材料科学基础实验

材料科学基础实验教材一、材料性能与结构本实验教材将首先介绍材料的基本性能，包括力学性能、物理性能和化学性能。

这些性能对于材料的制备、加工和使用有着至关重要的影响。

通过实验，学生将了解和掌握如何测定材料的各种性能，以及如何通过调整材料的结构来改善材料的性能。

二、晶体结构分析晶体结构是决定材料性能的重要因素。

本实验教材将介绍晶体结构的基本知识，包括晶格结构、晶体对称性等。

学生将通过实验掌握如何分析晶体的结构，以及如何利用晶体结构分析结果来预测材料的物理和化学性能。

三、相图与相变相图是研究材料相变的重要工具。

本实验教材将介绍相图的基本原理和应用，包括二元相图、三元相图等。

学生将通过实验了解和掌握如何利用相图来预测材料的相变行为，以及如何通过调整材料的成分和温度来控制材料的相变过程。

四、材料的力学性能材料的力学性能是衡量材料性能的重要指标之一。

本实验教材将介绍各种力学性能的测试方法，包括拉伸、压缩、弯曲、冲击等。

学生将通过实验了解和掌握如何测定材料的各种力学性能，以及如何通过调整材料的成分和结构来改善材料的力学性能。

五、材料的物理性能材料的物理性能包括电学性能、光学性能、热学性能等。

本实验教材将介绍这些性能的测试方法，以及如何通过调整材料的成分和结构来改善材料的物理性能。

学生将通过实验了解和掌握如何测定材料的各种物理性能，以及如何在实际应用中合理选用材料。

六、材料的化学性能材料的化学性能包括耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等。

本实验教材将介绍这些性能的测试方法，以及如何通过调整材料的成分和结构来改善材料的化学性能。

学生将通过实验了解和掌握如何测定材料的化学性能，以及如何在化学腐蚀环境下正确选用材料。

七、材料的制备技术材料的制备技术是材料科学的重要分支之一。

本实验教材将介绍一些常用的材料制备技术，包括熔炼法、沉积法、热压法等。

学生将通过实验了解和掌握如何制备各种材料，以及如何通过优化制备工艺来提高材料的性能。

实验四浇注和凝固条件对铸锭（件）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。

研究表明，铸锭（件）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（件）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（件）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。

3. 简述宏观分析方法。

实验一淬冷法研究相平衡一．实验目的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。

二．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。

淬冷法是用同一组成的试样在不同温度下进行试验。

将试样装入铂金坩埚中，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。

这是可能出现三种情况：（1）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。

（2）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。

（3）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。

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。

本实验用淬冷法验证Na2O-SiO2系统相图，实验中样品的均匀性对试验结果的准确性影响较大，因此，常常将原料制成玻璃以得到组成均匀的样品。

一、实验目的1. 理解材料科学的基本概念和实验方法；2. 掌握材料的微观结构分析方法；3. 学习材料性能的测试方法；4. 培养学生的实验操作技能和科学思维。

二、实验仪器及材料1. 仪器：光学显微镜、金相显微镜、万能试验机、冲击试验机、X射线衍射仪等；2. 材料：金属材料、非金属材料、复合材料等。

三、实验内容1. 材料制备与表征（1）金属材料的制备：将金属原料经过熔炼、浇注、锻造、热处理等工艺制成所需形状和尺寸的试样。

（2）非金属材料的制备：将非金属原料经过成型、烧结、热处理等工艺制成所需形状和尺寸的试样。

（3）复合材料制备：将基体材料与增强材料复合，经过混合、成型、固化等工艺制成所需形状和尺寸的试样。

2. 材料微观结构分析（1）光学显微镜观察：利用光学显微镜观察材料的宏观形貌和微观结构，如晶粒大小、晶界、析出相等。

（2）金相显微镜观察：将材料制成金相试样，利用金相显微镜观察材料的微观结构，如相组成、组织形态等。

3. 材料性能测试（1）力学性能测试：利用万能试验机、冲击试验机等测试材料的抗拉强度、屈服强度、伸长率、冲击韧性等力学性能。

（2）热性能测试：利用热分析仪测试材料的热膨胀系数、热导率、熔点等热性能。

（3）电性能测试：利用电学测试仪器测试材料的电阻率、介电常数等电性能。

4. 材料结构-性能关系研究通过分析材料微观结构、性能测试结果，探讨材料结构-性能关系，为材料设计、制备和应用提供理论依据。

四、实验步骤1. 材料制备：根据实验要求，选择合适的原料，经过熔炼、浇注、锻造、热处理等工艺制成所需形状和尺寸的试样。

2. 材料表征：利用光学显微镜、金相显微镜等仪器观察材料的微观结构，分析材料的组织形态、相组成等。

3. 材料性能测试：根据实验要求，利用万能试验机、冲击试验机等仪器测试材料的力学性能；利用热分析仪、电学测试仪器等测试材料的热性能、电性能。

4. 数据处理与分析：将实验数据进行分析，探讨材料结构-性能关系，为材料设计、制备和应用提供理论依据。

实验一 金相显微镜的原理、结构和使用一、实验目的1. 了解金相显微镜的结构原理，熟悉种种零件的性能和服从。

2. 掌握辨别率的看法及其影响因素。

3. 学会正确操纵金相显微镜。

二、实验原理利用金相显微镜视察金相试样的组织或缺陷的要领称为金相显微阐发。

它是研究金属质料微观结构最根本的一种实验技能，在金属质料研究领域中占有很重要的职位。

在现代金相显微阐发中，使用的主要仪器有光学显微镜和电子显微镜。

这里仅对常用的光学金相显微镜作一般介绍。

（一） 显微镜的根本原理、结构及使用1. 显微镜的根本原理最简单的显微镜可以仅由两个透镜组成。

图1-1为相显微镜成像的光学原理示意图。

图中AB 为被视察的物体，对着被视察物体的透镜O1叫物镜；对着人眼的透镜O2叫目镜。

物镜使物体AB 形成放大的倒立实像A'B'，目镜再将A'B'放大成仍然倒立的虚像A"B"。

其位置正幸亏人眼的明视距离（约250mm ）处。

在显微镜中所视察的就是这个虚像A"B"。

(1) 显微镜的放大倍数放大倍数由下式确定：目物目物f D f L M M M ⋅=⨯= 式中：M —显微镜总放大倍数；M 物—物镜的放大倍数；M 目—目镜的放大倍数；f 物—物镜的焦距；f 目—目镜的焦距；L —显微镜的光学镜筒长度；D —明视距离（250mm ）。

由上式可知：f 物 、f 目越短或L 越长，则显微镜的放大倍数越大。

(2) 物镜的辨别率物镜的辨别率是指物镜能清晰辨别试样两点间最小距离的能力。

物镜辨别率的数学公式为：图1.1 成像光学原理A d 2λ=式中：d —物镜的辨别率；λ—入射光源的波长；A —物镜的数值孔径，它体现物镜的聚光能力。

由公式可知，波长λ越短，数值孔径A 越大，则辨别能力就越高（d 越小），在显微镜中就能看到更细微的部分。

数值孔径A 可由下列公式求出：φηsin =A 式中：η—物镜与物体之间介质的折射率；φ—物镜孔径角的一半，即通过物镜边沿的光芒与物镜轴线所成的角度。

材料科学基础(金属)试验指导书材料科学基础(金属)试验指导书一、实验目的1.了解金属组织在金相显微镜下的形貌特征。

2.熟悉金属的脱碳淬火工艺。

3.测定金属的机械性能。

二、实验原理1.金相显微镜金相显微镜是一种用于观察金属和其他材料组织的光学显微镜。

它可以显示材料的显微结构，如组织、晶体结构、纤维结构等。

金相显微镜能够显示各种金属的相以及其对应的晶体结构，因此，可以对金属的组织进行观察和分析。

2.脱碳淬火工艺脱碳淬火也称洁净度高温淬火，是在高温下进行的淬火工艺，目的是通过提高温度来提高钢材的洁净度。

在脱碳淬火过程中，首先将钢材加热到高温，然后将其冷却到室温。

这个过程可以增加钢材的硬度和强度，但也会使其更加脆化，因此脱碳淬火常常与调质工艺组合使用。

3.机械性能材料的机械性能包括：拉伸强度、屈服强度、断裂伸长率和冲击强度等。

用试验仪器进行拉伸、压缩、弯曲等拉伸强度、屈服强度测试，用冲击试验仪进行冲击试验以获得样品的断裂伸长率和冲击强度。

三、实验设备金相显微镜、脱碳淬火炉、恒温箱、淬火槽、打样机、UNI-WD-10型卡氏硬度计、万能试验机、冲击试验机。

四、实验步骤1.制备金属试样将棒材切割成长度30mm，直径12mm左右的试样，然后在打样机上打磨成30mm×2mm×2mm的块状样品；2.脱碳淬火将制备好的金属试样放入脱碳淬火炉中加热至950℃，保温30min，然后冷却到室温后，样品颜色变为深红色；3.磨光、腐蚀用研磨纸将金属样品磨光，然后用氢氧化钠溶液进行腐蚀处理，腐蚀5~10s，然后清洗干净；4.显微观察将样品放入金相显微镜中观察，观察时应选择透射光源，并调整显微镜的放大倍数，观察组织形貌、晶粒大小和形状、相种类和分布等结构特点。

5.硬度测试用UNI-WD-10型卡氏硬度计对样品进行硬度测试，一块样品测试三次，每次测试量程分别为HRA、HRB、HRC，记录三次测试结果的平均值。

6.拉伸、屈服强度测试用万能试验机对样品进行拉伸、屈服强度测试，测量拉伸强度、屈服强度，为了得到更可靠的数据，应测量3个样品每个样品测试3次。

《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。

材料科学基础实验报告材料科学基础实验报告引言：材料科学是一个广泛而深奥的领域，涉及到材料的性质、结构、合成以及应用等方面。

在材料科学的学习中，实验是不可或缺的一部分。

本次实验旨在通过对材料的基础实验，探究材料的特性和性能，为进一步研究和应用提供基础知识。

实验一：金属材料的力学性能测试本实验选取了常见的金属材料，如铝、铜和钢，通过拉伸试验和硬度测试来研究其力学性能。

首先，我们制备了标准试样，并使用万能试验机进行拉伸试验。

通过记录试样的载荷-位移曲线，我们可以获得材料的强度、延伸性和弹性模量等参数。

同时，我们还使用了洛氏硬度计对试样进行硬度测试，以了解材料的硬度特性。

实验结果表明，不同金属材料具有不同的力学性能，这与其晶体结构和成分有关。

实验二：陶瓷材料的热性能测试陶瓷材料是一类重要的材料，具有优异的耐热性和绝缘性能。

本实验选取了常见的陶瓷材料，如氧化铝和硅酸盐陶瓷，通过热膨胀系数测试和热导率测试来研究其热性能。

我们使用热膨胀仪对试样进行热膨胀系数测试，通过测量试样在不同温度下的长度变化，可以计算出材料的热膨胀系数。

同时，我们还使用热导率仪对试样进行热导率测试，以了解材料的导热性能。

实验结果表明，不同陶瓷材料具有不同的热性能，这与其晶体结构和成分有关。

实验三：聚合物材料的电性能测试聚合物材料是一类重要的材料，具有优异的电绝缘性能和机械柔韧性。

本实验选取了常见的聚合物材料，如聚乙烯和聚苯乙烯，通过电阻率测试和介电常数测试来研究其电性能。

我们使用四探针电阻计对试样进行电阻率测试，通过测量试样的电阻和几何尺寸，可以计算出材料的电阻率。

同时，我们还使用介电常数测试仪对试样进行介电常数测试，以了解材料的电绝缘性能。

实验结果表明，不同聚合物材料具有不同的电性能，这与其分子结构和链状排列有关。

实验四：复合材料的力学性能测试复合材料是一类由两种或多种不同材料组成的材料，具有优异的力学性能和应用潜力。

本实验选取了常见的纤维增强复合材料，如碳纤维增强聚合物复合材料，通过弯曲试验和冲击试验来研究其力学性能。