Detail předmětu
Úvod do fyziky materiálů
FSI-WUF Ak. rok: 2027/2028 Letní semestr
Předmět Úvod do fyziky materiálů (WUF) poskytuje studentům materiálového inženýrství ucelený fyzikální základ pro pochopení vnitřní stavby pevných látek, jejich vlastností a procesů, které v nich probíhají. Ukazuje, jak chování materiálů vyplývá z jejich atomové a elektronové struktury, meziatomových interakcí a mikrostruktury a jak lze tyto souvislosti vysvětlit pomocí základních fyzikálních zákonů.
Výuka propojuje poznatky fyziky, chemie a materiálových věd a vytváří teoretický základ pro navazující odborné předměty materiálového inženýrství. Důraz je kladen na pochopení fyzikálních příčin pozorovaných jevů a schopnost uvažovat o materiálech jako o vzájemně propojených fyzikálních systémech, nikoliv pouze jako o souborech empiricky popsaných vlastností.
Jazyk výuky
čeština
Počet kreditů
5
Garant předmětu
Zajišťuje ústav
Vstupní znalosti
Předmět navazuje na základní znalosti fyziky, obecné chemie, matematiky a materiálových věd získané v předchozím studiu. Předpokládá se základní orientace ve stavbě atomu, chemických vazbách, vlastnostech látek a základních fyzikálních zákonech. Výhodou je také povědomí o krystalické struktuře a základních skupinách technických materiálů. Potřebné termodynamické a další fyzikální koncepty jsou v průběhu semestru postupně rozvíjeny a propojovány s konkrétními materiálovými ději.
Způsob zakončení předmětu a pravidla hodnocení studentů
Podmínkou udělení zápočtu je 100% účast na cvičeních, odevzdání všech protokolů z laboratorních cvičení na odpovídající věcné i grafické úrovni a úspěšné absolvování dvou semestrálních testů. Účast na cvičeních je povinná a případná neúčast musí být řádně omluvena. V případě omluvené absence bude příslušné téma nahrazeno formou individuálního zadání.
Závěrečná zkouška se skládá z písemné a ústní části. V písemné části jsou prověřovány znalosti tematických okruhů, se kterými jsou studenti seznámeni na začátku semestru. V ústní části student prokazuje dílčí znalosti a schopnost vyvozovat souvislosti a závěry.
Výsledná klasifikace zahrnuje hodnocení laboratorních cvičení, výsledek písemné zkoušky a ústního pohovoru.
Učební cíle
Po absolvování předmětu budou studenti schopni vysvětlit, jak atomová a elektronová struktura, meziatomové vazby a poruchy krystalové mřížky ovlivňují vlastnosti pevných látek. Budou rozumět základním termodynamickým a kinetickým principům a dokážou je využít při interpretaci stability fází, difúzních procesů, krystalizace a fázových přeměn.
Studenti budou schopni objasnit fyzikální mechanismy mechanického chování a porušování materiálů, stejně jako podstatu jejich tepelných, elektrických, magnetických a optických vlastností. Získají základní přehled o korozních a dalších degradačních procesech a seznámí se s principy počítačového modelování materiálů a možnostmi jeho využití při studiu a předpovídání jejich vlastností.
Získané znalosti jim umožní samostatněji analyzovat materiálové problémy, interpretovat vztahy mezi strukturou, zpracováním a vlastnostmi materiálů a využívat fyzikální principy při dalším studiu materiálového inženýrství.
Studijní opory
Studijní opory tvoří prezentace z přednášek, podklady k laboratorním cvičením a doporučená odborná literatura. Elektronické studijní materiály jsou studentům zpřístupněny prostřednictvím e-learningu.
Použití předmětu ve studijních plánech
Program B-ZSI-P: Základy strojního inženýrství, bakalářský
specializace MTI: Materiálové inženýrství, povinný
Typ (způsob) výuky
Přednáška
39 hod., nepovinná
Osnova
Stavba hmoty. Atomová a elektronová struktura, periodická soustava prvků, meziatomové vazby a jejich vliv na vlastnosti pevných látek.
Vnitřní struktura materiálů. Krystalické a amorfní látky, krystalové struktury kovů, keramiky a polymerů. Bodové, čárové a plošné poruchy a jejich význam.
Termodynamika čistých látek. Termodynamické zákony, vnitřní energie, entropie a termodynamické potenciály. Fázová rovnováha, stabilita a fázové přeměny čistých látek.
Termodynamika roztoků a chemických sloučenin. Gibbsova energie směšování, chemický potenciál, termodynamická aktivita. Stabilita fází a rovnovážné fázové diagramy vícesložkových soustav.
Kinetika fázových přeměn. Termodynamické hnací síly a aktivační bariéry, nukleace a růst nových fází. Difúzní mechanismy, Fickovy zákony a kinetika mikrostrukturních změn.
Krystalizace kovů a slitin. Tuhnutí čistých kovů a slitin, dendritický růst, segregace a vznik polykrystalické struktury. Precipitace a vývoj mikrostruktury v tuhém stavu.
Fázové přeměny v tuhém stavu. Difúzní, částečně difúzní a bezdifúzní přeměny. Rozpad tuhých roztoků, eutektoidní, bainitická a martenzitická přeměna.
Mechanické vlastnosti a porušování materiálů. Elastická a plastická deformace, dislokace a mechanismy zpevnění. Fyzikální podstata lomu, základy lomové mechaniky, únavové a creepové porušování.
Tepelné, elektrické, magnetické a optické vlastnosti materiálů. Fyzikální mechanismy jednotlivých vlastností, elektronové a vibrační stavy pevných látek, transportní procesy.
Koroze a degradace materiálů. Termodynamické a kinetické základy koroze, elektrochemické mechanismy, druhy korozního napadení a možnosti ochrany materiálů.
Počítačový design a modelování materiálů. Základní principy počítačového modelování materiálů na různých délkových škálách.
Laboratorní cvičení
26 hod., povinná
Osnova
Stavba atomu. Elektronová struktura a chemická vazba.
Krystalografie. Defekty krystalové mřížky a rentgenová difrakce.
Termodynamika čistých látek. Určování teplotních závislostí entalpie, entropie a Gibbsovy energie.
Termodynamika roztoků. Stanovení termodynamické aktivity metodou nosného plynu.
Entalpické diagramy. Konstrukce a interpretace entalpických diagramů základních rovnovážných fázových diagramů.
Entalpické diagramy soustavy Fe–Fe₃C. Aplikace entalpických diagramů na soustavu železo–cementit.
Difúze. První a druhý Fickův zákon.
Difúze. Difuzivita uhlíku při cementaci.
Kvantitativní metody hodnocení struktur. Stanovení velikosti zrna a aplikace Hallova–Petchova vztahu.
Přeměny přechlazeného austenitu. Tvorba proeutektoidního feritu.
Přeměny přechlazeného austenitu. Konstrukce diagramů IRA a ARA.
Plastická deformace. Stanovení exponentu deformačního zpevnění.
Struktura a vlastnosti polymerů.