-Розери).Условия образования и структура фаз Юм-Розери. Квантовая теория электронных соединений. Фазы внедрения. Условия образования фаз внедрения. Принципы плотной упаковки и его реализации в структурных интерметаллических соединений. Сигмафазы и родственные им соединения. Особенности кристаллических структур.

Структура фаз Лавеса и роль соотношения атомных радиусов компонентов.

Кристаллические решетки фаз Лавеса. Физические свойства фаз Лавеса.

(аудит. -0,81 З.Е.(29 ч) ; сам. раб.-0,47 З.Е.(17ч.) Раздел 3. Диффузия в металлах и сплавах Лекция 9. Феноменологическая теория диффузии. ( ауд. 2ч, самостоятельная работа 2ч.) Первый и второй законы Фика. Решение уравнения второго закона Фика. Стационарные решения. Возможные механизмы диффузии. Методы измерения коэффициента диффузии и анализа его температурной зависимости. Факторы, влияющие на коэффициент диффузии.

Лекция 10. Атомная теория диффузии. (ауд. 2ч, самостоятельная работа 2ч.) Диффузия при хаотических блужданиях атомов в кристалле. Самодиффузия. Гетеродиффузия. Взаимная диффузия в сплавах замещения. Эффект Киркендалла. Эффект Френкеля.

Раздел 4. Пластическая деформация Лекция 11. Пластическая деформация. (ауд. 2ч, самостоятельная работа 2ч.).

Деформация скольжения. Системы скольжения в ГЦК, ОЦК, ГПУ в решетках металлов. Критическое приведенное напряжение. Закон Шмида. Деформация двойникования. Напряжение двойникования. Текстура деформации.

Лекция 12. Деформационное упрочнение. Уравнения Холла – Петча (ауд. 2ч, самостоятельная работа 2ч.).

Изменение механических и физических свойств в процессе деформационного упрочнения. Упрочнение монокристаллов и поликристаллов;

усложнение деформации и барьерный эффект; закон Холла-Петча. Физические свойства поликристаллов после пластической деформации.

Раздел 5. Превращения с изменением состава фаз Лекция 13. Распад твердых растворов. Закалка и старение (ауд. 2ч, самостоятельная работа 2ч.).

Распад твердых растворов. Кластеры, зоны Гинье-Престона. Зарождение частиц на дислокациях, дефектах упаковки, границах зерна. Области существования промежуточных фаз. Непрерывный распад. Приграничные зоны распада, их типы и происхождение. Прерывистый распад. Дисперсионное упрочнение при старении.

Лекция 14. Особенности кристаллизации металлов (ауд. 2ч, самостоятельная работа 2ч.).

Структурные модели строения жидких металлов. Гомогенная и гетерогенная кристаллизация металлов. Влияние растворимых примесей на процессы кристаллизации. Кинетика объемной кристаллизации.

Лекция 15.Фазовые превращения в твёрдом состоянии ( 2ч, самостоятельная работа 2ч.).

Фазовые превращения в твердом состоянии, классификация. Роль упругой энергии в фазовых превращениях. Влияние деформационного фактора. Ступенчатость фазовых превращений. Принцип структурного и размерного соответствия Данкова-Конобеевского. Полиморфные реакции. Механизм зарождения новой фазы.

Лекция 16. Механизм зарождения новой фазы при бездиффузных.

превращениях (ауд. 2ч, самостоятельная работа 2ч.).

Бездиффузионные и диффузионные способы превращения в твердом теле. Сдвиговое и нормальное превращение. Мартенситные превращения.

Механизм роста кристаллов при бездиффузных превращениях. Термодинамическое возможность бездиффузионного превращения твердых растворов..

Лекция 17. Аллотропические превращения в металлах и сплавах.

(ауд. 2ч, самостоятельная работа 1ч.).

Аллотропические превращения в металлах и сплавах.

Нормальное полимофное превращение. Полиморфные реакции. Образование видманштеттовой структуры. Феноменологическая теория мартенситных превращений.

Аллотропические превращения в железе и в твердых растворах на основе железа.

(аудит. -1,11 З.Е.(40 ч) ; сам. раб.-0,11З.Е.(4ч.) Раздел 6. Термическое расширение металлов и сплавов, физические свойства твердых тел Лекция 18. Термическое расширение металлов и сплавов (ауд. 2ч, самостоятельная работа 1ч.).

Термическое расширение металлов и сплавов. Правило Грюнайзена.

Дилатометрические исследования превращений в сплавах. Сплавы с определенным значение коэффициента термического расширения. Инварные сплавы. Контроль качества инварных сплавов.

Лекция 19. Плотность металлов (ауд. 2ч.).

Плотность металлов и сплавов. Методы определения плотности. Изменение плотности металлов и сплавов при горячей деформации, наклепе, аллотропических превращениях и плавлении.

Лекция 20. Электрические свойства металлов. Электрическое сопротивление (ауд. 2ч, самостоятельная работа 1ч.).

Электрическое сопротивление металлов. Основные определения. Методы измерения электрического сопротивления. Зависимость электрического сопротивления от различных факторов: температуры, примесей, дефектов структуры, деформации, отжига и др. Применение измерения электрического сопротивления в металловедении для определения содержания примесей, наличие химических соединений, построение диаграмм состав-свойства.

Лекция 21. Электропроводность металлов и сплавов (ауд. 2ч.).

Общее представление о электрической проводимости металлов. Зависимость подвижности носителей заряда от температуры. Электропроводность чистых металлов. Электропроводность металлических сплавов. Электропроводность твердых растворов. Сплавы для проводников и элементов сопротивления.

Раздел 7. Тепловые свойства сплавов Лекция 22. Теплопроводность металлов и сплавов. (ауд. 2ч, самостоятельная работа 1ч.).

Общие понятия и определения. Температурный коэффициент теплопроводности, его зависимость от плотности и теплоемкости металлов. Связь теплопроводности с электрической проводимостью. Закон Видеманна - Франца.

Правило Лоренца. Факторы, влияющие на теплопроводность металлов и сплавов. Теплопроводность технических сплавов.

Лекция 23. Термоэлектрические свойства (ауд. 2ч.).

Эффекты Зеебека, Пельтье, Томпсона. Зависимость знака термоЭДС от характера зонной структуры. Изменение термоЭДС при фазовых превращениях в твердом состоянии. Термо-ЭДС сплавов. Применение метода изменения термоЭДС для решения задач металловедения. Термопарные сплавы и контроль их качества.

Лекция 24. Вопросы теории теплоёмкости (ауд. 2ч, самостоятельная работа 1ч.).

Основные определения и понятия. Теории теплоемкости. Эйнштейновская теория теплоемкости решетки. Теория Дебая. Закон Дюлонга и Пти.

Теплоемкость электронного газа. Применение метода термического анализа для исследования фазовых равновесий и фазовых превращений.

Лекция 25. Теплоемкость сплавов (ауд. 2ч.).

Теплоемкость реальных металлов. Теплоемкость сплавов и соединений. Правило Неймана и Копа. Изменение теплоемкости при фазовых и структурных превращениях. Методы измерения теплоемкости. Метод Сайкса.

Раздел 8. Магнитные свойства материалов.

Лекция 26. Магнитные свойства металлов. (ауд. 2ч, самостоятельная работа 1ч.).

Основные понятия и определения. Физическая природа диа- и парамагнетизма. Пара- и диамагнитные свойства металлов в зависимости от их положения в таблице Д.И. Менделеева. Изменение магнитной восприимчивости при плавлении, аллотропических превращениях и наклепе. Пара- и диамагнитные свойства металлических фаз и гетерогенных сплавов. Закон Кюри.

Лекция 27. Ферромагнитные свойства металлов (ауд. 2ч.).

Ферромагнетизм. Кривая намагничивания и петля ферромагнетизма.

Ферромагнетизм различных элементов. Магнитная структура ферромагнетиков. Размагничивающий фактор. Физическая сущность ферромагнетизма.

Точка Кюри. Закон Кюри – Вейса. Доменная структура. Магнитная анизотропия и магнитострикция, их практическое значение.

Лекция 28. Процесс намагничивания (ауд. 2ч, самостоятельная работа 1ч.).

Процесс намагничивания ферромагнетика. Остаточная намагничиваемость в материалах.

Лекция 29. Методы измерения магнитной восприимчивости (ауд. 2ч,).

Методы измерения пара- и диамагнитной восприимчивости: Фарадея, Гуи, Шеневье. Преимущество и недостатки в применении данных методов..

Лекция 30. Магнитометрические методы измерения ферромагнитных свойств (ауд. 2ч.).

Магнитометрические методы измерения ферромагнитных свойств.

Изучение магнитным методом диаграмм фазового равновесия и структурных превращений при закалке, отпуске, дисперсионном твердении, изотермическом распаде аустенита.

Лекция 31. Применение магнитной восприимчивости для изучения структурных изменений в материалах. (ауд. 2ч, самостоятельная работа 1ч.).

Магнитная восприимчивость как структурно-чувствительная характеристика вещества. Магнитная восприимчивость твердых растворов. Магнитная восприимчивость гетерогенных сплавов. Измерение температурной зависимости удельной магнитной восприимчивости в твёрдом и жидком состоянии. Построение линий диаграмм фазового равновесия.

Лекция 32. Магнитные материалы (ауд. 2ч, самостоятельная работа 2ч.).

Магнитотвёрдые и магнитомягкие материалы. Пермаллои и пермендюры. Трансформаторные стали. Материалы для изготовления магнитов.

Лекция 33. Применение магнитных полей при термической обработке металлов (ауд. 2ч.).

Применение магнитных полей при производстве изделий из быстрорежущих и штамповых сталей. Влияние магнитных полей на карбидную неоднородность легированных сталей.

Лекция 34. Перспективы применения магнито-термической обработки различных сталей и сплавов. ( ауд. 2ч.).

Создание магнито-термической обработки (МагТО) легированных сталей. Повышение механических свойств лезвийного и штампового инструментов.

Перечень практических занятий и их объем № п/п № раздела дис- Темы занятий, трудоемкость 2 1 Волны Де Бройля. Принцип неопределенности. Уравнение 3 1 Теория свободный электронов. Статистика Ферми-Дирака (2ч) 4 1 Основы кристаллографии. Дифракция рентгеновских лучей в 6 1 Распределение электронов по энергетическим состояниям с

КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ АТОМА. ТЕОРИЯ БОРА (4Ч)

Цель и задачи. Изучить основные положения квантовой теории строения атома. Теория Бора. Усовершенствование теории Зоммерфельдом. Решить задачи по теории строения атома.

ВОЛНЫ ДЕ БРОЙЛЯ. ПРИНЦИП НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ. УРАВНЕНИЕ ШРЁДИНГЕРА (2ч)

Цель и задачи. Научиться применять теорию волн де-Бройля. Все материальные объекты обладают волновыми свойствами и это соотношение имеет универсальный характер. Соотношения неопределенности Гейзенберга о невозможности одновременного определения положения и импульса частицы с абсолютной точностью. Шредингер показал, что электрон является не только частицей, но и волной. Решение задач на эти темы являются одной из основных в физике металлов.

ТЕОРИЯ СВОБОДНЫЙ ЭЛЕКТРОНОВ. СТАТИСТИКА ФЕРМИ-ДИРАКА (2ч)

Цель и задачи. Изучить теорию свободных электронов. Определить энергию электронного газа, а также распределение свободных электронов по энергиям. Научиться владеть основными положениями статистики Ферми-Дирака и Максвелла-Больцмана, решая задачи.

ОСНОВЫ КРИСТАЛЛОГРАФИИ. ДИФРАКЦИЯ РЕНТГЕНОВСКИХ

ЛУЧЕЙ В КРИСТАЛЛАХ. УРАВНЕНИЕ ВУЛЬФА-БРЭГГА (2ч)

Цель и задачи. Изучить дифракцию рентгеновских лучей в кристаллах. Применение уравнения Вульфа-Брегга для решения задач, связанных с определением числа атомов в элементарной ячейке, определить постоянную решетки кристалла, рассчитать межплоскостные расстояния.

Цель и задачи. Изучить основные положения зонной теории металлов: уровень Ферми, энергию Ферми, зоны Бриллюэна. Энергетические спектры электронов. Зависимости энергии от волнового числа. Основные положения зонной теории полупроводников.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ ПО ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЯМ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ЗОННОЙ ТЕОРИИ. ПРИМЕНЕНИЕ ЗОННОЙ ТЕОРИИ ДЛЯ ОПИСАНИЯ РАВНОВЕСИИ ФАЗ (2ч)

Цель и задачи. Изучить распределение электронов атомов по энергетическим состояниям с точки зрения зонной теории, научиться определять электронную концентрацию для различных металлов и сплавов. Рассчитать максимально возможное содержание металлов в сплавах. Найти и сравнить полученные расчеты с диаграммой состояния.

Цель и задачи. Изучить основные положения теории диффузионных законов Фика. Зависимости коэффициента диффузии от различных факторов. Механизма диффузии в твердых материалах. Применение основных уравнений диффузии для решения практических задач.

Перечень лабораторных работ и их объем №п/п № раздела дис- Темы занятий, трудоемкость 1 6 Температурная зависимость удельного электрического сопротивления металлов и сплавов – (4 ч) 2 6 Определение плотности металлов и сплавов методом гидростатического взвешивания (4 ч ) 3 6 Дилатометрические исследования материалов (8 ч) 4 7 Использование термоэлектрических преобразователей в исследовании металлургических процессов (6ч) 5 7 Термоэлектрические явления. Определение термоЭДС металлов и сплавов ( 4 ч) 6 8 Магнитные свойства твердых тел. Определение магнитной восприимчивости ( 8 ч )

ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ (4 ч)

В основу экспериментального исследования электрических свойств металлов и сплавов положен закон Ома, связывающий прямой пропорциональностью разность потенциалов на концах проводника U и силу тока в проводнике I:

где R – коэффициент пропорциональности, называемый электрическим сопротивлением проводника.

Цель работы. Изучение методики определения удельного электрического сопротивления металлов и сплавов. Анализ зависимости удельного электрического сопротивления металлов и сплавов от температуры.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ МЕТОДОМ

ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ВЗВЕШИВАНИЯ (4)

Плотностью металла d называется масса единицы объема этого металла. Зная массу m и объем V металла, можно вычислить плотность:

Удельный объем металла Vуд характеризует объем единицы массы этого металла и является, следовательно, величиной, обратной плотности:

Из формулы следует, что определение плотности металла сводится к определению массы и объема исследуемого образца. Масса измеряется при помощи аналитических весов. Измерение объема можно проводить двумя методами:

пикнометрическим и гидростатическим.

Цель работы. Изучение экспериментальных методов определения плотности металлов и сплавов. Определение вида элементарной ячейки и типа твердого раствора по экспериментальным данным.

ДИЛАТОМЕТРИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ

Методы исследований теплового расширения веществ и изменений их объема при фазовых превращениях называют дилатометрическими. Приборы, предназначенные для изучения тепловых эффектов, называют дилатометрами.

Нагрев металлических материалов приводит к изменению объема твердых тел. При нагревании твердых тел происходит их расширение. Расширение – это увеличение межатомного расстояния в кристаллической решетке.

Цель работы. Знакомство с конструкцией дилатометров. Изучение методики расчета коэффициентов линейного и объемного расширения. Исследование теплового расширения материалов. Проведение анализа теоретического и экспериментального результатов.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В ИССЛЕДОВАНИИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ (

Термопара является несложным преобразователем температуры в электрическую величину – электродвижущую силу (ЭДС). Возникающая в термопаре ЭДС называется тормоэлектродвижущей силой (термоЭДС). Величина термоЭДС пропорциональна разности температур контактов термоэлектродов (спаев термопары):

На этом свойстве основан принцип измерения температуры с помощью термопар. Один из спаев термопары, называемый рабочим, помещают в контролируемую среду. Другой спай, называемый свободным (или холодным), поддерживается при постоянной температуре. Для измерения термоЭДС термопары в ее цепь включают измерительный прибор, который может быть подключен либо к свободным концам термопары, либо в разрыв между частями одного из термоэлектродов Цель работы. Изучение основных свойств термоэлектрических преобразователей (термопар) и возможностей их использования при решении различных металловедческих задач. Изготовление и градуировка термопар. Знакомство и проведение дифференциальнотермического анализа. Анализ термограмм.

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМОЭДС

Термоэлектрические явления представляют собой совокупность физических явлений, обусловленных связью между тепловыми и электрическими процессами в твердых или жидких проводниках. К термоэлектрическим явлениям относятся эффект Зеебека, эффект Пельтье и эффект Томсона. Причина их появления – нарушение теплового равновесия в потоке носителей заряда.

Цель работы. Изучение природы термоэлектрических явлений в металлах. Практическое освоение экспериментальных методов их исследования.

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ (6 ч)

Магнитное поле воздействует на вещества. В магнитном поле тела намагничиваются, приобретая магнитный момент М, и становятся источником добавочного магнетизма. Отношение называют намагниченностью тела, здесь V – объем. Единица измерения магнитного момента 1 В·см = 1Вб·м, а намагниченности Im – 1 В·с/м2 = 1 Вб/м2.

В свою очередь, М = m·l, где m – магнитный заряд в каждом полюсе магнита, l – расстояние между полюсами.

Между напряженностью магнитного поля Н (А/м), в котором тело намагничивается, и его намагниченностью имеется зависимость где –магнитная восприимчивость (безразмерная величина).

Цель работы. Изучение основных положений теории магнитных явлений и методики измерений магнитной восприимчивости твердого тела. Определение магнитной восприимчивости веществ и использование полученных данных для решения материаловедческих задач.

Самостоятельная работа студентов по дисциплине «Физика металлов»

организуется в соответствии с используемыми в учебном процессе формами учебных занятий.

3.5.1 Самостоятельное изучение теоретического материала планируется с целью домашней проработки лекционного материала. Время, отводимое на эту работу, планируется из расчета 0.5 часа на 1 час лекций.

На дисциплину, объемом 6 зачетных единицы предусматривается часа лекций и 34 часов на самостоятельную работу по изучению теоретического материала. Для самостоятельной проработки теоретического материала рекомендуется использовать учебные пособия, приведенные в разделе Учебной программы, по разделам, соответствующим пройденному лекционному материалу.

3.5.2. Для подготовки к практическим занятиям, на которых рассматриваются теоретические вопросы по применению материала лекционного курса для решения практических задач, требуется разное количество времени в зависимости от сложности материала, которую учитывает преподаватель, общим объёмом 27ч.

Задачи для самостоятельного решения выдаются преподавателем на практических занятиях, а на последующих занятиях проверяется правильность их решения.

3.5.3. Для подготовки к выполнению и оформлению результатов лабораторных работ, а так к их защите планируется 26ч.

Сдача заданий по самостоятельной работе производится в виде предоставления преподавателю отчётов по решению задач теоретических разделов, оформленных отчётов по лабораторным работам.

3.6 Содержание модулей дисциплин при использовании системы Структура и содержание модулей дисциплины приводится в таблице приложения 1.

4 Учебно-методические материалы по дисциплине Данный раздел содержит список основной и дополнительной литературы, перечень программного обеспечения, методических указаний по проведению конкретных видов учебных занятий, перечень методических материалов, а также наглядных технических средств, используемых в учебном процессе.

4.1 Основная и дополнительная литература, информационные 1.Ливанов Д.В. Физика металлов: учеб. для вузов. - М.: МИСИС, 2006.

- 280с.

2.Журавлев Л.Г., Филатов В.И. Физические методы исследования металлов и сплавов: учеб. пособие для студентов металлургических специальностей. - Челябинск.: Изд-во Юур ГУ, 2004. - 165с.

3.Физическое металловедение / Под ред. Кана Р.У. и Хаазена П. Т 1, М.: Металлургия, 1987.- 639с.

4.Белоус М.В., Браун М.П. Физика металлов: учеб. для вузов. - Киев.:

Вища школа. 1986. - 344с.

5.Уманский Я.С., Скаков Ю.А. Физика металлов. Атомное строение металлов и сплавов: учеб. для вузов. - М.:Атомиздат,1978.-352с 6.Грачев С.В. Физическое металловедение: / В.Р. Бараз, А.А. Богатов, В.П. Швейкин : учеб. для вузов. - Екатеринбург: Изд-во Уральского государственного технического университете - УПИ, 2001. 534с.

1. Штремель М.А. Прочность сплавов, часть 2. учеб. для вузов. – М.:

МИМиС, 1997. –528 с.

2. Счастливцев В.М.. Мирзаев Д.А., Яковлева И.Л. Структура термически обработанной стали. М.: Металлургия, 1994. –288 с.

3.Малыгин Б.В. Магнитное упрочнение инструмента и деталей машин.

- М.: Машиностроение. 1989. - 112с.

4.Бернштейн М.Л., Пустовойт В.Н. Термическая обработка стальных изделий в магнитном поле. - М.: Машиностроение, 1987. - 256с.

5.Стоцкий Л.Р. Физические величины и их единицы.: Справочник. - М.:

Просвещение, 1984. - 239с.

6.Лившиц Б.Г., Крапошин В.С., Линецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов: учеб. для вузов. М,: Металлургия, 1980- 320с.

7.Калашников В.Т., Ракитин Ю.В. Введение в магнитохимию. Метод статической магнитной восприимчивости. - М.: Наука, 1980. - 302с.

8.Таблицы физических величин: Справочник / Под ред. Кикоина И.К. М.: Атомиздат, 1976. - 1005с.

9.Ермаков С.С. Физика металлов: учеб. для вузов. - Изд-во Ленингр.

ун-та, 1975. - 176с.

10.Преображенский А.А. Теория магнетизма, магнитные материалы и элементы. - М.: Высшая школа, 1972. - 460с.

11.Вонсовский С.В. Магнетизм. - М.: Наука, 1971. - 1032с.

12.Епифанов Г.И. Физика твердого тела: учеб. для вузов. - М.: Высшая школа, 1965. - 276с.

13.Лифшиц И.М., Азбель М.Я., Каганов М.И. Электронная теория металлов.- М,:Наука, 1971. – 416с.

14.Материаловедение: Учебник для вузов/Б.Н.Арзамасов, В.И.Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общ.ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г.Мухина – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баума, 2002. – 648 с.

15.Горелик С.С., Дашевский М.Я. Материаловедение проводников и металловедение.- М.:Металлургия, 1973. – 496с.

16.Физическое металловедение: /Под ред. Кана Р.У.,Хаазена П. В 3-х т., 3-е изд.,перераб. и доп. Т 1: Атомное строение металлов и сплавов.: пер.с англ. – М.: Металлургия,1987.640с.

17.Физическое металловедение: В 3-х т.,3-е изд.,перераб. И доп./Под ред. Кана Р.У.,Хаазена П.Т. 2: Фазовые превращения в металлах и сплавах и сплавы с осбыми физическими свойствами: пер.с англ. – М.:

Металлургия,1987.624с.

18.Физическое металловедение: /Под ред. Кана Р.У.,Хаазена П. В 3-х т., 3-е изд.,перераб. и доп. Т 3: Физическое металловедение.: пер.с англ. – М.:

Металлургия, 1987.663с 19.Журавлев Л.Г. Филатов В.И. Физические методы исследования металлов и сплавов: Учебное пособие для студентов металлургических специальностей. – 2-е изд.- Челябинск: Из-во ЮРУрГУ, 2004. – 165 с.

20.Ковалева А.А. Специальные стали и сплавы: учеб. Пособие / А.А.Ковалева; ГОУ ВПО «Гос.ун-т цвет. металлов и золота». – Красноярск, 2006. – 232с.

4.2 Перечень наглядных и других пособий, методических указаний и материалов к техническим средствам обучения Указываются комплекты наглядных пособий, плакатов, перечень видеофильмов, слайдов, диафильмов, комплекты фотографий и т. п., используемых в данной дисциплине.

1. Конспект лекций и методических указаний по курсу «Физика металлов»

в электронном виде (рукопись).

2. Презентации к лекциям, изготовлены с использованием программного обеспечения Macronmedia Flash MX, Microsoft Office PowerPoint Учебно-методические материалы к практическим 1.Физические свойства твердых тел. Методические указания к лабораторным работам / Составитель А.Ф. Шиманский, В.Ю. Таскин. Красноярск:

"ГАЦМиЗ". - 2003. - 28с.

2.Физика металлов. Методические указания к лабораторным работам. / В.Ю.Таскин, А.Ф. Шиманский. Красноярск.: "ГАЦМиЗ". - 2003. - 32с.

4.Физика твердого тела. Методические указания к практическим занятиям. / Составитель А.Ф. Шиманский, Т.В.Серегина Красноярск.:

"ГАЦМиЗ". – 2002. - 43с.

3.Физика металлов. Методические указания к практическим занятиям / Cоставитель А.Ф. Шиманский. О.Н. Попова. Красноярск.: КИЦМ. – 1989. с.

1.Электронные орбитали атомов водорода.

2.Энергетические уровни в многоэлектронных атомах.

3.Энергетическая схема изолированных атомов.

4.Энергетическая схема атомов в кристаллической решетке.

5.Поверхность Ферми для алюминия в приближении свободных электронов.

6.Возможные индексы интерференции рентгеновских лучей для кристаллов кубической сингонии.

7.Первая зона Бриллюэна и поверхности равных энергий для простой кубической решетки.

8.Вторая зона Бриллюэна для простой кубической решетки.

9.Функция распределения Ферми - Дирака.

10.Схема расчета плотности электронных состояний.

11.Диаграммы состояния систем.

12.Числовые значения электронной концентрации в некоторых электронных соединениях.

13.Тетраэдрические и октаэдрические пустоты в ОЦК решеток.

14.Положение тетраэдрических и октаэдрических пустот в ГП решетке.

15.Сверхструктура дальнего порядка.

16.Распределение концентрации диффундирующего вещества в зависимости времени.

17.Магнитная восприимчивость сплавов.

1.Расчет регрессионной математической модели на ЭВМ влияния температуры на удельное электросопротивление.

2.Определение изменения концентрации элементов по глубине и времени на ЭВМ по программе "DIFFUZI".

3.Лицензионное программное обеспечение фирмы Netzch для работы на приборах ТА 4 - 5:

а) Термоанализатор STA 449 C on 18 TASC 414 - б)Дилатометр DIL 402C оn 19 TASC 414 - 1. Тестовые задания по разделам дисциплины.

2. Контрольный фонд заданий, содержащий задачи и вопросы по всем разделам курса. Используется при проведении практических и лабораторных занятий.

3. Промежуточный контроль знаний оценивается результатами контрольных мероприятий 4. Предусматривается экзамен с помощью экзаменационных билетов 5. Организационно-методическое обеспечение учебного процесса по дисциплине в системе зачетных единиц График учебного процесса и самостоятельной работы студентов по курсу «Физика металлов» приведен в Приложении 3.

атомное строение и основы электронной теории металлов, твёрдые растворы»

1-ая неделя – 8-ая неделя 17-ая неделя.

Трудоемкость модулей и видов учебной работы в относительных единицах по дисциплине «Физика металлов», образовательной программы подготовки бакалавров по образовательному направлению 150100 – Металлургия;

факультет Технологический курса 3-го на 5- 6 ой семестр № Название моКонкретные виды текущей работы определяются преподавателем, ведущим занятия по данной дис- (50 %) п/п дулей дисцициплине и утверждаются на заседании кафедры.

зачетных единиц-

ГРАФИК

учебного процесса и самостоятельной работы студентов по дисциплине «Физика металлов» образовательной программы подготовки бакалавров по образовательному направлению 150100 – Металлургия; факультет Технологический курса 3-го на 5-6-ой семестр

ППК ПК ППК ПК

ППК ПК ППК ПК

Условные обозначения: СТО – изучение теоретического курса; ВЛР – выполнение лабораторной работы; ЗЛР – защита лабораторной работы; ПК – промежуточный контроль (тестирование), ППК- подготовка к промежуточному контролю; ПЛР-подготовка к лабораторной работе; ППЗ- подготовка к практическим занятиям.