材料科学基础实验指导书
上海工程技术大学材料工程学院
中心实验室
2003.1
目录
实验一(1)金相显微镜的构造及使用———2
(2)金相试样的制备———————10
实验二铁碳合金平衡组织观察————-—17
实验一（1）金相显微镜的构造及使用一、实验目的
1.了解金相显微镜的光学原理和构造。
2.初步掌握金相显微镜的使用方法及利用显微镜进行显微组织分析
二、概述
利用金相显微镜来观察金属及合金的内部组织及缺陷，是材料研究方法中最基本的实验技术。它在金相研究领域中占有很重要的地位，利用金相显微镜在专门制备的试样上放大 100～1000 倍来观察金属及合金的组织与缺陷的方法称为金属的显微分析法。显微分析方法可以大致了解金属及合金的组织与化学成份的关系；可以确定各类金属经不同的加工与热处理后的显微组织的变化与性能的关系；可鉴别金属材料中存在的缺陷，如各种非金属夹杂物——氧化物，硫化物等在组织中的数量及分布情况，晶粒度大小、裂纹的走向、各种表面组织以及焊接组织的情况等。
在进行显微分析时，使用的主要仪器是金相显微镜。金相显微镜主要是利用光线的反射将不透明物体（如金属，岩石，塑料等）放大后进行观
察研究的。在讨论金
相显微镜的构造和应
用之前，需要先简要
地介绍一些有关显微
镜的基本理论。
三、显微镜理论的基
础知识图1—1放大镜的光学原理图
众所周知，放大AB—物体A’B’物象f—焦距
镜是最简单的一种光学仪器，它实际上就是一块凸透镜，利用它就可以将物体放大,其成像光学原理如图 1—1所示。当物体 ( AB ) 放在透镜与其焦点 ( F ) 之间，则经过透镜的光线就会分散开来，从放大镜后面观察，可以看到一个放大了的正虚象 ( A’ B’)，此像的长度与物体长度
的比值（即A’B’/AB）就是放大镜的放大率（放大倍数）。
显微镜不是像放大镜那样由单个透镜组成，而是由两个（实际上是两组）透镜所组成的。对着所观察物体的透镜叫做物镜，而对着眼睛的透镜叫做目镜。借助物镜与目镜的两次放大，就能使物体放大到很高的倍数。图1—2 所示是在显微镜中得到放大物象的光学原理图。
图1－2 显微镜的光学原理示意图
所观察的物体AB 放在物镜之前离焦点F1略远一些的地方，光线由物体上反射穿过物镜经折射后，就得到一个放大了的倒立实象A’B’，并处于目镜焦距F2之内，眼睛通过目镜观察实象A’B’，结果就得到经过两次放大的倒立虚象A”B”，这就是我们在显微镜下研究实物时所观察到的物象。
由于人眼的正常视距( D ) 为250mm，所以在显微镜在设计上让目镜处观察到的倒立虚象在距离眼睛250mm 处成象，这样可以看得最为清晰。从图1—2 可知，只有物镜对物体起放大作用，而目镜只是放大由物镜所得到的物象。
显微镜的主要性能有：
（1）显微镜放大倍数：显微镜的放大倍数M可由下式决定：
M总=M物*M目=250－L / F1*F2
M物——物镜的放大倍数
M目——目镜的放大倍数
L——显微镜的镜筒长度
D——明视距离250mm
F1——物镜的焦距
F2——目镜的焦距
F1、F2越短或L越长，则显微镜的放大倍数越高。在使用时，显微镜的放大倍数就是物镜和目镜的放大倍数的乘积。
（2）显微镜的鉴别力和数值孔径之间的关系：显微镜的鉴别率是指它能清晰地分辨试样上两点间最小距离d的能力。在普通光线下，人眼能分辨两点间的最小距离为0.15~0.30mm,即人眼的鉴别率为0.15~0.30mm，而
显微镜当其有效放大倍数为1400倍时，其鉴别率d为0.21*10－３mm，d
λ
值越小，鉴别率越高。鉴别率可由下式计算出来：d =
2
A
N.
λ——入射光线的波长
N.A——物镜的数值孔径
显微镜的鉴别率取决于使用光线的波长和物镜的数值孔径，与目镜没有关系。当波长一定时，则数值孔径越大鉴别率越高。由上式可以看出，当λ值越小时，鉴别极限d值就越小，即物镜的鉴别能力越高，在显微镜中就能看到更细微的部分。同样情况，当数值孔径（N.A值）越大时d 值也就越小。数值孔径大的物镜聚光能力强，能吸收更多的光线，使物象
更加清晰。数值孔径N.A可用下列公式求得：
N.A = η·sin?
式中：η——物镜与物体间介质的折射率
?——物镜孔径角的一半
从式中可知，当η和?值越大时，数值孔径就越大，物镜的鉴别能力也就越高。
为了增加?值（即孔径角）可增大物镜的直径，但物镜直径的增大将会使球面象差和色象差的校正增加困难，故通常采用缩短透镜焦距的办法来解决。另外也可提高介质的折射率η来提高数值孔径值。若在物镜与试样之间滴入一种折射率较大的介质，如松泊油η= 1.52（空气的折射率η=1），从而提高了物镜的鉴别能力。物镜在设计和使用中指定以空
2（a)干物镜
（b)油物镜
图1-3 不同介质对物镜聚光能力的比较
气为介质的称为“干系物镜”（或干物镜），以油为介质的称为“油浸系物镜”（或油物镜）。从图1—3 说明油物镜具有较高的数值孔径。
(3) 显微镜的有效放大倍数：显微镜的同一放大倍数可由不同倍数的物镜和目镜来组合，如何合理选用物镜和目镜呢？首先应根据物镜的数值孔径来选用物镜，即必须使显微镜总的放大倍数在该物镜数值孔径的500～1000倍之间，
即：M=500 N.A ～1000 N.A
这个范围称为有效放大倍数。若M>1000 N.A 则形成虚伪放大，细
微部分将分辨不清。若M<500 N.A 则未能充分发挥物镜的鉴别率。放大
倍数的符号用“×”表示，放大倍数均分别标注在物镜与目镜的镜筒上。
四、金相显微镜的构造和使用
1. 金相显微镜的构造
金相显微镜的种类和型式很多，最常见的型式可分为台式，立式和
1.载物台
2.物镜
3.半反镜
4.物镜转换器
5.传动箱
6.微调手轮
7.粗调手轮
8.偏心圈
9.目镜 10.目镜管 11.固定螺丝 12.调节螺丝 13.视场光栏 14.孔径光栏 15.试样
图1-4 XJB—4X 型金相显微镜构造图
卧式金相显微镜三大类，又按样品放置的位置分为倒置式和正置式。金相显微镜的构造通常由光学系统，照明系统和机械系统三大部分组成，有的显微镜还附设有摄影装置，现以 XJB—4X 型金相显微镜为例加以说明。XJB—4X 型金相显微镜构造如图 1 — 4 所示。现分别对其各部件的使用功能介绍如下：
照明系统：照明系统是仪器的主要组成部分，在底座内装有一低压（6V～8V,15W）灯泡作为光源，灯泡由变压器降压供电靠次级电压（6～8V）的调节来改变灯光的亮度。在灯泡前有一聚光镜，孔径光栏 14 及反光镜等装置均安装在圆形底座上。另外，还有视场光栏 13 及另一聚光镜则安在支架上，通过以上一系列透镜作用和配合就组成显微镜的照明系统，使试样表面获得充分均匀的照明。
机械系统：显微镜调焦装置在显微镜主体的两侧有粗调和微调手轮，通过内部齿轮传动，使支承载物台的弯臂作上下运动，在粗调手轮的一侧有制动装置，用以固定调焦正确后载物台的位置。在后侧手轮上刻有分度格表示物镜座上下微动 0.002毫米/每格。与刻度盘同侧的齿轮箱上刻有二条白线，用以指示微动升降范围，当旋到极限位置时，微动手轮就自动被限制住，此时，不能再继续旋转而应倒转回来使用。
载物台（样品台）用于放置金相样品，载物台和下面托盘之间有导架，在手的推动下，可引导载物台在水平面上作一定范围的十字定向移动，以改变试样的观察部位。
光学系统：孔径光栏和视场光栏通过这两个孔径可变的光栏之调节，可以提高最后映象的质量。孔径光栏装在照明反射镜座上面，调整孔径光栏能够控制入射光束的粗细，以保证映象达到清晰的程度。视场光栏则设在物镜支架下面，其作用是控制视场范围，使目镜中所见视场明亮而无阴影。在刻有直纹的套圈上还有两个调节螺钉用来调整光栏中心。
物镜转换器呈球面形，上面有三个螺孔，可安装三个不同放大倍数的物镜，旋动转换器可使各物镜镜头进入光路，并与不同的目镜搭配使用，即获得各种放大倍数。
目镜筒呈45o倾斜安装在附有棱镜的半球形座上，还可将目镜转向90o呈水平状态以配合照相装置进行金相摄影。
表1—1，列出 XJB—4X型金相显微镜的物镜和目镜不同配合情况下的放大倍数。
表 1—1 XJB—4X型金相显微镜的放大倍数
2. 金相显微镜的使用方法及注意事项
金相显微镜是一种精密的光学仪器，因此使用时要求细心谨慎。在使用显微镜工作之前首先熟悉其构造特点及各主要部件的相互位置和作用，然后按照显微镜的使用规程进行操作。
（一）金相显微镜的使用规程
1）首先将显微镜的光源插头插在变压器上，通过低压（6～8V）变压器接通电源。
2）根据放大倍数选用所需的物镜和目镜，分别安装在物镜座上及目镜筒内，并使工作物镜转至垂直向上位置，使之处于样品台中心孔中央。
3）将试样放在样品台中心孔上，使观察面朝下并用弹簧片压住。
4）转动粗调手轮先使镜筒上升，使物镜尽可能接近试样表面（但不得与试样相碰），然后一边转动粗调手轮，使镜筒渐渐下降，一边在目镜筒中观察，当视场亮度增强时再改用细调手轮调节，直到物象调整到最清晰程度为止。
5）适当调节一孔径光栏和视场光栏，以获得最佳质量的物象。
（二）使用时的注意事项
1）操作时必须特别细心，不能有任何粗暴和剧烈的动作，光学系统不允
许自行拆卸，也不能用手或餐巾纸去抚摩擦拭光学镜头。
2）显微镜灯泡的（6～8V）插头，切勿直接插220V的电源插座上，一般插在变压器8V上，观察结束要及时关闭电源。
3）在旋转粗调（或细调）手轮时动作要慢，碰到某种阻碍时应立即报告调查原因，不得用力强行转动，否则就会损坏机件。
四、实验方法指导
1.实验内容及步骤
（1）在本次实验中学生应首先弄懂显微镜最基本的光学原理。
（2）明确金相显微镜的构造和使用方法，要求学会利用机械系统来调整焦距和利用照明系统来调节与控制光线等。
（3）每人通过实际操作金相显微镜，观察金相样品，并画出显微组织示意图。（画图要求：画一35 mm的圆，用铅笔描绘组织示意图）
2.实验报告
（1）简述提高金相显微镜鉴别率的几种方法。
（2）扼要记述金相显微镜的使用方法及必须注意的有关事项。
（3）画出你所看到的显微组织图（注明放大倍数、材料牌号、组织名称和所使用的腐蚀剂）。
实验一（2）金相试样的制备
一、实验目的
1. 学习金相试样的制备过程
2. 了解金相组织的显示方法
二、概述
金相显微分析是研究金属和合金组织的主要方法之一，在生产实际中，为了探索金属材料的性能，经常需要进行金相组织的检查和分析。为了对金相显微组织进行鉴别和研究，需要将所分析之金属材料制备成一定尺寸的试样，并经磨制抛光与腐蚀等工序，最后通过金相显微镜来观察和分析金属的显微组织状态及分布情况。
金相样品制备的质量好坏，直接影响到组织观察的结果，如果样品制备不符合特定的要求，就有可能由于出现假象而产生错误的判断，致使整个分析得不到正确的结论。因此，为了得到理想的金相显微分析试样，需要经过一系列正确的制备过程。
三、金相试样的制备方法
金相试样的制备过程包括以下工序：取样，镶嵌，磨制，抛光，浸蚀等。下面就各道工序加以简要说明：
1.取样
取样是进行金相显微分析中很重要的一个步骤，显微试样的选取应根据研究的目的，取其具有代表性的部位，例如：在检验和分析失效零件的损坏原因时，除了在损坏部位取样外，还需要在距破坏处较远的部位截取试样，以便比较；在研究铸件组织时，由于偏析现象的存在，必须从表层到中心，同时取样进行观察；对于轧制和锻造材料则应同时截取横向（垂直于扎制方向）及纵向（平行于扎制方向）的金相试样，以便分析比较表层缺陷及非金属夹杂物的分布情况；对于一般经热处理后的零件，由于金相组织比较均匀，试样截取可在任一截面进行。
试样的尺寸通常采用直径为φ
12―15毫米，高度（或边长）为12～
15毫米的圆柱体或方形试样（如图
2―1所示）。试样的截取方法视材料的
性质不同而异，软的金属可用手锯或
锯床切割；对硬而脆的材料（如白口
铸铁）则可用锤击打下；对极硬的材
料（如淬火钢）则可采用砂轮切割图2-1 金相试样的尺寸
机或电脉冲加工等切割方法。但是，不论采用哪种方法，在切取过程中均
不宜使试样的温度过于升高，以免引起金属组织的变化，影响分析结果。
2. 镶嵌
对于尺寸过于细小的金属、片及管等，以及表面处理的试样（为防止
边缘倒角），不加于镶嵌固定，
制样很困难，需要使用试样夹
或利用样品镶嵌机把试样镶
嵌在低熔点合金或塑料（如胶
木粉，聚乙烯聚合树脂等）中，
有些不宜加热的试样，可用冷
镶嵌（环氧树脂）或机械夹具
夹持。但是有些样品不宜镶嵌, 图2—2金相试样的镶方法（1）（2）机械镶嵌如要采用电化学抛光和腐蚀的（3）低熔点合金镶嵌（4）塑料镶嵌样品。
3.磨制
试样的磨制一般分为粗磨与细磨。
（1）粗磨的目的是为了获得一个平整的表面，钢铁材料试样的粗磨通常在砂轮机上进行。但在磨制时应注意：试样对砂轮的压力不宜过大，否则会在试样表面形成很深的磨痕，从而增加了细磨和抛光的困难；要随时用水冷却试样，以免受热的影响而引起组织的变化；试样边缘的棱角如没有保存的必要，可先行磨圆（倒角），以免在细磨及抛光时撕破砂纸或抛光布，甚至造成试样从抛光机上飞出伤人。当试样表面平整后，粗磨就告完成，然后将试样用水冲洗擦干。
（2）经粗磨后的试样表面虽较平整但仍还存在有较深的磨痕（如图2―
3所示）。因此，细
磨的目的就是消除
这些磨痕，以获得
一个更为平整而光
滑的磨面，并为下
一步抛光作准备。
细磨是在一套粗细
程度不同
图2—3试样磨面上磨痕变化的的金相砂纸上由粗到细依次顺序进行的。细磨时可将砂纸放在玻璃上，手指紧握试样并使磨面朝下，均匀用力向前推行磨制，在更换砂纸时，须将试样的研磨方向调转90°，即与上一道磨痕方向垂直，直到把上一道砂纸所产生的磨痕全部消除为止。此外，在更换砂纸时还应将试样，玻璃板清理干净，以防粗砂粒带到下一道细砂纸上产生粗的磨痕。
为了加快磨制速度可在预磨机上实现机械磨光。
4.抛光
细磨后的试样还需要进行最后一道磨制工序——抛光，其目的是去除细
磨时遗留下来的细微磨痕，以获得光亮无疵的镜面。试样的抛光一般可分为：机械抛光，电解抛光和化学抛光。
（1）机械抛光：试样的机械抛光是在专用抛光机上进行的，抛光机的主要结构是由电动机和水平抛光盘组成，抛光盘上铺以细帆布，呢绒，丝绸等，抛光时在抛光盘上不断滴注抛光液保持湿润。抛光液通常采用 Al
2
O 3 ，Cr
2
O
3
（粒度约为0.3～1μ）的粉末在水中的悬浮液。或人造金刚石研
磨膏等
机械抛光就是靠极细的抛光粉末与磨面间产生的相对磨削和滚压作用来消除磨痕的。操作时将试样磨面均匀地压在旋转的抛光盘上（可先轻后重）并沿盘的边缘到中心不断作径向往复移动，抛光时间一般约3～5分钟，最终抛光后，试样表面应看不出任何磨痕而呈光亮的镜面。需要指出的是抛光时间不宜过长，压力也不可过大，否则将会产生紊乱层而导致组织分析得出错误的结论。
抛光结束后用水冲洗试样并用棉球擦拭，最后滴上酒精用吹风机吹干，若只需要观察金属中的各种夹杂物或铸铁中的石墨形状时，则可将试样直接置于金相显微镜下进行观察了。
（2）电解抛光：电解抛光纯系电化
学溶解作用，无机械力的影响，不致引
起表层金属变形或流动，能获得光滑平
整的磨面，从而能够较正确地显示出
金相组织的真实性。电解抛光的简单装
置如图2―4所示。电解抛光时把磨光
的试样浸入电解液中，接通试样（阳极）图2－4电解抛光装置示意图
与阴极之间的电源（通常多采用直流电源），阴极可采用铅或不锈钢等，并
与试样抛光面保持一定的距离（约25～300毫米），当电流密度足够时，试样磨面即产生选择性的溶解，此时，靠近阳极的电解液在试样的表面上形成一层厚度不一的薄膜，由于薄膜本身具有较大电阻，并与其厚度成正比，如果试样表面是高低不平的，则突出部分薄膜的厚度要比凹陷部分的薄膜厚度来得薄些，因此突出部分电流密度最大，由此金属被迅速地溶入电解液中，突出部分渐趋平坦，最后形成平整光滑的表面。
电解抛光的效果，在选定电解液的条件下，取决于电流密度，温度，抛光电压，溶液新旧程度及抛光时间等参数的变化。电解抛光用的电解液一般由以下三类成份组成：1）酸类——具有氧化能力，是电解液的主要成份，如过氯酸，铬酸和正磷酸等。2）溶媒——用于冲淡酸类，并能溶解在抛光过程中磨面所产生的薄膜中，如酒精，醋酸酐和冰酸酐等。3）一定数量的水份。
（3）化学抛光：化学抛光的实质与电解抛光相类似，也是一个表层溶解过程，但它纯粹是靠化学药剂对于不均匀表面所产生选择性溶解的结果而获得光亮的抛光面。
5.浸蚀
经抛光后的试样磨面，如果直接放在显微镜下观察时，所能看到的只是一片光亮，除某些夹杂物或石墨外，无法辨别出各种组织的组成物及其形态特征。因此，必须使用浸蚀剂对试样表面进行“浸蚀”，才能清楚地显示出显微组织。
最常用的金相组织显示方法是化学浸蚀法。化学浸蚀法的主要原理就是利用浸蚀剂对试样表面所引起的选择性化学溶解作用，或电化学作用（即局部微电池原理）来显示金属的组织。它们的浸蚀方式则取决于组织中组成相的性质和数量。
对于纯金属或单相合金来说浸蚀仍是一个纯化学溶解过程，由于金属及
合金的晶界上原子排列混乱，并
具有较高的能量，因此晶界处较
为容易被浸蚀而呈现凹沟（如图
2―5（a ）所示）；
(a)层片状珠光体
同时由于每个晶粒中原子排列的位向不
同，所以各自的溶解速度都不一样，致
使被浸蚀的深浅程度也有区别，在垂直
光线的照射下将显示出明暗不同的晶粒
（如图2―5（b ）所示）。
（b ）铁素体晶界 对于两相以上的合金组织来说，
图2―5单相和两相组织示意图 则浸蚀主要是一个电化学腐蚀过程，由于各组成相的成份不同，各自具有不同的电极电位，当试样浸入具有电解液作用的浸蚀剂中，就在两相之间形成无数对“微电池”，具有负电位的一相成为阳极，被迅速地溶入浸蚀剂中，而使该相形成凹洼，具有正电位的另一相成为阴极，在正常电化学作用下不受浸蚀而保持原有的光滑表面。当光线照射到凹凸不平的试样表面时，由于各处对光线的反射程度不同，在显微镜下就能观察到各种不同的组织及组成相。
浸蚀方法通常是将试样磨面浸入浸蚀剂中，也可用棉花沾上浸蚀剂擦试表面，浸蚀时间要适当，一般使试样磨面由镜面变成银灰色时即可停止，如果浸蚀不足，可重复浸蚀，浸蚀完毕后立即用清水冲洗，然后用酒精滴至磨面并吹干。至此，金相试样制备工作全部结束，即可在显微镜下进行组织观察和分析研究了。
四、 实验方法指导
1.实验内容及步骤
受浸蚀的相
未受浸蚀的相
被浸蚀的晶界
每名同学领取一块试样，按照上述试样制备过程进行操作，具体步骤如下：
（1）使用金相砂纸按照先粗后细，顺序依次进行磨制。
（2）冲洗样品和手，然后在抛光机上进行抛光，直至镜面。冲洗样品并吹干。
（3）用浸蚀剂浸蚀试样磨面。一定时间后迅速取出冲洗并吹干，即可在显微镜下观察了。
2.实验报告
（1）简述金相显微试样的制备过程。
（2）为什么每换一张砂纸样品就要旋转90度？
（3）电解抛光为什么能使样品表面趋于平整。
实验二铁碳合金平衡组织观察
一.实验目的
1.研究和了解铁碳合金（碳钢及白口铸铁）在平衡状态下的显微组织。
2．了解含碳量对铁碳合金显微组织的影响，从而加深理解成份、组织与性能之间的相互关系。
二.概述 170016001500
14001300
1200
1100
900
800700
600
500
400
300
200
100
0Fe 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0
1538°1495°1394° 2.082.111154°1148° 4.304.261227°6.69912770°O 0.680.77738°727°230°N
J
A B H
E E'C C'D
F K L M
G P S Q L+L+G L+Fe3C1Fe3C1+Le Fe3C +F3C2+Le Fe3C1+Le'P+Fe3C2+Le'-Fe +P
+FeP3P+Fe3C2-Fe +F3C2P ( +F e 3C +F e 3C 3)L e '(P +F e 3C +F e 3C 2)L e ( +F e 3C +F e 3C 2) 图3-1 Fe ―Fe 3C 相图
铁碳合金的显微组织是研究和分析钢铁材料性能的基础，所谓平衡状态的显微组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下（如退火状态）所得到的组织。我们可根据 Fe ―Fe 3C 相图来观察铁碳合金在平衡状态下的显微组织 （如
图 3―1所示）。Fe―Fe
C相图的平衡组织主要是指碳钢和白口铸铁组织，
3
其中碳钢是工业上应用最广的金属材料，它们的性能与其显微组织密切有关，因此，对碳钢和白口铸铁显微组织的观察和分析，有助于加深对Fe―C相图的了解。
Fe
3
C相图上可以看出，所有碳钢和白口铸铁的组织均由铁素体从Fe―Fe
3
C)这两个基本相所组成。但是由于含碳量的不同，铁（F）和渗碳体 (Fe
3
素体和渗碳体的相对数量，析出条件以及分布情况均有所不同，因而呈现各种不同的组织形态。
各种铁碳合金在室温下的显微组织可见表 3―1。
表 3―1 各种铁碳合金在室温下的显微组织
碳钢和白口铸铁，在金相显微镜下具有下面几种基本组织状态。
（1）铁素体（F）是碳在α―Fe 中的固溶体。铁素体为体心立方晶格。具有磁性及良好塑性，硬度较低。用3～4 % 硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮的多边形晶粒：当钢中含碳量较多时，铁素体呈块状分布；当含碳量接近于共析成份时，铁素体则呈连续的网状分布于珠光体的晶界周围。
C)是铁与碳形成的一种化合物，其含碳量为 6.67%。当
（2）渗碳体(Fe
3
用3～4%硝酸酒精溶液浸蚀后，渗碳体呈亮白色，若用苦味酸钠溶液浸蚀，则渗碳体被染成黑色而铁素体仍是白色，由此可区别铁素体与渗碳体。按照处理条件不同，渗碳体可以呈片状形式，也可呈颗粒或网状形式。
（3）珠光体（P）是铁素体
和渗碳体的机械混合物，经不同
工艺处理后可观察到两种不同的
组织形态：片状珠光体和球状珠
光体。
1)片状珠光体它是由铁素
体与渗碳体相互混合交替排列形
成的层状组织，经硝酸酒精溶液浸图3―2 片状珠光体显微组织
蚀后，在不同放大倍数的显微镜下可以看到具有不同特征的黑白交替的层片状组织，（如图3―2所示）。在高倍放大时，能清楚地看到珠光体中平行相间的宽条铁素体和细条渗碳体。当放大倍数较低时，由于显微镜的鉴别能力小于渗碳体片厚度，这时就
只能看到一条黑线（相界线），它
实际上就表示了渗碳体。
2)球状珠光体球状珠光体
组织的特征是在亮白色的铁素体
基本上，均匀分布着白色的渗碳
体细粒，其边界呈暗黑色（图
3―3所示）。图3―3 球状珠光体显微组织上述各类组织组成物的机械性能可见表3―2 。
表3-2 各类组织组成物的机械性能
实验报告 课程名称：材料科学基础实验方法成绩： 实验名称：(盐类)晶体结晶过程观察批阅人： 实验时间：2010.12.2 实验地点：5411报告完成时间：2010.12.15 姓名：学号：班级： 同组实验者：指导教师： 一、实验目的 1）观察透明盐类的结晶过程及结晶后的组织特征，对（金属的）结晶过程建立感性认识。 2）观察有树枝状晶体的金属显微组织和具有树枝状晶体的铸件或铸锭实物图片，建立金属晶体以树枝状形式长大的直观概 念。 3）观察不同晶体的不同生长形态，了解晶体生长的微观机理。 二、实验内容 1）结晶过程及晶体生长形态观察 将质量分数为25%~30%氯化铵水溶液，加热到80~90℃，观察在下列条件下的结晶过程及晶体生长形态。 1）将溶液倒入培养皿中空冷结晶。 2）将溶液滴在玻璃片上，在生物显微镜下空冷结晶。 3）将溶液倒入小烧杯中空冷结晶。
4）将溶液滴入是观众空冷结晶。 5）在培养皿中撒入少许氢化氨粉末并空冷结晶。 6）将培养皿、试管置于冰块上结晶。 2）胞状晶形貌观察。 将Sn-0.05%Pb合金加热融化，升温至550℃，浇入到100℃的金属型中，待其凝固短时间（约3s）后，将剩余液体倒掉，选取较平整的一小块液固界面，在显微镜下观察，即可看出胞状界面。 三、主要仪器设备 显微镜、玻璃片、吸管。 饱和氯化铵水溶液 结晶实物图片 四、实验过程与结果记录 1）在干净的玻璃片上，用吸管滴一滴饱和硝酸铅水溶液，并在显微镜下观察它的结晶过程。也可用放大镜、投影仪等观察， 并绘出示意图。 2）用肉眼（放大镜）观察具有不同晶型的实物图片。
五、实验结果分析与讨论 1）描述所观察到的氯化铵的结晶过程，并绘出示意图。 2）汇出金属树枝状晶体的纤维组织示意图。 3）结合所学知识说明金属树枝状晶体的形成原因。
《材料科学基础》实验指导书 （试用） 院系： 班级： 姓名： 学号： 大连理工大学 年月日
实验目录 实验一金相显微镜的使用及金相试样制备方法（2学时）实验二金属材料的硬度（2学时）实验三 Sn-Pb二元平衡相图测试（2学时）实验四金相定量分析方法（2学时）实验五 Fe-C合金平衡组织观察（2学时）实验六材料弹性及塑性变形测定（2学时）实验七碳钢试样的制备及测试综合性实验（4学时）实验八金属塑性变形及回复再结晶设计性实验（6学时）实验九金属凝固组织及缺陷的观察（2学时）
实验一金相显微镜的使用及金相试样制备方法 一、实验目的 1）了解光学显微镜的原理及构造，熟悉其零件的作用。 2）学会正确操作和使用金相显微镜。 3）掌握金相试样的制备过程和基本方法。 二、实验设备与材料 实验设备：x-1型台式光学显微镜，磨样机、抛光机、砂轮机 实验材料：碳钢标准样品 三、实验内容 1.通过本次实验使学生了解光学显微镜并熟悉光学显微镜的构造和使用方法； 2.要求每个学生会实际操作光学显微镜，观察金相样品并测定其放大倍数。 3.演示并初步认识金相试样的制备过程及方法 四、实验报告撰写 撰写实验报告格式要求： 一、实验名称 二、实验目的 三、实验内容 包括：1. 光学显微镜的构造及其零部件的作用 2. 使用光学显微镜观察标准样品的收获 3. 概述金相试样制备过程及方法 四、个人体会与建议
实验二金属材料的硬度 一．实验目的 1.了解布氏、洛氏、维氏硬度的测试原理。 2.初步掌握各种硬度计的操作方法和使用注意事项。 二．实验设备和样品 1．布氏、洛氏、维氏硬度计 2．铁碳合金试样 三．实验内容和步骤 1.通过老师讲解，熟悉布氏和洛氏硬度计的原理、构造及正确的操作方法。 2.演示测定维氏硬度值，演示测定布氏和洛氏硬度值， 注：每个样品测量压痕数，由指导老师根据学生人数确定，保证每位学生可以操作硬度计1-2次。因为实验条件限制，所以不需要严格按照多次测量取平均值的要求进行实验。 四．实验报告内容 1．简述实验目的和步骤。 2．简要叙述布氏、洛氏、维氏硬度计的测量原理和特点。 3．写出测量步骤，附上实验结果。 4．总结各种硬度计的使用注意事项和使用体会。
附件1 教学大纲编写要求与说明 一、大纲编写要求 课程教学大纲是执行专业人才培养方案、实现培养目标要求的教学指导性文件，是实施教学与考核的主要依据。课程教学大纲一般包括说明部分和本文部分，说明部分要明确课程性质、教学目标和要求，注重理论联系实际，体现科学性、思想性和实践性，贯彻“少而精”原则，做到规范与灵活相统一；本文部分是教学大纲的基本部分，分章节或单元说明（章节或单元）教学目标、教学时数、教学内容、教法建议、考核要求以及参考书目等。 凡列入培养方案的各门课程，均应由课程归属教学单位根据有关规定和要求在开课前组织教研室或任课教师制（修）订教学大纲。教学大纲应经所在教研室讨论审核，经学院批准后方可执行，并报教务处备案。各专业课程教学大纲应与人才培养方案相配套，并汇编成册。 二、文档格式要求 1．教学大纲统一用Word文档排版打印，页面设置为：A4纸型；页边距：左2.8cm、右2.5cm、上2.5cm、下2.5cm、页眉1.5cm、页脚1.0cm，标准字间距，行距1.5倍，段前段后间距均设为0，标点符号全角录入。 2．标题、正文的字体及字号要求：一级标题：（《XXXX》教学大纲）三号宋体加粗；二级标题：小四号宋体加粗；其余正文内容：小四号宋体。 三、填写内容说明 1．关于教学目标 具体参见理论课的教学目标陈述要求及参考样例，教学目标一定要反映学生的学习结果，要反映不同的知识类型和层次。 2．实验类课程中的“类型” 是指基本（演示、验证等）、综合、设计等；如是上机课程“类型”是指单项训练、综合训练等。 3．非独立设置的课内实践环节教学大纲可以参照独立设置实验课程教学大纲格式编写，课内实践教学大纲应作为理论课程教学大纲的一部分，课程编号、学分以理
实验六金属的塑性变形与再结晶 （Plastic Deformation and Recrystallization of Metals）实验学时：2 实验类型：综合 前修课程名称：《材料科学导论》 适用专业：材料科学与工程 一、实验目的 1．观察显微镜下变形孪晶与退火孪晶的特征； 2．了解金属经冷加工变形后显微组织及机械性能的变化； 3．讨论冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响。 二、概述 1．显微镜下的滑移线与变形孪晶 金属受力超过弹性极限后，在金属中将产生塑性变形。金属单晶体变形机理指出，塑性变形的基本方式为：滑移和孪晶两种。 所谓滑移，是晶体在切应力作用下借助于金属薄层沿滑移面相对移动（实质为位错沿滑移面运动）的结果。滑移后在滑移面两侧的晶体位向保持不变。 把抛光的纯铝试样拉伸，试样表面会有变形台阶出现，一组细小的台阶在显微镜下只能观察到一条黑线，即称为滑移带。变形后的显微组织是由许多滑移带（平行的黑线）所组成。
在显微镜下能清楚地看到多晶体变形的特点：① 各晶粒内滑移带的方向不同（因晶粒方位各不相同）；② 各晶粒之间形变程度不均匀，有的晶粒内滑移带多（即变形量大），有的晶粒内滑移带少（即变形量小）；③ 在同一晶粒内，晶粒中心与晶粒边界变形量也不相同，晶粒中心滑移带密，而边界滑移带稀，并可发现在一些变形量大的晶粒内，滑移沿几个系统进行，经常看见双滑移现象（在面心立方晶格情况下很易发现），即两组平行的黑线在晶粒内部交错起来，将晶粒分成许多小块。（注：此类样品制备困难，需要先将样品进行抛光，再进行拉伸，拉伸后立即直接在显微镜下观察；若此时再进行样品的磨光、抛光，滑移带将消失，观察不到。原因是：滑移带是位错滑移现象在金属表面造成的不平整台阶，不是材料内部晶体结构的变化，样品制备过程会造成滑移带的消失。） 另一种变形的方式为孪晶。不易产生滑移的金属，如六方晶系的镉、镁、铍、锌等，或某些金属当其滑移发生困难的时候，在切应力的作用下将发生的另一形式的变形，即晶体的一部分以一定的晶面（孪晶面或双晶面）为对称面，与晶体的另一部分发生对称移动，这种变形方式称为孪晶或双晶。 孪晶的结果是：孪晶面两侧晶体的位向发生变化，呈镜面对称。所以孪晶变形后，由于对光的反射能力不同，在显微镜下能看到较宽的变形痕迹——孪晶带或双晶带。在密排六方结构的锌中，由于其滑移系少，则易以孪晶方式变形，在显微镜下看到变形孪晶呈发亮的竹叶状特征。（注：孪晶是材料内部晶体结构上的变化，样品制备过程不会造成孪晶的消失。） 对体心立方结构的Fe -α，在常温时变形以滑移方式进行；而在0℃以下受冲击载荷时，则以孪晶方式变形；而面心立方结构大多是以滑移方式变形的。 2．变形程度对金属组织和性能的影响
材工《材料科学基础》实验指导书湖北工业大学材料科学与工程学院 2013.3
实验1 淬冷法研究相平衡 目的意义 在实际生产过程中，材料的烧成温度范围、升降温制度，材料的热处理等工艺参数的确定经常要用到专业相图。相图的制作是一项十分严谨且非常耗时的工作。淬冷法是静态条件下研究系统状态图（相图）最常用且最准确的方法之一。掌握该方法对材料工艺过程的管理及新材料的开发非常有用。 本实验的目的： 1.从热力学角度建立系统状态（物系中相的数目，相的组成及相的含量）和热力学条件（温度，压力，时间等）以及动力学条件（冷却速率等）之间的关系。 2.掌握静态法研究相平衡的实验方法之一──淬冷法研究相平衡的实验方法及其优缺点。 3.掌握浸油试片的制作方法及显微镜的使用，验证Na2O —SiO2系统相图。 基本原理 从热力学角度来看，任何物系都有其稳定存在的热力学条件，当外界条件发生变化时，物系的状态也随之发生变化。这种变化能否发生以及能否达到对应条件下的平衡结构状态，取决于物系的结构调整速率和加热或冷却速率以及保温时间的长短。 淬冷法的主要原理是将选定的不同组成的试样长时间地在一系列预定的温度下加热保温，使它们达到对应温度下的平衡结构状态，然后迅速冷却试样，由于相变来不及进行，冷却后的试样保持了高温下的平衡结构状态。用显微镜或X-射线物相分析，就可以确定物系相的数目、组成及含量随淬冷温度而改变的关系。将测试结果记入相图中相应点的位置，就可绘制出相图。 由于绝大多数硅酸盐熔融物粘度高，结晶慢，系统很难达到平衡。采用动态方法误差较大，因此，常采用淬冷法来研究高粘度系统的相平衡。 淬冷法是用同一组成的试样在不同温度下进行试验。样品的均匀性对试验结果的准确性影响较大。将试样装入铂金装料斗中，在淬火炉内保持恒定的温度，当达到平衡后把试样以尽可能快的速度投入低温液体中（水浴，油浴或汞浴），以保持高温时的平衡结构状态，再在室温下用显微镜进行观察。若淬冷样品中全为各向同性的玻璃相，则可以断定物系原来所处的温度（T1）在液相线以上。若在温度（T2）时，淬冷样品中既有玻璃相又有晶相，则液相线温度就处于T1和T2之间。若淬冷样品全为晶相，则物系原来所处的温度（T3）在固相线以下。改变温度与组成，就可以准确地作出相图。 淬冷法测定相变温度的准确度相当高，但必须经过一系列的试验，先由温度间隔范围较宽作起，然后逐渐缩小温度间隔，从而得到精确的结果。除了同一组成的物质在不同温度下的试验外，还要以不同组成的物质在不同温度下反复进行试验，因此，测试工作量相当大。实验器材 1．相平衡测试仪 实验设备包括高温炉、温度控制器、铂装料斗及其熔断装置等，如图1-1所示。 熔断装置为把铂装料斗挂在一细铜丝上，铜丝接在连着电插头的个两铁钩之间，欲淬冷时，将电插头接触电源，使发生短路的铜丝熔断，样品掉入水浴中淬冷。 2．偏光显微镜一套，如图1-2所示。
实验报告 实验课程：材料科学基础 学生姓名： 学号： 专业班级： 年月日
实验一浇注和凝固条件对铸锭组织的影响 一、实验目的 1. 研究金属注定的正常组织。 2. 讨论浇注和凝固条件对铸锭组织的影响。 3. 初步掌握宏观分析方法。 二、实验内容说明 金属铸锭（件）的组织一般分为三个区域：最外层的细等轴晶区，中间的柱状晶区和心部的粗等轴晶区。最外层的细等轴晶区由于厚度太薄，对铸锭（件）的性能影响不大；铸锭中间柱状晶区和心部的粗等轴晶区在生产上有较重要的意义，因此认为地控制和改变这两个区域的相对厚度，使之有利于实际产品，有很大意义。 铸锭的组织（晶区的数目、相对厚度、晶粒形状的大小等）除与金属材料的性质有关外，还受浇注和凝固条件的影响。因此当给定某种金属材料时，可借变更铸锭的浇注凝固条件来改变三晶区的大小和晶粒的粗细，从而获得不同的性能。 本实验是通过对不同的锭模材料、模壁厚度、模壁温度、浇注温度及用变质处理和振动等方法浇注成的铝锭的宏观组织的观察，对铸锭的组织形成和影响因素进行初步的探讨，并对金属研究中经常要采用的宏观分析方法进行一次初步的实践。 本实验用以观察的铸锭样品浇注和凝固条件如后表： 三、实验步骤 1. 教师介绍金属宏观分析方法，讲解各样品浇注和凝固条件。 2. 学员轮流观察各种样品，结合已知的浇注和凝固条件分析各样品宏观组织的形成过程。 3. 描述所观察到的各样品的宏观组织。 四、实验报告要求 1. 叙述浇注正常组织的形成过程。 2. 逐一描绘各试样的宏观组织图，分析浇注和凝固条件对铸锭（件）组织的影响。 五、思考题 1. 简述宏观组织的特点及分析方法。
材料科学基础综合实验指导书 （实验四） 课程名称：材料科学基础综合实验 学院：成都理工大学材料与化学化工学院 专业：材料科学与工程 指导老师：管登高，陈善华，王艳， 杨梅，张文涛，张湘辉 年月
实验四、光学金相显微镜的使用和 典型平衡组织的观察与分析实验指导书 成都理工大学材料与化学化工学院指导老师：管登高 [实验名称] 实验四、光学金相显微镜的使用和典型平衡组织的观察与分析 [实验目的] 1．了解利用金相显微镜观察金相显微组织的原理。 2．掌握金相显微镜的构造、工作原理和使用方法。 3．掌握金相组织图片的获取方法。 4. 学会观察分析碳钢平衡状态下的相和组织形貌。 [实验内容] 1．金相试样制备过程和金相分析原理 2．金相显微镜的构造和使用。 3. 金相试样金相显微组织的拍照与分析 [实验设备及材料] 1．实验主要设备：金相显微镜（型号）及其数据采集系统等。 2．实验主要材料：标准样品 （1）工业纯铁：1号样品，铁素体 （2）共析碳钢：5号样品，珠光体（铁素体+渗碳体） （可在2-6号样品中任选一个观察拍照分析） （3）共晶白口铸铁：8号样品，变态莱氏体（珠光体+渗碳体） （可在7-9号样品中任选一个观察拍照分析） [实验原理、步骤及要求] 1．结合金相显微镜实体，仔细了解显微镜的结构——光源、光阑、垂直照明器、暗场和偏光装置；目镜和物镜、物镜的标记等。 图XJP-6A型金相显微镜
金相显微镜是观察金属磨面金相组织的光学仪器，是利用物镜、目镜将金属磨面放大一定倍数，观察金相内部组织的装置。其种类和型式很多，常见的有台式、立式和卧式三类，本实验所用XJP-6A型金相显微镜是台式金相显微镜。金相显微镜是精密光学仪器，使用时要特别细心。自制的金相试样在浸蚀前与浸蚀后要分别进行观察。观察时接通电源，观察结束后，应立即关闭电源。操作时，严禁用手接触摸镜头和其它光学部件。试样要清洁、干燥，不得有残留酒精和浸蚀剂，以免腐蚀物镜。 （1）XJP-6A型金相显微镜说明 常规台式金相显微镜 全封闭光路结构，防尘防外界光干扰设计 明场，偏光，暗场等观察方式可选 同轴式机械载物台，无需压平试样 宽视野双目镜筒，具有视觉补偿功能 照明光源配备对中调节轮，图像明亮均匀 平场消色差物镜组，提供高分辨率图像 易于连接数码，135照相，视频成像 （2）XJP-6A型金相显微镜技术规格 光学系统倒置，明场，偏光，暗场（选配） 放大倍数100×-1250× 观察筒铰链式30°倾斜， 瞳距调节范围：55-75mm 目镜 平场大视野10×，12.5×，视度可调 物镜转盘4孔转盘， 平场消色差10×，20×，40×，100×（油） 载物台机械式载物台， 移动范围：X轴：85mm，Y轴：60mm 调焦低位同轴粗微调旋钮，调焦行程：向上：5mm，向下：2mm 照明系统6V30W卤钨灯，调中视场光阑和孔径光阑，灯丝对中调节 滤色片组转盘式滤色片转换器，兰色、绿色、黄色、中性循环外型尺寸530×220×260mm 2. 领会利用金相显微镜观察金相显微组织的原理，掌握金相显微镜的工作原理和使用方法，如调焦、孔径光阑和视场光阑的调节、暗场使用等。 3．通过观察金相样品，学会金相显微组织的拍照与分析方法，掌握金相组织图片的获取方法。 4．学会观察分析工业纯铁平衡状态下的相和组织形貌。 5．学会观察分析共析碳钢平衡状态下的相和组织形貌。 6．学会观察分析共晶白口铸铁平衡状态下的相和组织形貌。 [实验结果和分析] 1．用铅笔画出金相显微镜的构造图，并标出其各组成部分。 2. 简要说明金相显微镜的操作要点及必须注意的事项。 3．分析工业纯铁平衡状态下的相和组织形貌特点。 4．分析共析碳钢平衡状态下的相和组织形貌特点。 5．分析共晶白口铸铁平衡状态下的相和组织形貌特点。
材料科学基础实验课程教学大纲（实验课程类） 课程名称：材料科学基础实验 英文名称：Material Science Foundation Experiments 课程编号：1200303 面向专业：材料类各专业(金属材料、土木工程材料、电子信息材料、先进材料及成形) 学时学分：3周3学分 本大纲主撰人：王仕勤、庞超明（Tel：52090661，E—mail: wsqwyd@https://www.doczj.com/doc/3a5729646.html,） 一、课程作用和具体目标 本实验课程面向全院材料类各专业（包括金属材料、土木工程材料、电子信息材料、先进材料及成形）学生开设，着重加强与“材料科学基础”课程相关的基本知识、基本理论、基本方法的学习和训练，它是“材料科学基础”课程中的重要环节。通过实验使学生进一步掌握材料晶体学基础理论；掌握相图的基本构成和应用；了解晶体缺陷对形变行为的作用；初步掌握材料实验的主要方法和操作技术，并能对测试结果进行综合评定。从而初步掌握材料研究的基本手段与方法，包括宏观分析方法与微观分析方法。使学生在实验技能和动手能力方面得到系统的训练，以培养从事科研活动严谨的工作作风，培养学生理论联系实际、分析问题和解决问题的能力，提高学生的科研动手能力，为后续课程教学和实验教学打下坚实的基础。
三、教学管理模式与注意事项 1、学生必须完成全部“必做实验”。在此基础上，可根据自己的兴趣爱好、能力强弱和 时间多少，进行“选做实验”。 2、学生在实验前必须认真预习实验指导书等相关内容。教师在实验前作必要的讲解和辅 导。 3、学生应严格遵守实验室规章制度和安全规范，确保安全。 四、设备及器材配置 1、制样设备：砂轮机、切割机、镶嵌机、水磨机、抛光机、电解抛光仪等。 2、加热、温控及加工设备：热处理炉、坩埚电炉、烘箱、温度控制仪、离心机、小型轧 机、大型轧机等。 3、分析测试设备：拉伸机、抗折试验机、抗压试验机、硬度计、体视显微镜、金相显微 镜、荧光显微镜、反光显微镜、偏光显微镜、混凝土气孔分析显微镜。放大机、数码相机、计算机、打印机、分析天平、酸碱滴定管、U型管界面移动电泳仪、离心分离机、李氏瓶、稠度仪、试模、勃氏比表面仪、套筛、沥青延度仪、沥青软化点仪、不透水仪、沥青针入度计、直流稳压电源、水泥水化热测定仪等。 4、各种耗材若干 五、考核与成绩评定 1、采用实验出勤情况、实验报告完成情况以及笔试考试情况综合考核。 2、成绩评定采用优秀、良好、中等、及格、不及格五档评定。(相应于百分制为：大于 等于90、80～89、70～79、60～69、小于60)。出勤情况占10％，实验报告占40％，笔试成绩占50%。 六、教材与参考资料 1、王仕勤、庞超明等材料科学基础实验. 南京：东南大学讲义，2006.6 2、秦鸿根编建筑材料试验指导书. 南京：东南大学讲义，2003.10 3、伍洪标主编无机非金属材料试验. 化学工业出版社，2002.6 4、硅酸盐物理化学实验指导书，南京：东南大学讲义
实验八晶体结晶过程观察及凝固条件对 铸锭组织的影响 （Observation of the crystallization process of crystalloid and the impact of solidification conditions on ingot structure） 实验学时：2 实验类型：操作 前修课程名称：《材料科学导论》 适用专业：材料科学与工程 一、实验目的 ⒈观察盐类的结晶过程： ⒉分析凝固条件对铸锭组织的影响。 二、概述 盐和金属均为晶体。由液态凝固形成晶体的过程叫结晶。不论盐的结晶，金属的结晶以及金属在固态下的重结晶都遵循生核和长大的规律。结晶的长大过程可以观察到，可是晶核的大小不能用肉眼看到，因为临界晶核的尺寸很小，而在试验中只能见到正在长大的晶粒，此刻已经不再是临界尺寸的晶核。金属和盐类晶体最常见到的是树枝状晶体。通过直接观察透明盐类（如氯化铵等）的结晶过程可以了解树枝状晶体（枝晶）的形成过程。 在玻璃片上滴上一滴接近饱和的氯化铵溶液，观察它的结晶过程。随着液体的蒸发，溶液逐渐变浓，达到饱和，由于液滴边缘最薄，因此蒸发最快，结晶过程将从边缘开始向内扩展。 结晶的第一阶段是在最外层形成一圈细小的等轴晶体，结晶的第二阶段是形成较为粗大的柱状晶体，其成长的方向是伸向液滴的中心，这是由于此时液滴的蒸发已比较慢，而且液滴的饱和顺序也是由外向里，最外层的细小等轴晶只有少数的位向有利于向中心生长，因此形成了比较粗大的、带有方向性的柱状晶。结晶的第三阶段是在液滴的中心部分形成不同位向的等轴枝晶。这是由于液滴的中心此时也变的较薄，蒸发也较快，同时溶液的补给也不足，因此可以看到明显的枝晶组织。
实验五形变和再结晶组织观察 一、实验目的 1. 了解金属冷变形后组织的变化； 2. 了解冷变形金属加热时组织发生的变化； 3. 了解冷变形金属再结晶后晶粒度与变形度关系。 二、实验内容 1. 观察纯铁不同程度冷轧变形（10%、50%、70%）的组织。 2. 观察不同变形度纯铁（10%、50%、70%）在720℃退火1h后的晶粒大小。 3. 观察70%冷变形纯铁，在450℃、530℃、600℃、720℃、1000℃退火1h组织的变化。 4. 定量测定不同变形度下退火和70%变形后600℃、720℃、1000℃退火的晶粒尺寸（mm），并作图。 三、说明 金属经塑性变形后，组织发生变化，原始等轴晶粒沿变形方向伸长，变形程度愈大，伸长愈明显，在大变形下，成为纤维状分布，变形组织必须沿变形方向观察。 冷变形金属具有畸变能，处于热力学不稳定状态，加热时要发生变化，当加热温度较低时，因空位的运动和消失，正负刃型位错对消和多边形化而发生回复过程，此时组织未发生变化，仍保持伸长晶粒。加热达到再结晶温度，通过形核长大，形成新的等轴晶粒，发生再结晶过程，再结晶不充分，新的等轴晶粒与伸长晶粒并存。再结晶完成，全部形成新的等轴晶粒，温度继续升高，晶粒长大。若金属有同素异构变化，如纯铁在912℃发生α γ转变，加热超过此温度，则不仅有再结晶后的晶粒长大，而且有相变重结晶引起的晶粒细化，结果较为复杂，需作具体分析。 再结晶后形成的晶粒度与预先变形程度有关，在一临界变形度下，开始形成少数再结晶核心，再结晶后形成粗大晶粒。临界变形度后。临界变形度后，随变形度增加，再结晶核心增多，再结晶后形成细小晶粒，低于临界变形度则不发生再结晶，纯铁的临界变形度大约在5%~6%。 四、实验报告要求 1. 画出不同变形度下纯铁的组织，说明组织特征。 2. 画出不同变形度纯铁720℃退火的晶粒，画出定量测出的晶粒尺寸与变形度关系曲线，分析晶粒大小与预先变形程度的关系。 3. 画出70%变形纯铁在不同温度退火加热后的组织图并加以分析，画出结晶后晶粒尺寸和退火温度关系曲线，并分析。
材料科学基础实验指导书 上海工程技术大学材料工程学院 中心实验室 2003.1
目录 实验一(1)金相显微镜的构造及使用———2 (2)金相试样的制备———————10 实验二铁碳合金平衡组织观察————-—17 实验一（1）金相显微镜的构造及使用一、实验目的
1.了解金相显微镜的光学原理和构造。 2.初步掌握金相显微镜的使用方法及利用显微镜进行显微组织分析 二、概述 利用金相显微镜来观察金属及合金的内部组织及缺陷，是材料研究方法中最基本的实验技术。它在金相研究领域中占有很重要的地位，利用金相显微镜在专门制备的试样上放大 100～1000 倍来观察金属及合金的组织与缺陷的方法称为金属的显微分析法。显微分析方法可以大致了解金属及合金的组织与化学成份的关系；可以确定各类金属经不同的加工与热处理后的显微组织的变化与性能的关系；可鉴别金属材料中存在的缺陷，如各种非金属夹杂物——氧化物，硫化物等在组织中的数量及分布情况，晶粒度大小、裂纹的走向、各种表面组织以及焊接组织的情况等。 在进行显微分析时，使用的主要仪器是金相显微镜。金相显微镜主要是利用光线的反射将不透明物体（如金属，岩石，塑料等）放大后进行观察研究的。在讨论金 相显微镜的构造和应 用之前，需要先简要 地介绍一些有关显微 镜的基本理论。 三、显微镜理论的基 础知识图1—1放大镜的光学原理图 众所周知，放大AB—物体A’B’物象f—焦距 镜是最简单的一种光学仪器，它实际上就是一块凸透镜，利用它就可以将物体放大,其成像光学原理如图 1—1所示。当物体 ( AB ) 放在透镜与其焦点 ( F ) 之间，则经过透镜的光线就会分散开来，从放大镜后面观察，可以看到一个放大了的正虚象 ( A’ B’)，此像的长度与物体长度
实验一金相显微镜的结构与使用（2 学时） 实验学时：2 实验类型：验证 一、实验目的 通过本实验的学习，使学生了解金相显微镜的结构，掌握金相显微镜的使用方法，培养学生的动手操作技能，为今后从事材料的组织分析奠定基础。 二、实验内容 （1）观察直立式与倒立式两种金相显微镜的结构与光路； （2）操作显微镜，比较熟练地掌握聚焦方法，了解孔径光阑、视场光阑和滤光片的作用； （3）熟悉物镜、目镜上的标志并合理选配物镜和目镜； （4）分别在明场照明和暗场照明下观察同一试样，分析组织特征及成因； （5）借助物镜测微器确定目镜测微器的格值。 三、实验原理 （一）金相显微镜的结构 光学金相显微镜的结构一般包括放大系数、光路系统和机械系统三部分，其中放大系统是显微镜的关键部分。 1. 放大系统 （1）显微镜的放大成像原理 显微镜放大基本原理如图1-1 所示。由该图可见，显微镜的放大作用由物镜和目镜共同完成。物体AB 位于物镜的焦点F1 以外，经物镜放大而成为倒立的实像A i B i，这一实像恰巧落在目镜的焦点F2以内，最后由目镜再次放大为一虚像A2B2，人们在观察组织时所见到的像，就是经物镜、目镜两次放大，在距人眼约250mm 明视距离处形成的虚像。
A i B i A 2 B 2 A 2 B 2 AB A i B i AB 说明显微镜的总放大们数 M 等于物镜放大倍数和目镜放大倍数的乘积。目 前普通光学 金相显微镜最高有效放大倍数为 i600~2000倍。 另外，参照图i-i ,如果忽略AB 与F i 、A i B i 与F 2间距，依相似三角形定理 可求出： 式中，△为光学镜筒长度：f 物为物镜焦距。 因光学镜筒长度为定值，可见，物镜放大倍数越高，物镜的焦距越短，物镜 离物体越 近。 (i )透镜象差 透镜在成象过程中，由于受到本身物理条件的限制，会使 影像变形和模糊不清。这种象的缺陷称为象差。在金相显微镜的物镜、目镜以及 光路系统设计制造中，虽将象差尽量减少到很小的范围， 但依然存在。象差有多 种，其中对成象质量影响最大的是球面象差、色象差和象域弯曲三种。 i) 球面象差 由于透镜表面为球面，其中心与边缘厚度不同，因而来自一 点的单色光经过透镜折射后，靠近中心部分的光线偏折角度小， 在离透，镜较远 的位置聚焦；而靠近边缘处的光线偏折角度大， 在离透镜较近的位置聚焦，因而 必然形成沿光轴分布的一系列的象，使成象模糊不清，这种现象称为球面象差。 如图1-2所示。 物镜的放大倍数 目镜的放大倍数 M 物= M 目= A i B i AB A B 2 A i B i 将两式相乘: A i B i AB F i F 2 F i O
实验一差热分析 一．实验目的 1．了解差热分析的基本原理及仪器装置； 2．学习使用差热分析方法鉴定未知矿物及分析被测试样的结构变化等相关信息。二．基本原理 差热分析(DTA，differential thermal analysis)的基本原理是：在程序控制温度下；将试样与参比物质在相同条件下加热或冷却，测量试样与参比物之间的温差与温度的关系，从而给出材料结构变化的相关信息。 自然界的大多数矿物在加热和冷却过程中均有热效应产生。产生热效应的原因是由于物系中某种晶体发生晶型转变、或者分解、脱水、熔化、析晶等物理化学变化，从而会产生吸热或放热效应。差热分析就是通过精确测定物质加热(或冷却)过程中伴随物理化学变化的同时产生热效应的大小以及产生热效应时所对应的温度，来达到对物质进行定性或定量分析的目的。 差热分析是把试样与参比物质(参比物质在整个实验温度范围内不应该有任何热效应，其导热系数，比热等物理参数尽可能与试样相同，亦称惰性物质或标准物质或中性物质)置于差热电偶的热端所对应的两个样品座内，在同一温度场中加热。当试样加热过程中产生吸热或放热效应时，试样的温度就会低于或高于参比物质的温度，差热电偶的冷端就会输出相应的差热电势。如果试样加热过程这中无热效应产生，则差热电势为零。通过检测差热电势的正负，就可推知是吸热或放热效应。在与参比物质对应的热电偶的冷端连接上温度指示装置，就可检测出物质发生物理化学变化时所对应的温度． 不同的物质，产生热效应的温度范围不同，差热曲线的形状亦不相同(如图1-1所示)。把试样的差热曲线与相同实验条件下的已知物质的差热曲线作比较，就可以定性地确定试洋的矿物组成。差热曲线的峰(谷)面积的大小与热效应的大小相对应，根据热效应的大小，可对试样作定量估计。 图1-1 差热分析曲线 三．差热分析仪与药品 （一）差热分析仪 1．仪器组成： 差热分析仪主要由加热炉，试样支撑-测量系统（它主要包括差热电偶、试样容器、均热
实验十塑性变形和再结晶 一、实验目的 1. 研究金属冷变形过程机器组织性能的变化。 2. 研究冷变形金属在加热时组织性能的变化。 3. 了解金属的再结晶温度和再结晶后晶粒大小的影响因素。 4. 初步学会测定晶粒度的方法。 二、实验内容说明 金属经冷加工变形后,其组织和性能均发生变化:原先的等轴晶组织,随着塑性变形量的增大,其晶粒沿变形方向逐渐伸长,变形度越大,则伸长也越显著;当变形度很大时,其组织呈纤维状。随着组织的变化,金属的性能也发生改变:强度硬度增高,塑性则逐渐下降,即产生了“加工硬化”。 经冷变形后的金属加热到再结晶温度时,又会发生相反转变。新的无应变的晶粒取代原先变形的晶粒,金属的性能也恢复到变形前的情况,这一过程称为再结晶。再结晶温度与金属本性、杂质含量、冷变形程度、保温时间、材料的原始晶粒度等有关。再结晶所产生的晶粒大小在很大程度上取决于冷变形程度的大小,在某一变形度变形,再经退火处理后晶粒异常粗大,该变形度称为临界变形度,它使材料性能恶化,是压力加工中切忌的问题。 本实验主要以低碳钢为对象,分析其塑性变形和再结晶过程中显微组织的变化。观察经一定冷变形后不同退火温度下低碳钢的显微组织,测定再结晶度,此外对不同冷变形度的低碳钢材料进行高温退火,测定晶粒度,从而确定临界变形度。 三、实验步骤
1. 教师讲解金属塑性变形与再结晶的组织状态,介绍用对照法、割线法测定晶粒度的方法。 2. 观察纯铁经10%,15%,20%,50%,70%变形度变形后的显微组织。描绘其组织特征。 3. 观察纯铁经70%变形度在400℃,450℃,500℃,600℃,850℃退火半小时后的试样,一组五只,从中找得再结晶后晶粒大小与退火温度之间的定性关系。 4. 观察纯铁经10%,20%,30%,50%,70%五种变形度变形后在850℃退火半小时后组织,分别用对照法和割线法测得其晶粒度,确定其临界变形度的大致范围。 5. 观察并描绘纯铁冷变形的滑移线和冲击载荷下产生的机械双晶及纯锌压延后机械双晶、黄铜的退火双晶。 6. 观察及描绘穿孔之铝片经再结晶退火后的宏观试样。 7. 观察实验室准备的冷变形及再结晶的光学和电镜照片。 四、实验报告要求 1. 分析低碳钢经不同冷变形后的显微组织。 2. 分析金属再结晶温度及再结晶后晶粒度大小的影响因素。 3. 分析冲孔铝片退火后的宏观组织特征及其形成原因。
《材料科学基础》课程实验指导书 实验一金属塑性变形与再结晶 一、实验目的 1、认识金属冷变形加工后及经过再结晶退火后的组织性能和特征变化； 2、研究变形程度对再结晶退火前后组织和性能的影响。 3．讨论冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响。 二、概述 1．显微镜下的滑移线与变形孪晶 金属受力超过弹性极限后，在金属中将产生塑性变形。金属单晶体变形机理指出，塑性变形的基本方式为：滑移和孪晶两种。 所谓滑移，是晶体在切应力作用下借助于金属薄层沿滑移面相对移动（实质为位错沿滑移面运动）的结果。滑移后在滑移面两侧的晶体位向保持不变。 把抛光的纯铝试样拉伸，试样表面会有变形台阶出现，一组细小的台阶在显微镜下只能观察到一条黑线，即称为滑移带。变形后的显微组织是由许多滑移带（平行的黑线）所组成。 在显微镜下能清楚地看到多晶体变形的特点：①各晶粒内滑移带的方向不同（因晶粒方位各不相同）；②各晶粒之间形变程度不均匀，有的晶粒内滑移带多（即变形量大），有的晶粒内滑移带少（即变形量小）；③在同一晶粒内，晶粒中心与晶粒边界变形量也不相同，晶粒中心滑移带密，而边界滑移带稀，并可发现在一些变形量大的晶粒内，滑移沿几个系统进行，经常看见双滑移现象（在面心立方晶格情况下很易发现），即两组平行的黑线在晶粒内部交错起来，将晶粒分成许多小块。（注：此类样品制备困难，需要先将样品进行抛光，再进行拉伸，拉伸后立即直接在显微镜下观察；若此时再进行样品的磨光、抛光，滑移带将消失，观察不到。原因是：滑移带是位错滑移现象在金属表面造成的不平整台阶，不是材料内部晶体结构的变化，样品制备过程会造成滑移带的消失。） 另一种变形的方式为孪晶。不易产生滑移的金属，如六方晶系的镉、镁、铍、锌等，或某些金属当其滑移发生困难的时候，在切应力的作用下将发生的另一形式的变形，即晶体的一部分以一定的晶面（孪晶面或双晶面）为对称面，与晶体的另一部分发生对称移动，这种变形方式称为孪晶或双晶。 孪晶的结果是：孪晶面两侧晶体的位向发生变化，呈镜面对称。所以孪晶变形后，由于对光的反射能力不同，在显微镜下能看到较宽的变形痕迹——孪晶带或双晶带。在密排六方结构的锌中，由于其滑移系少，则易以孪晶方式变形，在显微镜下看到变形孪晶呈发亮的竹叶状特征。（注：孪晶是材料内部晶体结构上的变化，样品制备过程不会造成孪晶的消失。）
《无机材料科学基础》课程介绍 一、课程简介 《无机材料科学基础》是材料科学与工程、材料物理专业、复合材料与工程专业的承前启后的专业基础理论课，其主要任务是使学生掌握本专业的基础理论、基本知识和基本技能。通过本科程学习，要求学生掌握无机材料的结构、性能和物理化学变化规律及它们之间的相互联系，为后续专业课的学习以及从事无机材料领域的生产和科研奠定坚实的理论基础；在掌握本课程所涉及的物理、化学、物理化学、固体物理及量子化学等理论的基础上，学习科学思维方法和研究问题的方法，达到开阔思路、激发探索和创新精神、增强理论分析能力与实践能力的目的。 课程的主要教学内容包括： 1、晶体的几何外形规律与晶体结构要求学生掌握晶体的基本特性、生长规律和对称特点；晶体的理想形态与典型的晶体结构，硅酸盐晶体结构及实际晶体中的结构缺陷等内容。需要建立丰富的空间想象力。 2、硅酸盐聚集系统的结构和性质了解玻璃体结构、性质及玻璃的形成；了解固体表面、界面行为。 3、热力学应用及相平衡掌握热力学有关计算；学会看相图，重点掌握三元相图的分析与应用。 4、过程动力学了解各种扩散机制、扩散规律及影响扩散的因素；固相反应的特点及动力学方程的应用；了解固－液相变机理、核化、晶化过程及影响因素；了解烧结的各种传质机理、烧结速率方程表达式及影响烧结的因素。 本课程的实验教学内容共有2个验证性实验、4个综合性实验和一个设计性实验，具体内容见实验教学。 通过本课的教学，要求掌握晶体结构的特点、结构与性质的关系、实际晶体的缺陷；玻璃体结构、玻璃体与晶体性质差异、玻璃的形成；固体表面、界面行为；热力学有关计算，学会分析与使用相图；各种扩散机制、扩散规律及影响因素；固相反应特点，化学反应与扩散控制的动力学关系与应用；相变的规律，固-液相变的核化、晶化机理和影响因素；固相烧结的各种传质机理、烧结速率方程的表达式与应用。对材料的组成—工艺—结构—性质之间的关系，对无机材料生
材料学 专业代码（080502） 本学科设有金属材料、无机材料和高分子材料三个学科方向，主要研究方向有金属及合金的固态相变及应用，金属基复合材料、功能材料腐蚀与防护金属电化学钝化，功能金属纤维及应用；先进结构陶瓷、功能陶瓷；金属基复合材料、树脂基导电复合材料；功能材料腐蚀与防护、金属电化学钝化；功能高分子材料、高分子膜材料、高分子纳米材料和高性能高分子复合材料。着重于合成方法、合成工艺、结构与性能关系及其相关合成机理的研究。 本学科现有教授6名，副教授8人，其中博士后2人，博士9名，形成了具有较强实力的教学及科研师资队伍，多年来为国家输送了大量高层次人才。近几年先后承担科研项目30余项，省、部级项目15项，包括河北省自然科学基金、国家人事部归国人员重点基金、河北省科技厅基金和石家庄市重大攻关项目等。取得了多相重要研究成果，在新型材料结构研究与分析、高强度导电材料研究、耐磨管道、金属纤维、膜材料的制备与应用、等离子体聚合与改性、原位复合材料研究、电厂用耐热钢、陶瓷内衬钢管、表面工程、无损检测技术、环保、清洁能源、汽车和电子等领域，产生了很大的社会效益和经济效益，其多项研究成果填补国内空白，具有自主知识产权，为我国的经济发展做出了巨大贡献。目前，已在国内外重要学术刊物上发表学术论文150余篇，其中SCI和EI收录50余篇。并获得了多项省部级科学进步奖。经过多年建设和发展，实验室现有力学性能分析和测试设备、大型精密显微镜、扫描电子显微镜SEM、XRD、各种热处理设备以及各种材料成分检测仪器设备、显微硬度计等。材料学学科已经形成了以中青年教师为主、梯度结构合理的教学、科研队伍。 一、培养目标 材料学学科的攻读硕士学位研究生的培养目标是培养德、智、体全面发展的高级专门科技人才，具体目标如下： 1．拥护中国共产党，热爱社会主义，具有良好的道德品质和修养，综合素质高，适应能力强，工作和学习作风严谨，身体健康。 2．有坚实的数学、计算机基础，并能熟悉运用到本学科的理论和实践中；熟练掌握一门外国语。 3．具有坚实的材料学方面的基础理论知识、系统的专业知识，及时了解材料学学科的前沿知识和本学科的科研动向。通过课程的学习和课题研究，具备独立思考问题和解决问题的能力。具有较高的材料设计、软件开发、科研实验的水平，能够独立从事材料学领域及相关学科的教学、科研、技术开发等方面的工作。 二、主要研究方向 1．金属材料及金属基复合材料 2．功能高分子材料及精细化工 3．无机非金属功能材料
《材料科学基础》实验指导书 （材料成型及控制工程专业用） 南昌大学教务处印 二零零六年十月
目录 目录 (2) 实验要求 (3) 实验一金相样品的制备与观察 (4) 一、实验目的 (4) 二、实验内容说明 (4) 三、实验步骤 (4) 四、实验报告要求 (4) 五、思考题 (4) 实验二浇注和凝固条件对铸锭组织的影响 (7) 一、实验目的 (7) 二、实验内容说明 (7) 三、实验步骤 (7) 四、实验报告要求 (7) 五、思考题 (7) 实验三二元合金显微组织分析 (9) 一、实验目的 (9) 二、实验内容说明 (9) 三、实验步骤 (9) 四、实验报告要求 (9) 五、思考题 (9)
实验要求 1.实验前应仔细阅读预习实验指导书及指定的有关资料，做好课前的一切准备。 2.做实验前指导教师进行个别的口头查问，准备不充分者不准进行本次实验。（准备的重点：详见每次实验之指导书内容要求） 3.实验时应严格地遵守仪器操作规程（只能使用指定仪器，其它仪器不得擅自动手）并听从教师的指导。 4.实验时应爱护一切仪器设备，节约材料，实验过程中如发现仪器不正常或破损事故，应马上停止使用，并即时报告老师，损坏者酌情赔偿。 5.实验室内应保持清洁、肃静、不准高声谈论。 6.实验完毕后应随即切断仪器设备的电源。 7.实验数据应当场记录，不允许事后凭记忆追记。每一实验小组在实验完毕后需将实验数据交指导教师审阅，教师签字后把仪器设备擦洗干净、桌面、地面进行打扫，然后才可离开实验室。对教师未签字者需重做。 8.实验报告应认真书写，一般应于实验后三天内学习委员收齐交给教师，实验报告应有过程、有情况、有数据、也有分析，不合格者退回重做。
材料科学与工程专业建设规划材料科学与工程学院材料工程系 2005．9 1材料科学与工程专业建设的目标 1.1 专业建设基本思路 加快教改步伐，通过课程体系建设、加强实践教学环节的调控、科研素质的培养来大力推进专业学科建设，拓宽专业覆盖面，全面推进素质教育，显著提高教学质量和科研水平，建成基础厚实、特色突出、实力较强的专业。 1.2 专业建设整体目标 通过5年乃至更长时间的建设与发展，打造出特色、优势专业，建设成高水平学科，培养出高素质创新型人才。 （l）科学合理地定好自己的位置，确定好人才培养类型和层次。在专业性质上加强材料科学与工程基础、侧重材料制备和表征训练，以现代科学与工程体系为主干构建专业和组织教学，培养“厚基础、宽专业、高素质、强能力、具创新精神、面向生产第一线的优秀工程型人才”。 （2）专业方向紧密结合产业科技进步需要、地方经济及区域经济的发展需要(尤其是高新技术产业的发展需要)。 （3）突出优势，保持和发展自己的办学特色和专业方向特色，提高办学水平。 （4）以教学内容和课程体系改革为中心，以培养目标和培养模式改革为重点，辅以实践教学改革、教学方法和教学手段改革，全面推进、整体优化。形成特色鲜明的人才培养模式、教学计划、课程体系与教学内容。 （5）强化学生大工程意识的培养与训练，培养适应2l世纪时代特征要求的创新性人才，为我国材料产业的产品更新换代、产业科技进步作出贡献。 (6) 把专业建设和学科建设结合起来，通过若干年的努力，打造出特色品牌专业，建设成高水平学科，培养出高素质、创新型人才。 2材料科学与工程专业建设措施 2.1 建立具有特色的人才培养模式 （1）以新的人才培养观确立了本专业的人才培养目标 在专业建设和教学改革的探索和实践中，我们进一步认识到转变教育思想和教育观念以及树立新的人才培养观的重要性。高等工程教育应从“授技型”向“育才型”转变，从单纯传播知识向全面培养学生的能力转变，从狭窄的专业技术教育向提高学生的综合素质转变，应将工程专业技术人员应具有的爱国主义、集体主义、社会责任感、奉献精神、大工程观念、市场经济观念、开拓创新精神、独立深入学习获取知识的能力、分析解决工程技术问题的能力的培养贯穿于整个教育过程之中。 （2）建立起了新的人才培养模式——两段式、三平台、多专业方向 两段式人才培养模式——三年的基础教育阶段和一年的专业技术教育阶段的人才培养过程；基础教育阶段的三级教学平台——通式教育基础教学平台，大学科基础教学平台，按一级学科设置专业基础教学平台；多专业方向。 2.2 以“大学科、大材料、大工程”的人才培养观，以创新的思路构建起了新型课程体系21世纪人才需求对高等教育提出了新要求，我们必须树立素质是前题、能力是关键、知识是载体的新型人才观，以“大学科、大材料、大工程”的意识，以创新的思路构建起新型课