Физика конденсированных сред

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
УТВЕРЖДАЮ
Руководитель Департамента
образовательных и программ и стандартов
профессионального образования
______________________ В.И.Кружалин
"__06__" ___марта___ 2002 г.
ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД
Рекомендовано Минобразованием России для направления подготовки
дипломированных специалистов 651800 Физическое материаловедение
Специальность 070900 Физика металлов
Москва 2002
-2-
1. Цель курса
Научить анализировать свойства и взаимодействия дефектов кристаллов и количественно
оценивать их участие в превращениях и деформации твердого тела.
Научить использовать закономерности атомно-кристаллического строения металлических фаз для анализа и прогноза формирования микроструктуры и субструктуры (из пара, расплава и при превращениях в твердом состоянии) и возможных их изменений.
Сформировать основные представления о современной электронной теории твёрдого тела.
2. Практические умения и навыки
Выполнять оценку свойств и взаимодействий точечных дефектов, дислокаций, их систем
и границ зерен и фаз.
Прогнозировать возможные промежуточные фазы в металлических системах, исходя из
свойств компонентов; оценивать предельные растворимости в бинарных системах и концентрационные зависимости периодов решетки; анализировать кристаллогеометрические, кинетические и термодинамические факторы для предсказания морфологии гетерогенных сплавов. Использовать специальную справочную литературу.
Вычислять в простейших случаях электронные характеристики твёрдых тел, объяснять зависимости свойств от внешних параметров (температура, внешнее электромагнитное поле, концентрация атомов примеси); связывать теоретические представления с экспериментальными
данными.
3. Объём дисциплины и виды учебной работы (час)
Табл. 1
Вид учебной работы
Общая трудоёмкость
Аудиторные занятия
Лекции
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Самостоятельная работа
Курсовой проект (работа)
Расчётно-графическая работа
Реферат
Другие виды самостоятельной работы
Вид итогового контроля
Всего
часов
360
204
102
51
51
156
Семестр
6
110
68
34
34
34
8
110
68
34
17
17
42
42
42
экзамен
зачет
экзамен
4. Содержание учебной дисциплины
4.1. Разделы дисциплины и виды занятий
7
110
68
34
-3Табл. 2
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Раздел дисциплины
Дефекты решетки
Точечные дефекты
Дислокации
Дефекты упаковки
Субзеренные границы
Границы зерна и фаз
Атомное строение фаз
Кристаллическая структура элементов
Металлические соединения
Неупорядоченные и частично упорядоченные
системы
Плавление и затвердевание расплавов
Диффузия в металлах
Фазовые превращения в твердом состоянии.
Полиморфные превращения
Распад твердых растворов
Твердофазные реакции
Электронная теория твердого тела
Электрон в кристаллической решётке
Гальваномагнитные и термоэлектрические
явления
Металл в высокочастотном поле
Поглощение звука в металлах
Сверхпроводящие свойства металлов
Магнитные свойства металлов
Полупроводники
Лекции
ПЗ
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
С
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
ЛР
4.2. Содержание лекционного курса
Дефекты решетки
Раздел 1. Точечные дефекты
1.1. Конденсированные среды. Твердое и жидкое. Кристаллическое и аморфное. Межатомные взаимодействия; потенциал парных взаимодействий; ангармонизм. Нелокальные эффекты. Тепловые колебания решетки.
1.2. Дефекты решетки - их поле и энергия. Классификация дефектов решетки. Точечные
дефекты. Вакансия. Ее энергия и энтропия.
1.3. Равновесная концентрация вакансий. Подвижность вакансий и самодиффузия. Происхождение и сток неравновесных вакансий. Взаимодействие вакансий с примесью.
1.4. Прямые и косвенные методы измерения концентрации и подвижности вакансий.
Априорный анализ погрешностей как основа планирования физического эксперимента. Аннигиляция позитронов. Автоионная и туннельная микроскопия.
1.5. Группы вакансий и межузельные атомы. Их конфигурация и подвижность. Рождение
точечных дефектов при облучении. Каскад смещений. Число смещений на атом. Радиационные
дефекты.
Раздел 2. Дислокации
-42.1. Дислокации. Определение, контур и вектор Бюргерса, его знак. Краевые и винтовые
дислокации. Геометрические свойства дислокаций: непрерывность, ветвление; дислокационные
реакции; аннигиляция.
2.2. Поле напряжений дислокации. Ядро дислокации. Энергия дислокации. Системы
скольжения в различных решетках; базисный тетраэдр.
2.3. Действие внешних сил на дислокацию. Кривизна дислокации. Потеря устойчивости и
размножение дислокаций от источника.
2.4. Упругое взаимодействие параллельных и скрещивающихся дислокаций; дислокационный диполь. Поперечное скольжение; двойное поперечное скольжение; ступеньки.
2.5. Пересечение дислокаций и образование ступенек. Сток вакансий на дислокацию.
Переползание. Неконсервативное движение дислокаций со ступеньками.
Взаимодействие дислокации с атомом примеси. Сегрегация Коттрелла: равновесие и кинетика. Подвижность дислокаций.
Раздел 3. Дефекты упаковки
3.1. Расщепление дислокаций. Дефекты упаковки и их энергия. Расщепление дислокаций
под напряжением. Влияние энергии дефекта упаковки на поперечное скольжение и переползание дислокаций. Реакции между расщепленными дислокациями; сидячие дислокации.
3.2. Двойникование; двойникующие дислокации. Аккомодация двойника. Сдвиговые
превращения.
Сток вакансий на дефекты упаковки с образованием призматических петель. Сегрегация примесей на дефектах упаковки.
Раздел 4. Субзеренные границы
4.1. Группировки дислокаций. Скалярная плотность дислокаций. Представление деформации через перемещения дислокаций. Тензор плотности дислокаций. Разворот кристаллов,
разделенных плоским слоем дислокаций.
4.2. Субзеренные границы наклона и кручения. Их поле и энергия. Конечные границы и
их рост; полигонизация. Дисклинации. Условия формирования границы зерна из дислокаций.
Раздел 5. Границы зерна и фаз
5.1. Поверхность кристалла. Энергия. Реконструкция; уступы; переход огрубления. Строение границ зерна. Решетка совпадений; зернограничные дислокации. Регулярные и нерегулярные границы; их энергия и свободный объем.
5.2. Взаимодействие границ с дислокациями: поглощение, растекание, испускание. Способы движения границ: миграция, проскальзывание, вакансионная ползучесть. Сегрегации примеси и включения в границах, их кинетика.
5.3. Система границ в поликристалле и ее эволюция. Границы фаз; эпитаксия. Методы
наблюдения дислокаций и границ; дифракционные методы; наблюдение ядра.
Атомное строение фаз
Раздел 6. Кристаллическая структура элементов
6.1. Классификация конденсированных состояний неорганических веществ: по типу химической связи; по организации атомной структуры.
Металлическое состояние вещества. Энергетический спектр электронов и зоны Бриллюэна. Кристаллические структуры металлических элементов. Особенности структуры и
свойств металлов переходных групп. Полиморфизм (Р,Т). Виды кристаллического и аморфного
углерода, фуллерены и нанотрубки. Особенности кристаллических структур В-элементов II-V
групп. Правило “8-N”.
6.2. Атомно-кристаллическая структура твердых растворов. Прогноз растворимости,
термодинамика образования твердых растворов. Теория ограниченной растворимости элементов II-V групп в металлах группы меди.
6.3. Упорядочение в твердых растворах. Температурная зависимость порядка. Типы
сверхструктур, антифазные границы. Ближний порядок в твердых растворах. К-состояние.
Раздел 7. Металлические соединения
-57.1. Металлические соединения. Фактор электронной концентрации и его проявление в
фазах Юм-Розери и в соединениях В-элементов. Принцип плотной упаковки и его реализация в
структуре металлических соединений. Концентрационные многогранники Франка-Каспера и
плоские атомные сетки в описании структур металлических соединений. Фазы Лавеса и родственные им соединения; сигма- и сигмаподобные фазы.
7.2. Соединения переходных металлов с металлоидами (никель-арсенидный тип фазы
внедрения, сложные карбиды и бориды, сложные оксиды и оксикупраты).
Развитие новых материалов (магнитные свойства, сверхпроводимость и др.) на основе
металлических соединений.
Раздел 8. Неупорядоченные и частично упорядоченные системы
8.1. Структура расплавленных металлов и сплавов. Структура аморфных металлических
сплавов. Квазикристаллические фазы. Явления несоразмерности в структурах промежуточных
фаз.
8.2. Атомная структура, морфология и некоторые свойства высокодисперсных кристаллических частиц и тонких пленок. Температура плавления, упругость пара и растворимость
дисперсных частиц. Нанокристаллические материалы.
Раздел 9. Плавление и затвердевание расплавов
9.1. Предплавильные явления в кристаллах. Перегрев твердых тел. Плавление металлических и полупроводниковых соединений. Предкристаллизационные явления в металлических
расплавах.
9.2. Межфазовая граница кристалл-расплав, ее структура и энергия. Оценки поверхностной (межфазовой) энергии однокомпонентных и сложных систем.
Кинетика кристаллизации. Механизмы образования центров кристаллизации и роста кристаллов. Равновесная форма кристаллов. Условия нормального роста.
9.3.Кристаллизация сплавов. Концентрационное переохлаждение. Эвтектическая кристаллизация. Бездиффузионная кристаллизация.
Особенности роста кристаллов и их атомной структуры при больших переохлаждениях
(закалка из жидкого состояния). Образование метастабильных фаз; условия аморфного затвердевания.
Раздел 10. Диффузия в металлах
10.1. Атомные механизмы диффузии в металлах. “Аномалии” самодиффузии (в чистых
металлах) и химической диффузии. Термодинамическое описание диффузии в сплавах.
10.2. Особенности диффузии в твердых растворах замещения, внедрения и в упорядоченных твердых растворах. Явления “восходящей” диффузии. Диффузия, сопровождающаяся фазовыми превращениями. Внутреннее окисление.
Раздел 11. Фазовые превращения в твердом состоянии. Полиморфные превращения
11.1. Роль энергии упругой деформации и межфазовой поверхностной энергии в формировании микроструктуры. Сдвиговое и "нормальное" превращение в железе и его сплавах, видманштеттовы структуры. Массивные превращения. Кристаллогеометрия превращений в сплавах
железа. Морфологические типы мартенсита и особенности кинетики.
11.2. Кристаллографические (феноменологические) теории мартенситного превращения.
Выбор деформации решетки (деформация Бейна) и деформации при инвариантной решетке.
Расчетные и экспериментальные определения кристаллогеометрических характеристик мартенсита. Субструктура мартенситных кристаллов в сплавах железа. Механизмы зарождения и роста
при мартенситных превращениях, предпереходные явления.
11.3. Превращения титана и твердых растворов на основе бета-титана; образование омега-фазы. Обратимое мартенситное превращение, мартенситные реакции и особые свойства материалов (материалы с памятью формы, сверхупругость).
Раздел 12. Распад твердых растворов
12.1. Классификация процессов распада. Гомогенное и гетерогенное зарождение. Центры
зарождения: скопления (“гнезда”) вакансий, дислокации, дефекты упаковки, границы зерен.
-6Стадии процесса гомогенного ("однофазного") распада. Роль пересыщения. Спинодальный распад. Концентрационные напряжения; напряжения при "неизоморфном" распаде. Модулированные структуры.
Возврат при старении. Распад в неизотермических условиях. Сложные схемы старения.
Ячеистый ("двухфазный") распад. Закономерности смены механизмов распада и огрубления
микроструктуры.
12.2. Влияние пластической деформации на старение сплавов. Взаимосвязь процессов
пластической деформации, рекристаллизации и распада пересыщенных твердых растворов.
Особенности атомно-кристаллической структуры мартенсита углеродсодержащей стали и превращения в мартенсите при отпуске стали.
Структурные изменения при нагреве аморфных металлических сплавов (релаксационные
процессы и кристаллизация).
Раздел 13. Твердофазные реакции
13.1. Массоперенос и фазовые превращения в сложных системах, инициируемые деформацией. Механическое сплавление (механоактивация).
13.2. Влияние облучения высокоэнергетическими частицами на структуру металлов и
сплавов. Ионная имплантация. Твердофазные реакции аморфизации (отжиг диффузионных пар,
насыщение водородом, механические воздействия, облучение).
Электронная теория твердого тела
Раздел 14. Электрон в кристаллической решётке.
14.1. Электрон в периодическом поле. Теорема Блоха. Энергетический спектр. Концепция ферми-жидкости Ландау. Поверхность Ферми в металле.
14.2. Общий вид кинетического уравнения. Решение кинетического уравнения для изотропного металла в приближении упругих столкновений. Электро- и теплопроводность.
14.3. Процессы рассеяния электронов. Основные механизмы рассеяния электронов в металлах: температурные зависимости времен релаксации и кинетических коэффициентов.
Раздел 15. Гальваномагнитные и термоэлектрические явления.
15.1. Кинетическое уравнение в магнитном поле. Предельные случаи сильного и слабого
магнитного поля. Влияние топологии поверхности Ферми на гальваномагнитные явления в металлах.
15.2. Термоэлектрические и термомагнитные явления.
Раздел 16. Металл в высокочастотном поле
16.1. Нормальный и аномальный скин-эффект.
16.2. Циклотронный резонанс. Размерные эффекты. Отсечка циклотронных резонансных
орбит.
16.3. Геликоны и магнитоплазменные волны в металлах.
Раздел 17. Поглощение звука в металлах
17.1. Коэффициент поглощения. Магнитоакустический резонанс. Гигантские осцилляции
поглощения.
Раздел 18. Сверхпроводящие свойства металлов
18.1. Основные свойства сверхпроводящего состояния. Термодинамика сверхпроводников. Промежуточное состояние. Теория Лондонов.
18.2. Основные идеи микроскопической теории сверхпроводимости. Критерий сверхтекучести. Фононное притяжение. Куперовское спаривание.
18.3. Теория Гинзбурга-Ландау.
18.4. Сверхпроводники первого и второго рода. Поверхностная энергия. Смешанное состояние. Квантование магнитного потока. Вихревая решётка Абрикосова. Поверхностная сверхпроводимость.
18.5. Туннельный контакт. Эффект Джозефсона.
Раздел 19. Магнитные свойства металлов
19.1. Магнетизм электронного газа. Диамагнетизм Ландау и парамагнетизм Паули.
19.2. Ферромагнетизм. Теория Вейсса. Микроскопическая теория ферромагнетизма.
Спектр спиновых волн.
19.3. Антиферромагнетизм.
-7Раздел 20. Полупроводники
20.1. Энергетический спектр полупроводников. Эффективная масса. Зонная проводимость. Прыжковая проводимость.
5. Лабораторный практикум программой дисциплины не предусмотрен
6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
6.1. Рекомендуемая литература (основная и дополнительная )
а) основная литература
1. М.А.Штремель. Прочность сплавов. Ч. 1. Дефекты решетки. - М.: МИСИС, 1999. - 384
с.
2. Я.С.Уманский, Ю.А.Скаков. Физика металлов (атомное строение металлов и сплавов). - М.: Атомиздат, 1978, 350 с.
3. Физическое металловедение (п/ред. Р. Кан, П. Хаезен), т.1. Атомное строение металлов и сплавов; т. 2. Фазовые превращения в металлах и сплавах. пер. с англ. - М.: Металлургия,
1987.
4. А.А.Абрикосов. Основы теории металлов. - М.: Наука, 1987.
5. Н.Ашкрофт, Н.Мермин. Физика твёрдого тела. - М.: Мир, 1979.
б) дополнительная литература
9. Курдюмов Г.В., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали. М.: Наука,
1977, 500с,
10. Уббелоде А. Плавление и кристаллическая структура, М.: Металлургия, 1982, 500с.
11. М.Тинкхам. Введение в сверхпроводимость. - М.: Атомиздат, 1980.
12. П. де Женн. Сверхпроводимость металлов и сплавов. - М.: Мир, 1968.
6.2. Средства обеспечения освоения дисциплины
Не требуются
7. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Не требуется
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом
ВПО по направлению подготовки дипломированных специалистов 651800 Физическое материаловедение
Программа составлена на основе рабочей программы МИСиС (ТУ) по данной дисциплине.
Программа одобрена на заседании Совета УМО по образованию в области металлургии
от 28 января 2002 г., протокол №40
Зам. председателя Совета УМО
В.П.Соловьев