材料科学基础实验指导书

材料科学基础实验指导书适用专业：材料物理总学时：32学时目录实验一铁磁性材料居里温度的测定 (3)实验二材料导热系数的测定 (7)实验三润湿角（接触角）的测定 (10)实验四四探针法测量半导体电阻率 (14)实验五示波器法测定铁磁性材料的磁化曲线和磁滞曲线 (19)实验六拉伸实验 (26)实验七铸铁显微组织的观察 (32)实验八碳钢金相试样的制备、组织观察及力学性能的测定 (39)实验一铁磁性材料居里温度的测定铁磁性物质的磁性随温度的变化而变化，当温度上升到某一温度时，铁磁性材料就由磁性状态转变为顺磁性状态，即失掉铁磁性物质的特性而转变为顺磁性物质，这个温度称之为居里温度，以T C表示，测量T C不仅对磁性材料、磁性器件的研制、使用，而且对工程技术以及家用电器的设计都具有重要的意义。

[实验目的]1. 初步了解铁磁性物质由铁磁性转变为顺磁性的微观机理；2. 学习用JLD-Ⅱ型居里点测试仪测量居里温度的原理和方法；3. 测定5个低温温敏磁环的居里温度。

[实验装置]JLD-Ⅱ型居里点测试仪一套（主机一台，加温炉一台，样品5只）。

[实验原理]1.基本原理在铁磁性物质中，相邻原子间存在着非常强的交换耦合作用，这个相互作用促使相邻原子的磁矩平行排列起来，形成一个自发磁化达到饱和状态的区域，这个区域的体积约为10-8m3，称之为磁畴。

在没有外磁场作用时，不同磁畴的取相各不相同，如图1所示。

因此，对整个铁磁物质来说，任何宏观的方向，任何宏观区域的平均磁矩不再为零，且随着外磁场的增大而增大。

当外磁场增大到一定值时，所有磁畴沿外磁场方向整齐排列，如图2所示，任何宏观区域的平均磁矩达到最大值，铁磁物质显示出很强的磁性，我们说铁磁物质被磁化了，铁磁物质的磁导率μ远远大于顺磁物质的磁导率。

外磁场方向图1 图2铁磁物质被磁化后具有很强的磁性，但这种磁性与温度有关，随着铁磁物质温度的升高，金属点阵热运动的加剧会影响磁畴磁矩的有序排列，但在未达到一定温度时，热运动不足以破坏磁畴磁矩的平行排列，此时任何宏观区域的平均磁矩仍不为零，物质仍具有磁性，只是平均磁矩随温度升高而减小。

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。

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。

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（金属）试 验 指 导 书编者：赵品景勤等教务处2006 年 11月引论一、遵守实验室的规章制度1.实验时应严肃认真，保持安静。

2.爱护仪器，并应严格遵守操作规程。

3.非本实验所用设备及仪器切勿任意动用。

4.实验完毕后，应将设备仪器恢复到原来正常状态。

5.发生损坏、丢失仪器、设备、工具等，根据具体情况，给予批评教育或赔偿处理。

二、做好实验前的准备工作1.预习实验指导书，明确本次实验的目的、方法和步骤。

2.结合课堂有关内容，弄清本次实验的基本原理。

3.对实验所用仪器，实验前要有一定的了解，阅读教材有关仪器的工作原理和使用说明。

4.明确本次实验需要记录的数据项目及数据处理的方法，实验前做好记录表格，并初步估计实验的预期结果。

三、实验要求1.实验前认真听指导老师对本次实验的讲解。

2.清点实验所用的仪器及有关器材，发现问题及时报告。

3.实验时严格按照实验指导书中要求的实验方法与步骤逐步进行实验。

4.对带电的实验装置及仪器，接线后应经老师检查确定无误后，才能开始实验。

5.实验中应注意观察，若发现异常现象（如发烫、冒烟、有味等）应立即切断电源，保持现场，报告指导老师，排除故障后方可继续实验。

6.仔细观察实验现象，随时进行分析，记录下全部所需测量数据，以及所用仪器的型号、精度、量程、最小分度等，还需记录下实验时的环境温度，对原始数据不得随意修改。

7.教学实验是培养学生动手能力的一个重要环节，因此学生在实验小组中虽有一定的分工，但每个学生必须亲自动手，完成所有的实验环节。

8.实验记录需交老师审阅，如不符合要求，应重做。

四、撰写实验报告实验报告是实验的总结，通过实验报告的书写，可以提高学生的分析能力，因此报告必须由每个学生独立完成。

报告要求整洁、清楚，要有分析及讨论，一般实验报告应具有下列基本内容：1. 实验名称、实验日期、室温、实验者及同组者。

2. 实验目的。

3. 实验原理、方法及步骤简述。

4. 实验所用的仪器设备名称、型号、精度、量程等。

实验一碳钢的热处理实验一、实验目的1. 熟悉碳钢的基本热处理（退火、正火、淬火及回火）工艺方法。

2. 了解含碳量、加热温度、冷却速度等因素与碳钢热处理后性能的关系。

3. 分析淬火及回火温度对钢性能的影响。

4. 学会采用不同的热处理工艺，将会得到不同的组织结构，从而使钢的性能发生变化。

二、实验内容和要求热处理是一种很重要的金属加工工艺方法，热处理的主要目的是改善钢材性能，提高工件使用寿命。

钢的热处理工艺特点是将钢加热到一定的温度，经一定时间的保温，然后以某种速度冷却下来，通过这样的工艺使钢的性能发生改变。

热处理之所以能使钢的性能发生显著变化，主要是由于钢的内部组织发生了质的变化。

采用不同的热处理工艺过程，将会使钢得到不同的组织结构，从而获得所需要的性能。

普通热处理的基本操作有退火、正火、淬火及回火等。

热处理操作中，加热温度、保温时间和冷却方式是最重要的三个关键工序，也称热处理三要素。

正确选择这三种工艺参数，是热处理成功的基本保证。

Fe-FeC 相图和C-曲线是制定碳钢热处理工艺的重要依据。

实际加热时的临界点标注为：Ac1、Ac3、Ac cm实际冷却时的临界点标注为：Ar1、Ar3、Ar cm1、加热温度（1）退火加热温度：完全退火加热温度，适用于亚共析钢，Ac3+（30~50℃）；球化退火加热温度，适用于共析钢和过共析钢，Ac1+（30~50℃）。

（2）正火加热温度：对亚共析钢是Ac3+（30~50℃）；过共析钢是Ac cm+（30~50℃），也就是加热到单相奥氏体区。

（3）淬火加热温度：对亚共析钢是Ac3+（30~50℃）；对共析钢和过共析钢是Ac1+（30~50℃）。

（4）回火温度：钢淬火后必须要回火。

回火温度决定于最终所要求的组织和性能。

按加热温度，回火可分为低温、中温及高温回火三类。

2、加热时间热处理加热时间与许多因素有关，例如工件的尺寸、形状、使用的加热设备、装炉量、钢的种类；热处理类型、钢材的原始组织、热处理的要求和目的等。

材料科学基础材料科学基础材料科学基础-I 实验指导书编者：李慧高振山审核：张静武实验简介材料科学基础实验是验证、巩固和补充课堂讲授的理论知识的必要环节，通过材料科学基础实验，培养学生初步具备金属材料组织观察与分析等实际工作的能力，正确处理实验数据的能力，运用所学的理论解决实际问题的能力，分析和综合实验结果以及撰写实验报告的能力。

本课程的实验内容：1 本课程的实验内容：1、观察显微镜镜下滑移线（滑移带）的特征；2 （滑移带）的特征；2、了解冷变形对金属显微组织和性能的影响；3 性能的影响；3、了解变形度、再结晶退火温度、再结晶退火保温时间对再结晶退火后晶粒大小的影响。

4 晶退火保温时间对再结晶退火后晶粒大小的影响。

4、了解摄影金相显微镜的基本组成；5 了解摄影金相显微镜的基本组成；5、初步掌握金相显微数码摄影的基本操作；6 微数码摄影的基本操作；6、学会金相显微图像处理软件的使用。

实验一金属塑性变形与再结晶组织观察一、实验目的1. 观察显微镜镜下滑移线（滑移带）的特征；2. 了解冷变形对金属显微组织和性能的影响；3. 了解变形度、再结晶退火温度、再结晶退火保温时间对再结晶退火后晶粒大小的影响。

二、实验原理在外力作用下应力超过金属的弹性极限时金属所发生的永久变形称为塑性变形。

1 滑移线及滑移带滑移是指晶体相邻的两部分沿着某一晶面在某个晶向上彼此间作相对的平行滑动。

滑移后在滑移面两侧的晶体位向关系保持不变。

将抛光的试样变形，在试样表面会有若干组台阶出现，在光学金相显微镜下可现察到如图1 镜下可现察到如图1所示的图像。

图中那些相互平行或交叉的细线，通常称为滑移线。

自从电子显微镜问世后，人们发现光学金相显微镜下的滑移线并不是一条线，而是由一系列相互平行的更细的线组成的。

因此，在金属学中便把在普通金相显微镜下看到滑移线称为滑移带，而把组成滑移带的那些更细的线称为滑移线。

2 变形度对金属组织和性能的影响金属经塑性变形后，不但其外形发生改变，而且晶粒形状也发生明显变化。