ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ

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
Руководитель направления
150100, декан МФ проф.
______________Е.И. Пряхин
«___» ___________ 2012 г.
Утверждаю
Зав. кафедрой МиТХИ, проф.
__________ Е.И. Пряхин
«___» ___________ 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
В.Н. Барсуков
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».
2
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
3
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;
4
- 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
10
3
10
Лекции
2
2
Практические занятия (ПЗ)
8
8
94
94
26
26
Подготовка к практическим работам
12
12
Составление отчетов
к практическим работам
Защита лабораторных работ
20
20
Подготовка к сдаче зачета
36
36
Вид промежуточной аттестации
(зачет, экзамен)
Общая трудоемкость, час
Зач. ед.
4
зачет
108
3
108
3
Аудиторные занятия (всего)
Семестры
В том числе:
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Самостоятельная работа (всего)
В том числе:
Курсовой проект (работа)
Расчетно-графические работы
Реферат (или электронная презентация)
Другие виды самостоятельной работы
5
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№№ Наименование раздела
п/п
дисциплины
1. Введение
2.
Феноменологическая
теория диффузии
3.
Атомная теория
диффузии
4.
Основные факторы, влияющие
на коэффициент
диффузии
Содержание раздела
Понятие диффузии; самодиффузия и
гетеродиффузия. Место диффузии
в процессах производства и обработки
материалов.
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.
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.
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.
6
5.
Специфические случаи
диффузии
Диффузия по дислокациям и границам
зерен. Результаты экспериментального
изучения диффузии по границам зерен.
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
№№ разделов данной дисциплины,
необходимых для изучения
№№ Наименование обеспечиваемых
обеспечиваемых (последующих) дисциплин
п/п
(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
№
Наименование
№
раздела дисциплины
п/п
1. Введение
2.
Феноменологическая
диффузии
Лекции
Практ.
зан.
2
теория
2
7
Лаб.
зан.
Семин.
С
Р
С
2
Всего,
час.
15
17
4
3.
4.
5.
Атомная теория
диффузии
Основные факторы, влияющие
на коэффициент диффузии
Специфические случаи
диффузии
Итого:
2
2
15
17
2
15
17
2
15
17
8
62
72
6. Лабораторный практикум –
не предусмотрено учебным планом и основной образовательной программой.
7. Практические занятия
№
№
п/п
1.
2.
3.
4.
№ раздела
2
3
4
5
Тематика практических занятий
Трудоемкость,
час
Решения второго уравнения диффузии
при различных граничных условиях
Механизмы диффузии. Эффект Киркендалла
Диффузия по границам зерен: теория
и экспериментальные данные
Диффузия в межкристаллитных границах
и наноматериалах
2
2
2
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. Е.Б. Якимова и В.В. Аристова/ Х. Мерер. – Долгопрудный: Интеллект, 2011. – 536 с.
2. Бокштейн, Б. С. Диффузия атомов и ионов в твердых телах / Б.С.
Бокштейн, А.Б. Ярославцев. – М.: МИСИС, 2005. - 362 с.
3. Кузьминых, А.А. Диффузия в металлах и сплавах : учеб. пособие /
А.А. Кузьминых, В.З. Бихбулатова. – Уфа: УГАТУ, 2006. – 58 с.
8
4. Франк-Каменецкий, Д.А. Основы макрокинетики: диффузия и теплопередача в химической кинетике: учебник-монография / Д.А. ФранкКаменецкий. – 4-е изд. – Долгопрудный: Интеллект, 2008. – 407 с.
б) дополнительная литература:
5. Большой энциклопедический словарь / гл. ред. А.М. Прохоров.
– М.: Изд-во «Большая Российская энциклопедия», – СПб.: «Норинт», 1997.
6. Имаев, Р.М. Диффузия в металлах : учеб. пособие / Р.М. Имаев. –
Уфа: УГАТУ, 2000. – 103 с.
7. Актавина, Г.В. Строение твердых фаз и диффузия в металлических
сплавах: учеб. пособие / Г.В. Актавина, В.Н, Барсуков. – Л.: СЗПИ, 1981.
– 76 с.
в) Интернет-ресурсы:
8. Диффузия в твердых телах: учеб.-метод. комплекс дисциплины
[Электронный ресурс] / сост. Б.С. Бокштейн, В.А. Есин, А.О. Родин. – 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.
9
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
10
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
Барсуков В.Н.
профессор
Пряхин Е.И.
профессор
Петкова А.П.
Эксперты:
кафедра МиТХИ
11