Правительство Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
"Национальный исследовательский университет
"Высшая школа экономики"
Московский институт электроники и математики Национального
исследовательского университета "Высшая школа экономики"
Факультет электроники и телекоммуникаций
Программа дисциплины
«Физика прочности материалов»
по направлению 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» подготовки бакалавра
Автор программы:
Бондаренко Г.Г., д.ф.-м.н.,профессор, gbondarenko@hse.ru
Одобрена на заседании кафедры «Микросистемная техника, материаловедение и технологии» «___»____________ 2014г
Зав. кафедрой:
В.П.Кулагин
Рекомендована секцией УМС [Введите название секции УМС] «___»____________ 20 г
Председатель [Введите И.О. Фамилия]
Утверждена УС факультета [Введите название факультета] «___»_____________20 г.
Ученый секретарь [Введите И.О. Фамилия] ________________________ [подпись]
Москва, 2014
Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями университета и другими вузами без разрешения кафедры-разработчика программы.
I. Пояснительная записка
Курс «Физика прочности материалов» читается студентам четвертого курса обучения по направлению 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» специальности «Материалы микро- и наносистемной техники» факультета электроники и телекоммуникаций МИЭМ НИУ ВШЭ. Общая продолжительность курса составляет 18 недель. Курс проводится в осеннем семестре (сентябрь – декабрь) по 4 часа в неделю.
Количество лекций (часы): 36
Количество практических занятий (часы): 36.
Кроме того, учебным планом предусмотрено написание студентами реферата и 2-х контрольных работ.
1. Цель и задачи курса
Целью дисциплины «Физика прочности материалов» является формирование у студентов глубокого понимания атомных механизмов прочностных и деформационных процессов в материалах, а также природы факторов, влияющих на эти процессы.
Задачами дисциплины являются:
изучение студентами основных физических явлений, связанных с прочностью и пластичностью материалов;
получение сведений, необходимых для решения прикладных задач прочности и пластичности при исследовании и разработке материалов с повышенной эксплуатационной надежностью;
приобретение навыков анализа и прогнозирования изменения прочностных и пластических свойств материалов под действием различных внешних факторов, а также практических навыков исследования прочностных и пластических свойств материалов.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата:
Дисциплина «Физика прочности материалов» относится к вариативной части математического и естественнонаучного цикла (Б.3.В).
Дисциплина требует наличия у студента знаний, умений и навыков, полученных в ходе изучения дисциплин «Математика», «Физика», «Физика кристаллов», «Физическое материаловедение». Для изучения дисциплины студент должен обладать следующими компетенциями:
ОК-6 – способностью стремиться к саморазвитию, повышению своей квалификации и мастерства;
ОК-10 – способностью использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования.
3. Требования к результатам освоения дисциплины:
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
ПК-1 – способность представить адекватную современному уровню знаний научную картину мира на основе знания основных положений, законов и методов естественных наук и математики;
ПК-8 – способность собирать, анализировать и систематизировать отечественную и зарубежную научно-техническую информацию по тематике исследования в области нанотехнологии.
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать: механизмы упругой и неупругой деформации кристаллических материалов, основы теории кристаллического строения и структурных несовершенств, модифицирующих видов обработки материалов;
Уметь: предсказать изменение прочностных свойств материалов под действием различных факторов (среды, обработки, температуры, химического состава и др.), проводить анализ структурных изменений в процессе деформации материалов;
Владеть: методами анализа структурных изменений в материалах при пластической деформации и выбора вида обработки реальных материалов для улучшения их прочностных и пластических свойств.
4. Формы контроля
Курс «Физика прочности материалов» предполагает текущий и рубежный контроль. В качестве текущего контроля выступают контрольные работы и реферат, рубежного контроля – устный экзамен.
Структура итоговой оценки
Кумулятивная оценка складывается из трех элементов:
работа на практических занятиях — 10%:
активность и участие в обсуждении результатов практических работ;
защита теоретической и практической частей работы;
контрольные работы — 10%:
письменная домашняя работа;
реферат — 10%:
полнота раскрытия темы;
оформление (электронный и бумажный вариант);
защита теоретической части реферата.
– экзамен — 70%:
устные ответы на вопросы по экзаменационному билету, полнота и содержательность ответов на вопросы.
II. Тематический план учебной дисциплины
№
|
Название темы
|
Лекции (час.)
|
Практические занятия (час.)
|
Самостоятельная работа (час.)
|
11
|
Введение
|
2
|
-
|
4
|
22
|
Основы теории дислокаций
|
8
|
12
|
22
|
33
|
Физика пластичности материалов
|
8
|
6
|
18
|
44
|
Физика прочности, способы повышения прочности материалов
|
18
|
18
|
36
|
|
Всего
|
36
|
36
|
80
|
III. Содержание программы
Тема 1. Введение
Введение. Прочность и пластичность, их физическая сущность. Упругая и пластическая деформация. Сущность пластической деформации. Процесс пластической деформации с позиций теории «чистого сдвига» и теории дислокаций.
Тема 2. Основы теории дислокаций
Основные положения теории дислокаций. Краевая дислокация, ее скольжение и переползание. Винтовая дислокация, ее скольжение и поперечное скольжение. Смешанные дислокации и их движение. Вектор Бюргерса. Призматические петли дислокаций. Плотность дислокаций, методы ее определения. Энергия дислокации. Линейное натяжение дислокации. Сила, действующая на дислокацию. Упругое взаимодействие дислокаций. Понятие о полных и частичных дислокациях. Дислокационные реакции. Энергетический критерий дислокационных реакций. Частичная дислокация Шокли, ее движение. Растянутая (расщепленная) дислокация. Частичная дислокация Франка. Дислокационные петли Франка. Дислокация Ломер-Коттрелла. Поперечное скольжение и переползание растянутых дислокаций. Пересечение дислокаций. Движение дислокаций с порогами; генерация точечных дефектов. Образование дислокаций. Эпитаксиальные дислокации (дислокации несоответствия). Размножение дислокаций. Источник Франка-Рида. Геликоидальные дислокации. Зернограничные дислокации, зернограничные ступеньки (уступы). Особенности поведения дислокаций в нанокристаллических материалах.
Тема 3. Физика пластичности материалов
Пластическая деформация скольжением. Системы скольжения. Механизм пластической деформации скольжением.
Скольжение как процесс движения дислокаций. Приведенное напряжение сдвига. Закон Шмида-Боаса. Влияние состояния поверхности на пластическое деформирование материалов. Эффекты Иоффе и Ребиндера. Масштабный фактор. Пластическая деформация двойникованием. Дислокационный механизм двойникования. Деформации изгиба и кручения. Сбросообразование. Полосы деформации. Особенности пластической деформации поликристаллических материалов. Роль границ зерен при пластической деформации. Влияние размера зерна. Соотношение Холла-Петча. Обратный эффект Холла-Петча для нанокристаллических материалов. Зернограничная пластическая деформация. Текстурообразование в поликристаллах. Пилообразная деформация (эффект Портевена-Ле Шателье). Синеломкость. Динамическое деформационное старение. Эффект Киркендалла. Диффузионная пластичность. Свехпластичность. Основные условия проявления свехпластичности материалов. Атомный механизм эффекта свехпластичности. Преимущества и недостатки метода сверхпластической деформации. Фестонистость. Сверхпластичность наноматериалов. Влияние нагрева на структуру и свойства пластически деформированных материалов. Возврат – отдых и полигонизация. Рекристаллизация - первичная, собирательная, вторичная. Размер зерна и влияние на него различных факторов (температуры, отжита, продолжительности отжига, степени деформации). Текстура рекристаллизации. Холодная, теплая и горячая деформации материалов.
Тема 4. Физика прочности, способы повышения прочности материалов
Теоретическая и реальная прочность материалов. Способы повышения прочности. Сущность упрочнения. Сила Пайерлса (барьер Пайерлса). Упрочнение при торможении дислокаций другими дислокациями. Упрочнение за счет торможения дислокаций границами зерен и субзерен. Дисперсионное и дисперсное упрочнение. Упрочнение за счет торможения дислокаций дисперсными частицами. Торможение дислокаций в сплавах со структурой твердого раствора. Упрочнение при легировании материалов. Торможение дислокаций примесными атмосферами Коттрелла, Снука, Сузуки. Взаимодействие дислокаций с вакансиями и междоузельными атомами. Преференс. Деформационное упрочнение материалов. Стадии деформации, микроструктурные изменения в материалах. Наклëп. Изменение прочности и пластичности сплавов в результате их термической обработки, не сопровождающейся фазовыми превращениями. Отжиг. Ликвация. Гомогенизация. Изменение прочности и пластичности сплавов в результате их термической обработки, сопровождающейся фазовыми превращениями. Зоны Гинье-Престона. Естественное и искусственное старение. Аустенитное и мартенситное превращения. Мартенсит охлаждения, мартенсит напряжения и мартенсит деформации. Фазовый наклеп. Эффекты сверхупругости и памяти формы материалов. Применение сплавов с эффектом памяти формы. Необратимая и обратимая отпускная хрупкость. Упрочнение материалов с помощью различных видов обработки (термической, нанесением покрытий, ионным легированием, облучением и др.). Прочность наноматериалов.
IV. Практические занятия
№ п/п
|
№ темы
курса
|
Наименование практических занятий
|
Трудо-емкость
(часы)
|
1.
|
2
|
Изучение структуры поверхности деформированных материалов методом растровой электронной микроскопии
|
6
|
2.
|
2
|
Влияние термической обработки на структуру и механические свойства углеродистой доэвтектоидной стали
|
6
|
3.
|
3
|
Исследование влияния пластической деформации и рекристаллизационного отжига на структуру и свойства металлов и сплавов
|
6
|
4.
|
4
|
Измерение твердости материалов статическими методами
|
6
|
5.
|
4
|
Изучение деформационного упрочнения кристаллических материалов
|
6
|
6.
|
4
|
Лазерное упрочнение металлических материалов
|
6
|
V. Темы рефератов
1. Дислокации и их влияние на прочность материалов.
2. Частичные дислокации, их образование и движение.
3. Дислокационные механизмы пластической деформации.
4. Пластическая деформация монокристаллических материалов.
5. Пластическая деформация поликристаллических материалов.
6. Сверхпластичность.
7. Влияние нагрева на структуру и механические свойства пластически деформированных материалов.
8. Холодная, теплая и горячая деформации материалов.
9. Физические механизмы упрочнения материалов.
10. Изменение прочности и пластичности металлов и сплавов в результате их термической обработки.
11.Мартенситные превращения.
12. Эффект памяти формы материалови его практическое использование.
13. Упрочнение материалов при облучении.
14. Прочность наноматериалов.
VI. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
а) основная литература
1. Бондаренко Г.Г., Кабанова Т.А., Рыбалко В.В. Основы материаловедения: учебник для студентов вузов (под ред. Г.Г. Бондаренко). – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014. – 760 с.
2. Неклюдов И.М., Камышанченко Н.В. Основы физики прочности и пластичности металлов. Учебное пособие. Белгород, изд-во БелГУ, 2003, 488с.
3. Реслер И., Хардерс Х., Бекер М. Механическое поведение конструкционных материалов (пер. с нем.). Учебное пособие. Долгопрудный, Изд. дом «Интеллект, 2011, 504с.
4. Готтштайн Г. Физико-химические основы материаловедения («Лучший зарубежный учебник», пер. с англ.). М., Бином, Лаборатория знаний, 2009,400 с.
б) дополнительная литература:
1. Бондаренко Г.Г., Кабанова Т.А., Рыбалко В.В.Материаловедение. Учебник для студентов втузов (под ред. Г.Г.Бондаренко). М., Высшая школа, 2007, 357 с.
2. Штремель М.А. Прочность сплавов. Ч.II. Деформация. Учебник. М., МИСИС, 1997, 527 с.
3. Золоторевский В.С. Механические свойства металлов. М., Металлургия, 1983, 352 с.
4. Новиков И.И., Золоторевский В.С., Портной В.К. и др. Металловедение. Учебник. В 2-х томах. М., МИСиС, 2009; т.1,496с.; т.2,528 с.
5. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. М., Металлургия, 1979, 496 с.
6. Полухин П.И., Горелик С.С., Воронцов В.К. Физические основы пластической деформации. – М.: Металлургия, 1982. – 584с.
7. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. М., Мир, 1972, 408с.
8. Мак Лин Д. Механические свойства металлов. М., Металлургия, 1965, 432с.
9. Паршин А.М., Тихонов А.Н., Бондаренко Г.Г. и др. Хрестоматия и специальные вопросы металловедения. СПб, изд-во СПбГТУ, 1998, 304 с.
10. Физическое материаловедение. В 3-х томах, под ред. Кана Р.У. и Хаазена П. М., Металлургия, 1987.
11. Пуарье Ж.П. Высокотемпературная пластичность кристаллических тел (пер. с франц.). М., Металлургия, 1982, 272 с.
12. Бойко В.С., Гарбер Р.И., Косевич А.М. Обратимая пластичность кристаллов. М., Наука, 1991, 280с.
13. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. М., Металлургия, 1984, 280с.
в) учебно-методические материалы
1. Методические указания к работе «Анализ микроморфологии твердотельных объектов методом растровой электронной микроскопии» (сост. Рыбалко В.В.). М. ,МИЭМ, 1986, 28с.
2. Методические указания к работе «Влияние термической обработки на структуру и свойства углеродистой доэвтектоидной стали» (сост. Алешина С.А.). М., МИЭМ, 1990, 22 с.
3. Методические указания к работе «Исследование влияния пластической деформации и рекристаллизационного отжига на структуру и свойства металлов и сплавов» (сост. Алешина С.А.). М., МИЭМ, 1994, 20 с.
4. Методические указания к работе «Измерение твердости материалов статическими методами» (сост. Костин К.А.). М. ,МИЭМ, 2011, 11 с.
5. Методические указания к работе «Изучение деформационного упрочнения кристаллических материалов» (сост. Бондаренко Г.Г.). М. ,МИЭМ, 1987, 16 с.
6. Методические указания к работе «Лазерное упрочнение металлических материалов» (сост. Бондаренко Г.Г., Кучерявый С.И.). М. ,МИЭМ, 1991, 8 с.
г) рекомендуемая литература для самостоятельной работы:
1. Акишин А.И., Бондаренко Г.Г., Быков Д.В. и др. Физика воздействия концентрированных потоков энергии на материалы. Учебник. М., УНЦ ДО МГУ, 2004, 418 с.
2. Паршин А.М., Тихонов А.Н., Бондаренко Г.Г. и др. Хрестоматия и специальные вопросы металловедения. СПб, изд-во СПбГТУ, 1998, 304 с.
3.Удовиченко С.Ю. Пучково-плазменные технологии для модификации конструкционных материалов и создания наноматериалов. Учебное пособие. 2009, 100 с.
4. Солнцев Ю.П., Пирайнен В.Ю., Вологжанина С.А. Материаловедение специальных отраслей машиностроения. Учебное пособие. СПб, Химиздат, 2007, 724с.
5. Орлов А.Н. Введение в теорию дефектов в кристаллах. М., Высшая школа,1983, 144 с.
6. Новиков И.И., Розин К.М. Кристаллография и дефекты кристаллической решетки. М., Металлургия, 1990,336 с.
7. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. Учеб. пособие для
студентов вузов. М., Издательский центр «Академия», 2005, 192 с.
8. Судзуки Т., Ёсинага Х., Такеути С. Динамика дислокаций и пластичность (пер. с японск.). М.,Мир, 1989, 296с.
9. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Нанотехнологии и специальные материалы. Учебное пособие. СПб, ХИМИЗДАТ, 2007, 176с.
10.Конструкционные материалы. Справочник. Под ред. Арзамасова Б.Н. М., Машиностроение,1990, 688 с.
11. Рогов В.А., Ушомирская Л.А., Чудаков А.Д. Основы высоких технологий. Учебное пособие. М., Вузовская книга, 2007, 256 с.
12. Поздняков В.А. Физическое материаловедение наноструктурных материалов. Учебное пособие. М.,МГИУ,2007,424с.
13. Новые материалы. Коллектив авторов. Под ред. Ю.С. Карабасова. – М.: МИСИС. – 2002. – 736с.
14. Тайра С., Отани Р. Теория высокотемпературной прочности материалов (пер. с японск.). М., Металлургия, 1986, 280с.
15. Мороз Л.С. Механика и физика деформаций и разрушения материалов. Л., Машиностроение, 1984, 224 с.
16. Миллер К. Ползучесть и разрушение. М., Металлургия, 1986, 120с.
VII. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
- лаборатория изучения физико-механических свойств и структуры материалов кафедры микросистемной техники, материаловедения и технологий. Перечень оборудования: установки для измерения твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу, установка для измерения микротвердости ПМТ-3, лазерная установка ГОС-1001, приборы для измерения комплекса механических свойств материалов, микроскопы оптические; просвечивающий электронный микроскоп, эмиссионный электронный микроскоп, растровый электронный микроскоп EVO 40 “ZEISS”.с рентгеновской приставкой для элементного анализа, сканирующий зондовый микроскоп СММ-2000, участок термической обработки; прибор для исследования теплопроводности материалов, проекционный телевизор с компьютерным управлением.
VIII. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины
Практические занятия предусматривают освоение экспериментального оборудования, элементарных приемов работы на нем, измерительных средств и методик определения характеристик материалов. обработку и интерпретацию экспериментальных данных. В некоторые практические занятия целесообразно включать элементы научных исследований, которые потребуют углубленной самостоятельной проработки теоретического материала.
По результатам занятия преподаватель оценивает активность каждого студента при выполнении практического задания и проводит опрос по теоретической и практической частям работы.
При проведении практических занятий необходимо создать условия для максимально возможного самостоятельного выполнения работ. Поэтому при проведении практического занятия преподавателю рекомендуется:
- провести экспресс-опрос по теоретическому материалу, необходимому для выполнения работы;
- оценить работу студента в лаборатории и полученные им данные;
- проверить подготовленный по результатам работы отчет и принять защиту студентом теоретической и практической частей работы.
Реферат выполняется студентом по теме, заданной преподавателем. При его выполнении студент осваивает работу с научно-технической литературой, библиографическими каталогами, реферативными журналами. При написании реферата студентом раскрывается сущность описываемой проблемы, ее современное состояние, оценивается влияние эксплуатационных факторов на исследуемые свойства материалов, обсуждаются различные способы их улучшения. Объем реферата – 15-25 страниц (шрифт Times New Roman; 1,5 интервала). Критерии оценки реферата – степень раскрытия заданной темы, освоение литературы, оформление работы, уровень понимания сущности и современного состояния описываемой проблемы (определяется в результате защиты реферата),
Контрольная работа — это письменная работа, выполняемая студентами в середине семестра и направленная на проверку усвоенных ими знаний и умений; выполняется по вопроснику, составленному преподавателем в соответствии с пройденным материалом. Полный вопросник раздается студентам за неделю до выполнения контрольной работы. Каждому студенту выдается по два вопроса. Работа выполняется студентами в течение 2-х часов и оценивается по десятибалльной системе.
Самостоятельная работа студентов - форма обучения, являющаяся продолжением освоения материала, изучаемого студентами в лекционных и практических занятиях.
Внеаудиторная самостоятельная работа направлена на глубокое изучение дисциплины по списку обязательной и дополнительной литературы, а также списку рекомендуемой литературы для самостоятельной работы, включает в себя глубокую проработку теоретических разделов курса, подготовку к коллоквиуму и контрольной работе, выполнению и защите лабораторных и практических работ, написанию реферата.
Форма проверки самостоятельной работы – опрос студентов на практических занятиях, оценка преподавателем реферата и контрольной работы.
Рабочая программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки 222900.62 – Нанотехнологии и микросистемная техника.
Программу составил профессор кафедры «Микросистемная техника, материаловедение и технологии», доктор физико-математических наук Бондаренко Г.Г.
Настоящая программа рассмотрена на заседании кафедры «___»______ 2014 г, протокол №____ и рекомендована к применению в учебном процессе.
Заведующий кафедрой
д.т.н.,профессор В.П.Кулагин
Срок действия программы продлен на:
20__/20__ уч.год_______________________________________.
(подпись зав. кафедрой)
20__/20__ уч.год_______________________________________. (подпись зав. кафедрой)
|
