物理学院_材料类专业_材料综合设计实验指导书 (1)

材料类专业

《材料综合设计与技能训练》教学指导书

课程编号：1037011023

撰写人：喻更生黄勇力马颖钟向丽审核人：陈尚达

湘潭大学

材料与光电物理学院

二○○七年十一月十日

前言

一、实验总体目标

材料综合设计与技能训练是继专业实验后的一门重要的实验课程，具有较强的综合性和技术性。

本课程的主要目的是：学生经过专业基础实验和专业实验的培训准备后开设本课程，通过实验，使学生加深理解并验证巩固课堂专业理论教学内容，掌握专业理论的实验方法，培养学生使用专业实验设备、测试和整理实验数据资料以及编写实验报告的能力，初步掌握材料制备、性能检测等基本技术；使学生对专业实研设备在教学、科研和实际应用中的作用有较为深刻的理解。

二、适用专业年级

四年级材料物理、材料科学与工程专业学生

三、先修课程

大学物理、材料科学基础、材料分析测试技术、专业基础实验、专业实验

四、实验项目及课时分配

五、实验总体要求

１．学习材料研究领域中的一些基本材料制备技术，掌握有关仪器的性能和使用，掌握计算机在实验中的一些基本应用技术。

２．学习各种材料性能检测的方法，培养学生的创新思想与创新能力，培养他们在实验过程中发现问题、分析问题和解决问题的能力。

３．通过实验预习，培养学生查阅文献，阅读资料，选择、拟定实验方案的能力；实验后，通过对实验现象的分析、实验数据的处理及对实验结果的综合等，提高学生撰写实验报告的能力。

４．通过学习某些前沿领域中的材料性能检测实验，开阔学生的眼界，激发学生的创新意识，培养学生使用新设备，新仪器及采用新技术的能力。

５．提高学生的综合素质，培养他们实事求是、踏实细致、严肃认真的科学态度和克服困难的坚韧不拔的工作作风。

六、本课程实验的重点、难点及教学方法建议

1．材料综合设计与技能训练涉及到材料研究中一些新的材料制备方法、性能检测技术以及新的实验原理和实验仪器，如何制备出较好的样品，如何获得材料准确可靠的性能，这些既是该课程的重点也是难点所在。

2．本课程的教学方式为开放式教学，学生在教师指导下独立进行实验，每个实验都可给学生留思考题，引导学生进行总结，加深对基本理论和实验方法的理解。

3．严格本课程的考核。考试以实验操作为主，根据学生独立操作能力结合实验报告给予综合评定，或部分实验安排面试，但不安排试卷考试。

目录

实验一合金综合设计实验

实验二功能薄膜制备以及结构与性能分析综合设计实验实验三纳米材料制备与结构表征综合设计实验

实验四材料微观结构及力学性能的测试分析

实验五材料的计算与模拟

实验一合金综合设计实验

一、指导思想

我院有材料科学与工程和材料物理2个本科专业，已经开设了《材料科学基础》、《材料加工》和《测试技术》等专业课程。为了配合课堂教学，提高学生的动手和动脑能力，在实践教学环节中不仅要让学生做验证型的实验，还要做测试型、综合型和设计型实验。合金综合设计型实验是根据教学的需要，将各个孤立的实验贯穿起来组织与安排实验，这样既丰富了课题内容，又克服由单纯验证型实验或测试型实验的孤立进行而造成理论与实际联系不够紧密的现象，这样可以将所学知识有机地联系起来，既加深了对知识地系统理解，又拓宽了解决问题地思路和能力。

二、实施办法

综合设计实验是在教师指导下，学生根据实验题目、实验任务，独立完成确定实验方案、拟定实验程序，选择实验仪器并进行实验操作、观察、记录，进行数据处理，写出实验报告或科学论文。

由于选题多样化，灵活多变，又要有创造性，一般实验分为以下几个阶段：

查阅、翻译大量文献资料

选择题目

撰写立题报告

立题答辩

答辩内容含立题依据（实验意义和价值）、具体方案、实施手段、测试方法、预期结果、工作计划等。在老师的许可下进行下一步实验过程。

实验准备（原材料，设备，仪器和工具等）

材料的制备和处理

性能测试

分析实验数据

撰写实验报告

撰写实验报告，要大量有针对性地查阅资料、文献以充实课题理论。要将实验得到的数据进行分类、归纳、整理并进行处理分析，找出规律性或用数理统计方法建立关系式或经验公式。

三、教学内容

实验一：合金成分设计

参考合金相图，

实验二：合金的制备

真空熔炼炉里熔炼母合金，铜模吸铸法，该方法是将高纯母合金（≥99. 9％）熔化后，将熔体从坩锅中吸铸到水冷铜模内（实验设备示意图），形成具有一定形状和尺寸的块体材料。铜模吸铸法制备非晶合金具有以下特点：(1)制备工艺简单；(2)可以制备出化学成分配比精确的非晶合金试验中合金成分配定好后，母合金在通有氩气气氛的电弧炉中熔炼，原料为高纯金属，其纯度≥99.9 %，熔炼温度约为1000℃，然后以0.1 MPa的压力差，将熔融金属注入水冷铜模中,得到Φ3 70mm的铸态试棒。为保证母合金成分的均匀性，每个铸锭至少反复熔炼4～5次以上，每个铸锭的质量为30～50 g。

铜模吸铸法设备简图

实验三：热处理工艺操作

热处理的目的是改变合金的性能，它的工艺特点就是利用合金在固态下加热、保温和冷却，以改变其组织结构，从而获得所需要的性能。热处理工艺分为退火、正火、淬火和回火等。

1. 加热温度的确定

要查阅相关文献，参考其他人的实验过程，据根自己的工作实际情况作适当调整。热处理加热温度不能过高，否则会使工件的晶粒粗大、氧化、变形、开裂倾向增加。但加热温度过低，也达不到要求的效果。

2. 加热时间的确定

热处理的加热时间（包括升温与保温时间）与合金的成分、热处理方法等许多因素有关。因此，要确切计算加热时间是比较复杂的。在实验室中，通常将合金放入炉中后，当炉温恢复到指定温度，从此刻到合金出炉的一段时间为加热时间。根据经验，在箱式电炉中加热，按直径（或厚度）每毫米保温一分钟计算。

3. 冷却方式

根据需要自己选择退火、正火、淬火和回火等，以达到控制组织。

实验四：组织观察

金相试样的制备过程包括取样、磨制、抛光、浸蚀等几个步骤。制备好的试样应能观察到真实组织、无磨痕、麻点与水迹，并使金属组织中的夹杂物、石墨等不脱落。否则将会严重影响显微分析的正确性。

1. 取样

取样的部位及磨面的选择，根据检验金属材料或零件的特点，加工工艺及研究目的进行选择，取其具有代表性的部位。

2. 磨制

磨制分为粗磨和细磨。粗磨可使用砂轮机或锉刀锉平，目的是为了将试样修整成平面。细磨分手工和机械磨制（在予磨机上磨制），目的是消除粗磨留下的磨痕，为抛光作好准备。细磨时，将粗磨好的试样用水冲洗并擦干后，手持试样同一个方向在砂纸上向前推时磨制，回程时提起试样不与砂纸接触，磨制时，依次由粗到细的各号金相砂纸上把磨面磨平，每更换一道砂纸，应将试样上磨屑和砂粒清除干净并将试样的研磨方向调转90°，与上一道磨痕方向垂直，直到磨痕全部消除。按砂纸的粗细程度，由粗到细更换4~5道砂纸即可。

3. 抛光

抛光的目的在于去除细磨时磨面上遗留下来的细微磨痕和变形层，以获得光滑的镜面。常用的抛光方法有机械抛光，电解抛光和化学抛光三种，其中以机械抛光应用最广。机械抛光是在专用的抛光机上进行。抛光机主要由电动机和抛光圆盘（φ200~300mm）组成，抛光盘转速为200~600转/分。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