材料科学基础实验
材料科学基础实验教材
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。
材料科学基础实验报告
（1）用砂轮打磨，获得平整磨面； （2）使用金相砂纸按照先粗后细，依顺序进行磨制； （3）在抛光机上进行抛光，获得光亮镜面； （4）用浸蚀剂浸蚀试样磨面； （5）显微镜观察。
四、观察试样
观察记录试样的显微组织
试样 100×
试样 400×
五、实验存在的问题
（1）在进行试样的制备过程中利用砂纸进行打磨时用力不均匀，导致了试样的划痕深浅不一。 （2）其次，试样制作时没有掌握技巧，做了许多无用功。 （3）最后在浸蚀的时候浸蚀时间没有掌握好，试样并不是很完美
实验三 铁碳合金平衡组织观察
一、 实验目的
1、识别和研究铁碳合金(碳钢和白口铸铁)在平衡状态下的显微组织； 2、分析含碳量对铁碳合金显微组织的影响，加深理解成分、组织与性能之间的相互关系
二、实验概述
铁碳合金的显微组织是研究钢铁材料性能的基础。铁碳合金平衡状态的组织是指合金在极 为缓慢的冷却条件下(如退火状态)所得到的组织，其相变过程均按 Fe—Fe3C 相图进行，所以 我们可以根据该相图来分析铁碳合金的平衡组织。
莱氏体+一次渗碳 体
浸蚀剂 4％硝酸酒精溶液 4％硝酸酒精溶液 4％硝酸酒精溶液 4％硝酸酒精溶液
4％硝酸酒精溶液
4％硝酸酒精溶液 4％硝酸酒精溶液
三、实验照片采集分析
铁素体
铁素体
材料名称 含碳量（%） 浸蚀剂 放大倍数
工业纯铁 ＜0.02 4 ％ 硝 酸 100×
酒精溶液
铁素体+珠光体
材料名称 含碳量（%） 浸蚀剂
实验一 金相显微镜的构造及使用
MDJ 型双目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
材料科学基础-实验指导-实验04 浇注和凝固条件对铸锭组织的影响
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。
材料科学基础实验课件
实验设备
介绍实验所需的各种设备和器材 ，如显微镜、热分析仪、光谱仪 等，并简要说明其用途和特点。
设备使用方法
详细介绍实验设备的操作步骤和 方法，包括设备的安装、调试和 使用过程，以确保实验的准确性 和可靠性。
实验操作流程
01
02
03
实验前准备
说明实验前的准备工作， 包括实验材料的选取、设 备的检查和实验环境的准 备等。
实验步骤
详细介绍实验的操作步骤， 包括实验的开始、进行和 结束等阶段，确保实验的 顺利进行。
数据处理与分析
说明实验数据的处理和分 析方法，包括数据的采集、 整理、分析和解释等，以 得出准确的实验结果。
安全注意事项
实验室安全规则
紧急处理方法
强调实验室安全的重要性，遵守实验 室安全规则和操作规程。
说明实验过程中可能出现的意外情况 和紧急处理方法，如火灾、泄漏等， 以提高实验人员的应急处理能力。
材料科学基础实验课件
• 引言 • 材料科学基础实验理论知识 • 实验操作与步骤 • 实验结果分析与讨论 • 实验总结与展望
01
引言
实验目的
掌握材料科学基础实 验的基本原理和方法
培养实验操作技能和 数据分析能力
了解材料的物理和化 学性质及其与结构和 性能的关系
实验背景
材料科学是研究材料的组成、结构、性质和应用的一门科学，与工农业生产、国 防建设和人民生活密切相关。
05
实验总结与展望
实验收获与体会
实验技能提升
通过本次实验，我掌握了材料制 备、表征和性能测试的基本技能，
为后续的科研工作打下了坚实的 基础。
理论知识应用
实验过程中，我深刻体会到了理论 知识与实际操作的结合，加深了对 材料科学基础知识的理解。
无机材料科学基础实验指导书-1
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。
材料科学基础实验报告
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。
材料科学基础实验指南
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。
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数据处理：作２条[ 1－（1－G）1 / 3 ] 2 ~ t关系曲线，应该为直线， 得到反应速度常数，注意比较不同温度下的反应速度常数， 根据反应速度常数计算反应活化能。
思考题
差热分析
相关章节：非晶态的结构与性质、相图与相平衡 目的是认识差热曲线的作用 实验原理
空白曲线 是２个样品座都放的标准样品，目的是消除系统误差 石膏试样升温至300℃ 。
数据记录及处理：按书上数据记录表记录 ；四个待测 样品，根据测得的差热曲线判断样品成分。
结论？思考题
淬冷法研究相平衡
相关章节：相图与相平衡 目的是了解相图的研究方法 实验原理
选定不同组成的试样长时间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。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 随温度而改变的关系。将测试结果记入相图中相应点的位置，绘制出相图。
相关章节：烧结
目的是了解在陶瓷材料、耐火材料、塑料、复合材料等材料的科研和生产中，测定这三
个指标对质量控制有重要意义。
实验原理 阿基米德原理测密度
ｍ１ d L d = ---------------
ｍ１ － ｍ２
ｍ１— 在空气秤量物体时所得物体的质量； ｍ２— 在液体中秤量物体时所得物体的质量； d L — 液体的密度。
物质在加热过程中，由于脱水、分解或相变等物理化学变化，经常会产生吸热或放热效应。 在程序控制温度下，将待测试样与参比物质在相同条件下加热或冷却，待测试样与参比物 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，来达到对物质进行定性或 定量分析的目的。 实验过程与设备：检流计改为数字的；样品的放置在那个样品座 按实验员的要求。
·玻璃的热膨胀系数的测定43 ·陶瓷片的热稳定性测试45
预习报告
实验目的 实验原理
写在实验报告上 注意的是：要自和实验过程 明确实验需要观察的实验现象和数据 思考：可能得出的现象和结论，以及思考题 不懂的地方标出
实验报告：按实验报告书的格式写
字迹清楚、报告整洁
粘土－水系统电动电位的测定
密度
真密度 不含游离水材料的质量与材料的真实体积比
体积密度
不含游离水材料的质量与材料的总体积（包括材料的实体 积和全部孔隙所占的体积）之比
封闭气孔率
气孔率指材料中气孔体积与材料总体积之比 真气孔率
开口气孔率 吸水率：试样放在蒸馏水中，在规定的温度和时间内吸水质量和试样原质量之比。
实验过程及数据记录 为了保证实验数据的准确，要求选用5个小陶瓷片 各个过程的一定要保证足够时间 实验数据记录在书中给出的表中 实验报告中还要写出计算过程
固相反应
相关章节：固相反应 目的是了解固体之间反应的机理及动力学规律 实验原理 什么是固相反应； 固相反应动力学方程：采用转化率G（已反应的反应物量与原始反应物重量的比值）与反
应时间t之间的积分或微分关系来表示。 测量固相反应速率的方法：TG法（失重法）
本实验通过失重法来考察Na2CO3 － SiO2系统的固相反应，并对其动力学规律进行验证。 其动力学规律应该符合杨德方程 ：
实验过程与设备：有很大改进。不用接冷却水，用的是电子天平而不是减码分析天平。 实验是在确定温度下进行，700℃和750℃。
电子天平去皮清零（按O/T键） 然后迅速加入试样（试样在坩埚中摊平，约0.5g或药勺的1/3左右） 坩埚下降到炉中适当位置 同时通过电子天平读取试样重量，此为原始反应物的重量 同时开始记录时间，以后每隔3min记录一次时间和重量（若反应较 快，可以缩短记录数据的间隔时间），记录到重量不发生变化或开 始增加为止，大约5～7次数据。
4.9
3
4.7
4
4.3
5
4.5
注意误差
6
4.1
7
4.9
8
4.6
9
4.3
10
4.2
t=4.5549 = -21.957mv c=25
V=50.248 L=80.003 u=17.562
说明：t-计时平均值s c-样品温度/℃
-电动电位/mv
V-电极两端所加电压/v L-电泳池长度/μm
u-电泳速度μm/s
特点：准确度相当高，测试工作量相当大，对试样要求严格。
实验：Na2O ：2SiO2（Na2CO3和SiO2为原料 ） 750℃ 和900℃ 分别保温30 min 水中淬冷、干燥后制作油浸试样，在显微镜下观测
实验现象：2个温度下，淬冷的样品的状态 显微镜下观测到的现象
得到什么结论？思考题？
材料体积密度、吸水率及气孔率的测定
粘土 －水系统中，在固液 界面上会出现扩散双电层。
根据胶粒移动的方向判断胶粒带电的正负 根据电泳速度的快慢，计算胶体物系的 - 电位的大小
实验设备：BDL-B型表面电位粒径仪测量 注意：该设备自动化程度高，不用测电导率，C值也由BDL-B自动给出
思考题
自动计数，自动计算结果，示例如下：
1
5.3
2
相关章节：固体的表面与界面 目的是了解固体的表面结构与内部不同
实验原理
清洁的单晶固体的表面结构：表面质点受力不均衡，固体表面具有较高的表面能， 表面质点通过结构调整（极化变形）等途径降低自己高的表面能。因此表面往往会形成 扩散双电层结构，表面被负离子屏蔽。
粘土颗粒表面带电原因：摩擦、吸附、电离、同晶取代、表面断键、表面质 点位移等。一般带负电。
分散进行 30学时 实验项目7项 实验指导教师：任课老师+实验员 地点：无机非金属实验中心 3楼 4楼 教材：《无机非金属材料实验》伍洪标主编 实验课成绩：单独评定
实验项目
粘土-水系统 -（电动）电位的测定14 固相反应15 差热分析17 淬冷法研究相平衡16 材料体积密度、吸水率及气孔率的测定39 热学性能综合分析
[ 1－（1－G）1 / 3 ] 2 = Kj t Kj = Aexp（-Q / RT） TG法： Na2CO3 ＋ SiO2 Na2SiO3 ＋ CO2 ↑
恒温下，通过测量不同时间t时失去的CO2的重量，可计算出其对应的转化率G。 作[ 1－（1－G）1 / 3 ] 2 ~ t关系曲线，应该为直线，斜率为反应速度常数。 在根据反应速度常数计算反应活化能。