Физическое материаловедение

Аспирантура 2020/2021

Статус: Курс обязательный

Направление: 03.06.01. Физика и астрономия

Кто читает: Департамент электронной инженерии

Где читается: Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова

Когда читается: 2-й курс, 1 семестр

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Бондаренко Геннадий Германович

Язык: русский

Кредиты: 5

Контактные часы: 56

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Дисциплина «Физическое материаловедение» направлена на получение фундаментальных знаний в области физики конденсированного состояния, углубленных представлений об электронной и атомно-кристаллической структуре твердых тел, структурно-фазовых превращениях, физических свойствах (электрических, магнитных, механических и др.) проводниковых, полупроводниковых и диэлектрических материалов, взаимосвязи между атомно-электронной структурой, составом и различными физическими свойствами материалов, применяемых в различных технических отраслях, поведении твердых тел в широком диапазоне температур и давлений, а также методах определения физических свойств и оценки функциональных характеристик материалов. Кроме того, освоение дисциплины должно способствовать формированию профессиональных компетенций, определяемых профилем программы аспирантуры.

Цель освоения дисциплины

Целью освоения дисциплины является получение аспирантами углубленных знаний о теоретических основах создания материалов, а также структурных фаз и систем, их строении, структурно-фазовых превращениях, физико-механических свойствах, влиянии на их рабочие характеристики различных эксплуатационных факторов (температуры, давления, механических, термических воздействий), методах обработки для придания материалам улучшенных эксплуатационных характеристик, формирование основных компетенций в области физического материаловедения.
Для достижения поставленной цели реализуются следующие задачи: - раскрываются закономерности кристаллизации, термодинамики фазового равновесия и фазовых превращений, особенности строения и свойств материалов и влияние на них различных факторов (среды, обработки, температуры, химического состава и др.); - рассматриваются основные способы улучшения свойств материалов (целенаправленное легирование, оптимизация структуры, термическая, химико-термическая и другие виды модифицирующей обработки); - формируется комплекс знаний, необходимых для решения прикладных задач при разработке и модификации материалов с улучшенными физико-механическими свойствами и повышенной эксплуатационной надежностью.
Целью освоения дисциплины является получение аспирантами углубленных знаний о теоретических основах создания материалов, а также структурных фаз и систем, их строении, структурно-фазовых превращениях, физико-механических свойствах, влиянии на их рабочие характеристики различных эксплуатационных факторов (температуры, давления, механических, термических воздействий), методах обработки для придания материалам улучшенных эксплуатационных характеристик, формирование основных компетенций в области физического материаловедения.
Для достижения поставленной цели реализуются следующие задачи: - раскрываются закономерности кристаллизации, термодинамики фазового равновесия и фазовых превращений, особенности строения и свойств материалов и влияние на них различных факторов (среды, обработки, температуры, химического состава и др.); - рассматриваются основные способы улучшения свойств материалов (целенаправленное легирование, оптимизация структуры, термическая, химико-термическая и другие виды модифицирующей обработки); - формируется комплекс знаний, необходимых для решения прикладных задач при разработке и модификации материалов с улучшенными физико-механическими свойствами и повышенной эксплуатационной надежностью.

Содержание учебной дисциплины

Раздел 1. Атомное строение идеальных и реальных кристаллических материалов
Тема 1.1.Межатомные связи и атомное строение идеальных кристаллических материалов. Кристаллические и аморфные твердые тела. Ближний и дальний порядок. Типы межатомных связей – металлическая, ковалентная, ионная, Ван-дер-Ваальса. Понятие об идеальном и реальном кристаллах. Основные типы кристаллических решеток – металлов (типов меди – ГЦК, вольфрама – ОЦК, магния – ГПУ), графита, полупроводников и диэлектриков (типов алмаза, сфалерита, перовскита, каменной соли и др.).. Плотноупакованные и неплотноупакованные кристаллические решетки. Коэффициент компактности кристаллической решетки. Кристаллографические пустоты в различных кристаллических решетках. Кристаллографические индексы плоскостей и направлений, индексы Миллера и Миллера-Бравэ. Анизотропия свойств кристаллических материалов. Полиморфизм. Тема 1.2. Дефекты кристаллической решетки в реальных твердых телах. Классификация дефектов кристаллической решетки. Точечные дефекты в кристаллических твердых телах. Определение и описание типов точечных дефектов – собственных дефектов (вакансий, междоузельных атомов), примесных атомов внедрения и замещения. Дефекты Френкеля и Шоттки. Гантели. Кроудионы. Комплексы точечных дефектов – вакансионные, междоузельные, комплексы «собственный дефект-примесный атом». Энергии образования и миграции точечных дефектов и их комплексов. Равновесная и неравновесная концентрации точечных дефектов. Источники и стоки точечных дефектов. Дислокации. Понятие о дислокациях. Основные положения теории дислокаций. Краевая дислокация. Движение краевой дислокации скольжением и переползанием. Пороги, образующиеся при переползании краевых дислокаций. Винтовая дислокация, ее образование и перемещение скольжением и поперечным скольжением. Цилиндрическая симметрия искажения кристаллической решетки вокруг винтовой дислокации. Вектор Бюргерса, его свойства. Образование порогов при пересечении дислокаций. Движение винтовой дислокации с порогами краевой ориентации, образование точечных дефектов в результате данного процесса. Смешанные дислокации, их движение. Скользящие петли дислокаций. Поперечное скольжение петли смешанной дислокации. Призматические петли дислокаций, их образование при пластической деформации, закалке, облучении. Скорость движения дислокаций. Упругие свойства дислокаций. Энергия образования дислокации. Сила, действующая на дислокацию. Линейное натяжение дислокации. Взаимодействие между дислокацией и поверхностью границы раздела (сила изображения). Упругое взаимодействие дислокаций. Сила Пайерлса, барьер Пайерлса. Широкие и узкие дислокации. Взаимосвязь напряжения Пайерлса с хрупкостью низкосимметричных структур. Плотность дислокаций, методы ее определения. Образование дислокаций в различных процессах (на фронте кристаллизации, при эпитаксиальном росте пленок, сегрегации примесей при кристаллизации, дроблении зерен на субзерна, закалке, облучении, на границах зерен). Эпитаксиальные дислокации (дислокации несоответствия). Размножение дислокаций, механизм Франка-Рида размножения дислокаций. Дислокационные сетки. «Лес» дислокаций. Понятие о полных и частичных (неполных) дислокациях. Частичные дислокации Шокли. Расщепленные (растянутые) дислокации. Частичные дислокации Франка. Сидячие дислокации. Сидячие и скользящие призматические дислокационные петли. Дислокация Ломер-Коттрелла, ее образование. Взаимодействие дислокаций с вакансиями и междоузельными атомами. Преференс. Геликоидальная дислокация. Примесные атмосферы Коттрелла, Снука, Сузуки. Дефекты упаковки в кристаллах. Способы укладки атомных слоев кристаллической решетки. Дефекты упаковки как поверхностные (двумерные) дефекты кристаллической решетки. Дефекты упаковки внедрения и вычитания. Энергия дефектов упаковки. Поверхностное натяжение дефекта упаковки. Монокристаллические и поликристаллические твердые тела, зерна и субзерна. Границы зерен и субзерен в твердых телах. Границы наклона и кручения. Малоугловые границы, их образование. Симметричные и несимметричные малоугловые границы, их миграция. Высокоугловые (большеугловые) границы зерен. Модель Глейтера-Чалмерса высокоугловой границы. Зернограничная дислокация, ее перемещение. Миграция границ зерен и субзерен, зернограничное проскальзывание. Генерация дислокаций границами зерен. Торможение дислокаций границами зерен и субзерен. Тема 1.3. Диффузионные процессы в реальных кристаллах. Диффузия в кристаллических твердых телах (определение). Самодиффузия и гетеродиффузия. Термодинамика диффузионных процессов. Химический потенциал, градиент химического потенциала. Диффузия свободная и вынужденная (термодиффузия, электродиффузия, бародиффузия, восходящая диффузия). Атомные механизмы диффузии в твердых телах (по дислокационным трубкам, границам зерен, поверхности, вакансионный, межузельный, гантельный, обменный, кольцевой и др.). Законы диффузии (законы Фика). Коэффициент диффузии. Зависимость коэффициента диффузии от температуры (уравнение Аррениуса). Энергия активации диффузии. Эффект Киркендалла.
Раздел 2. Кристаллизация, фазовые диаграммы и фазовые превращения в материалах.
Тема 2.1. Кристаллизация и фазовые превращения в материалах. Термодинамические основы кристаллизации. Кристаллизация, энергетические условия и механизмы процесса кристаллизации. Первичная и вторичная кристаллизация. Термодинамика фазовых превращений. Изменение свободной энергии при зарождении новой фазы в жидком и твердом состояниях. Степень переохлаждения и её влияние на процесс кристаллизации. Гомогенное (флуктуационное) и гетерогенное зарождение. Критический зародыш. Термические кривые охлаждения при кристаллизации веществ. Рост кристаллов, механизмы роста кристаллов (для совершенного кристалла на плоской атомной поверхности и спиральный рост реального кристалла при наличии винтовой дислокации). Дендритное строение кристаллов. Ликвация – внутрикристаллитная, зональная, гравитационная. Возврат - отдых, полигонизация. Первичная, собирательная и вторичная рекристаллизация, текстура. Статическая и динамическая рекристаллизация. Влияние возврата и рекристаллизации на свойства материалов. Фазовые переходы 1-го и 2-го рода. Полиморфные превращения в твердом состоянии. Магнитные превращения. Виды сплавов. Компонент, фаза, механическая смесь. Виды кристаллических твердых фаз: чистые компоненты, твердые растворы, промежуточные фазы. Твердые растворы внедрения. Твердые растворы замещения – неупорядоченные, упорядоченные (сверхструктуры). Твердые растворы вычитания. Интерметаллиды. Тема 2.2. Диаграммы фазового равновесия бинарных систем. Сущность и значение диаграмм фазового равновесия (диаграмм состояния). Правило фаз. Термодинамические основы построения диаграмм состояния. Основные типы диаграмм фазового равновесия двойных сплавов. Правило отрезков (правило рычага). Диаграмма состояния с неограниченной растворимостью компонентов. Диаграммы состояния с ограниченной растворимостью эвтектического и перитектического типов. Диаграммы состояния с химическими соединениями, промежуточными фазами, с монотектическим превращением. Полиморфизм. Диаграммы состояния с полиморфным превращением. Понятие о диаграммах состояния тройных систем. Связь свойств сплавов с их диаграммой фазового равновесия (законы Курнакова).

Элементы контроля

Работа на семинарских занятиях
Домашнее задание
Задание выдается каждому аспиранту индивидуально и представляет собой комплексное задание, охватывающее несколько разделов курса. Домашнее задание выполняется в письменной форме. Содержание работы должно соответствовать выданному заданию. Содержание ответов на поставленные вопросы должно быть полным, теоретически обоснованным и аргументированным. Ответы на вопросы должны быть логичными, сформулированы четко и ясно, по существу поставленного вопроса. Объем ответа зависит от существа вопроса. Основная часть ответа включает основные теоретические аспекты исследуемой темы. Завершается домашнее задание кратким (не более одной страницы) заключением. Заключение содержит четко сформулированные выводы. Работы по выполнению домашнего задания, оформленные от руки и в тетради, на проверку не принимаются. Работа должна быть выполнена грамотно и аккуратно, с обязательным соблюдением рекомендуемых требований (см. ниже). Не допускаются произвольные сокращения слов, исправления и зачеркивания. Грамматические и стилистические ошибки снижают оценку работы.
Реферат
Реферат пишется самостоятельно по теме, заданной преподавателем. Содержание работы должно соответствовать заданной теме. При написании реферата аспирантом раскрывается сущность описываемой проблемы, ее современное состояние, оценивается влияние эксплуатационных факторов на исследуемые свойства материалов, обсуждаются различные способы их улучшения и т.д. Завершается реферат заключением, содержащим четко сформулированные выводы, а также существующие проблемы исследуемой темы и возможные пути их решения. Критерии оценки реферата – степень раскрытия заданной темы, освоение и критический анализ литературы, оформление работы, уровень понимания сущности и современного состояния описываемой проблемы, научный стиль изложения. Работа должна быть выполнена грамотно и аккуратно, с обязательным соблюдением рекомендуемых требований (см. ниже). Не допускаются произвольные сокращения слов, исправления и зачеркивания. Грамматические и стилистические ошибки снижают оценку работы.
Экзамен
Устный экзамен проводится с использованием экзаменационных билетов, содержащих по два вопроса из программы. Экзамен проводится в аудитории, на написание ответов на вопросы и подготовку к устному изложению содержания билета аспиранту отводится 40 минут. При выставлении оценки за экзамен учитывается полнота и содержательность ответов на вопросы экзаменационного билета и дополнительные вопросы, заданные экзаменатором.

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (I семестр)
Qрез = 0.5*Qнакопл + 0.5*Qэкз = 0.25*Qдз + 0.25*Qреф + 0.5*Qэкз , где Qрез - результирующая оценка, Qнакопл - накопленная оценка ( Qнакопл = 0.5*Qдз + 0.5*Qреф) , Qдз - оценка за домашнее задание, Qреф - оценка за реферат, Qэкз - оценка за экзамен.

Программа дисциплины

Программа дисциплины

Аннотация

Цель освоения дисциплины

Содержание учебной дисциплины

Элементы контроля

Промежуточная аттестация

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

Рекомендуемая дополнительная литература