Detail předmětu
Fyzika materiálů
FSI-5FM Ak. rok: 2027/2028 Zimní semestr
Chcete se posunout od pouhého popisu materiálů k jejich skutečnému pochopení? Předmět Fyzika materiálů (5FM) vám ukáže, co se odehrává uvnitř pevných látek a jak tyto mikroskopické děje určují jejich výsledné vlastnosti a chování reálných konstrukcí.
Předmět poskytuje ucelený fyzikální základ pro pochopení procesů probíhajících v materiálech, a vytváří tak předpoklady pro hlubší porozumění moderním výrobním technologiím, jako jsou tváření, svařování, obrábění či slévárenství. Nezaměřujeme se však pouze na kovy; získáte také interdisciplinární pohled na technickou keramiku a polymery. Důraz je kladen na pochopení fyzikálních souvislostí mezi vnitřní stavbou, mikrostrukturou, vlastnostmi a chováním materiálů. Takové porozumění umožňuje samostatněji posuzovat materiálové problémy a kvalifikovaně rozhodovat při návrhu součástí i vývoji výrobních technologií.
Jazyk výuky
čeština
Počet kreditů
5
Garant předmětu
Zajišťuje ústav
Vstupní znalosti
Předmět staví na základních znalostech materiálových věd, obecné chemie a fyziky z nižších ročníků. Předpokládá se orientace v základech krystalografie, povědomí o rovnovážných a nerovnovážných fázových přeměnách a schopnost vnímat vztahy mezi strukturou a vlastnostmi materiálů. Na tyto základy během semestru systematicky navazujeme a potřebné fyzikální a termodynamické koncepty propojujeme přímo s konkrétními materiálovými ději a praktickými příklady.
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
Cílem předmětu je naučit vás porozumět vnitřní stavbě materiálů a na jejím základě logicky interpretovat jejich vlastnosti a chování. Pochopíte, jak poruchy krystalové struktury, difúzní procesy a fázové přeměny ovlivňují výslednou mikrostrukturu a vlastnosti materiálu. Osvojíte si fyzikální základy elastické a plastické deformace, porušování materiálů a základní principy lomové mechaniky. Seznámíte se také s fyzikální podstatou vybraných tepelných, elektrických, magnetických a optických vlastností a s korozními a dalšími degradačními procesy materiálů.
Tento povinně volitelný předmět ve 3. ročníku tvoří vhodný základ zejména pro studenty, kteří směřují do navazujících magisterských programů N-MTI (Materiálové inženýrství), N-FIN (Fyzikální inženýrství a nanotechnologie) nebo N-SLE (Slévárenská technologie). Hlubší pochopení fyzikální podstaty materiálů je však přínosné také pro budoucí konstruktéry, výpočtáře a technology z ostatních oborů, protože jim umožňuje lépe pracovat s reálnými materiálovými vlastnostmi a limity při návrhu a výrobě strojních součástí.
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 STI: Základy strojního inženýrství, povinně volitelný
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 materiálů. Elastická a plastická deformace, dislokace a mechanismy zpevnění. Vliv mikrostruktury na mechanické vlastnosti, odpevňovací procesy a časově závislá deformace.
Porušování materiálů. Fyzikální podstata lomu, základy lomové mechaniky, tvárný a křehký lom. Únavové a creepové porušování, vliv mikrostruktury na odolnost proti lomu.
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.
Laboratorní cvičení
26 hod., povinná
Osnova
Stavba atomu. Elektronová struktura a chemická vazba.
Krystalografie. Defekty krystalové mřížky.
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.