材料工程基础综合实验
《材料科学与工程专业综合实验》课程教学大纲
2
4研究
4-3：能够对实验结果进行分析和解释，并通过信息综合得到合理有效的结论。
0.3
3
5使用现代工具
5-3：能够针对材料相关复杂工程问题，开发或选用满足特定需求的现代工具，进行预测与模拟，并能够理解其局限性。
0.2
四、实验内容及学时分配
实验内容
实验教学要求
对应课程目标
学时
分配
分组人数
实验属性
材料科学基础、材料工程基础、材料性能学、材料现代分析方法
一、实验课程简介
《专业综合实验》是材料科学与工程专业的一门实验课程，是在学生具备专业基础知识和实验技能以后开设的综合性实验，旨在提高学生系统运用所学专业知识和技能的能力，提高学生的工程意识，为今后从事材料的生产和科学研究工作奠定基础。在本课程中，学生需要根据设定的实验题目，自主选择实验课题；再根据实验对象特征，开展资料调研，设计实验方案，安全开展材料的加工和测试实验，正确采集实验数据；选择恰当的数据处理软件，对实验数据进行处理和分析，并对实验结果进行分析和解释，形成实验报告。
（1）能够根据实验对象特征，开展资料调研，设计工艺流程和实验方案，安全开展材料的加工实验，正确采集实验数据。
1
6天
2-3人
设计性、综合性实验
（2）选择与使用恰当的现代分析仪器和数据处理软件进行的材料检测和数据处理。
3
2天
（3）对实验结果进行分析和解释，并通过信息综合得到合理有效的结论，形成实验报告。
未能够根据实验对象特征，选择或使用满足特定需求的现代分析仪器和数据处理软件，进行材料检测和数据处理。
能够根据实验对象特征，选择或使用满足特定需求的现代分析仪器和数据处理软件，进行材料检测和数据处理，仪器和软件的选择和使用较恰当，数据处理较正确。
工程材料及材料成型基础实验报告
实验一金属材料硬度的测定实验一、实验目的1、了解布氏硬度和洛氏硬度的测定方法。
2、掌握布氏、洛氏硬度试验计的基本构造和操作方法。
二、实验内容及步骤1、布氏硬度的测定布氏硬度的测定在HB-3000型布氏硬度机上进行。
(1)实验原理布氏硬度数值通过布氏硬度试验测定。
布氏硬度试验是指用一定直径的球体（钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入被测材料或零件表面，经规定保持时间后卸除试验力，通过测量表面压痕直径来计算硬度的一种压痕硬度试验方法。
布氏硬度值是试验力除以压痕球形表面积所得的商。
使用淬火钢球压头时用符号HBS，使用硬质合金球压头时用符号HBW，计算公式如下：HBS（HBW）=0.102式中：F—试验力（N）；D—球体直径（mm）；d—压痕平均直径（mm）。
由上式可以看出，当F、D一定时，布氏硬度值仅与压痕直径d的大小有关。
所以在测定布氏硬度时，只要先测得压痕直径d，即可根据d值查有关表格得出HB值，并不需要进行上述计算。
国家标准GB231-1984规定，在进行布氏硬度试验时，首先应选择压头材料，布氏硬度值在450以下（如灰铸铁、有色金属及经退火、正火和调质处理的钢材等）时，应选用钢球作压头；当材料的布氏硬度值在450~650时，则应选用硬质合金球作压头。
其次是根据被测材料种类和试样厚度，按照表1—1所示的布氏硬度试验规范正确地选择压头直径D、试验力F和保持时间t。
布氏硬度习惯上只写出硬度值而不必注明单位，其标注方法是，符号HBS或HBW之前为硬度值，符号后面按以下顺序用数值表示试验条件：球体直径、试验力，试验力保持时间（10~15s不标注）例如：120HBS10/1000/30，表示直径10mm钢球在9.80KN（1000kgf）的试验力作用下，保持30s测得的布氏硬度值为120。
500HBW5/750，表示用直径5mm的硬质合金球在7.35KN（750kgf）试验力作用下，保持10~15s测得的布氏硬度值为500。
综合实验一 铝合金制备
综合实验一铝合金制备、加工及改性实验1.1 铝合金的熔炼、铸锭与固溶-时效处理实验指导书实验学时：4 实验类型：综合、设计型前修课程名称：材料工程基础适用专业：材料类本科生一实验目的掌握铝合金熔化的基本原理，并应用在熔化的实践中。
熔炼是使金属合金化的一种方法，它是采用加热的方式改变金属物态，使基体金属和合金化组元按要求的配比熔制成成分均匀的熔体，并使其满足内部纯洁度，铸造温度和其他特定条件的一种工艺过程。
熔体的质量对铝材的加工性能和最终使用性能产生决定性的影响，如果熔体质量先天不足，将给制品的使用带来潜在的危险。
因此，熔炼又是对加工制品的质量起支配作用的一道关键工序。
而铸造是一种使液态金属冷凝成型的方法，它是将符合铸造的液态金属通过一系列浇注工具浇入到具有一定形状的铸模（结晶器）中，使液态金属在重力场或外力场（如电磁力、离心力、振动惯性力、压力等）的作用下充满铸模型腔，冷却并凝固成具有铸模型腔形状的铸锭或铸件的工艺过程。
铝合金的铸锭法有很多，根据铸锭相对铸模二实验内容铝铜合金的熔炼工艺流程铝合金铸锭方法连续铸造法无模铸造（无接触铸造）：电磁铸造等三实验要求严格控制熔化工艺参数和规程1. 熔炼温度熔炼温度愈高，合金化程度愈完全，但熔体氧化吸氢倾向愈大，铸锭形成粗晶组织和裂纹的倾向性愈大。
通常，铝合金的熔炼温度都控制在合金液相线温度以上50～100℃的范围内。
从图1的Al-Cu相图可知，Al-5%Cu的液相线温度大致为660～670℃，因此，它的熔炼温度应定在710（720）℃～760（770）℃之间。
浇注温度为730℃左右。
图1 铝铜二元状态图2．熔炼时间熔炼时间是指从装炉升温开始到熔体出炉为止，炉料以固态和液态形式停留于熔炉中的总时间。
熔炼时间越长，则熔炉生产率越低，炉料氧化吸气程度愈严重，铸锭形成粗晶组织和裂纹的倾向性愈大。
精炼后的熔体，在炉中停留愈久，则熔体重新污染，成分发生变化，变形处理失效的可能性愈大。
材料综合实验-第一讲
第一讲 材料宏观分析
• 宏观检测方法——侵蚀 法： • 举例3：铝合金粗晶环
形成原因： 产品热处理后,晶粒大小不 一,周边的晶粒特别粗大形成环 状组织,叫粗晶粒,其原因为: 挤压变形不均匀，外层金 属受到模子工作带摩擦，物理 变形程度比中心大，使晶粒破 碎严重，淬火加热时温度过高 或保温时间过长，使得表面晶 粒迅速再结晶长大，在表面形 成粗晶环。 危害：锻造时容易开裂，若保留 在锻件表层，会降低性能，因 此使用前应车去。
第一讲 材料宏观分析
钢铁材料的宏观缺陷：裂纹、疏松、孔隙、 偏析、白点、夹杂、粗晶、脱碳、翻皮 等。 宏观检测方法： 破坏性分析：侵蚀法、印痕法、断口法等 非破坏性分析：无损检测（磁粉探伤、超 声波探伤、射线探伤等）
第一讲 材料宏观分析
举例： 1、H危害: 温度升高,H的溶解度升高.BCC结构氢的溶解 量少,FCC结构氢溶解多. 高温固溶于钢中的氢原子,由于冷速快来不及扩 散出来,固溶在晶格中.一旦形成分子产生巨大的应 力,钢开裂(有争论)称为白点 2、热脆问题: S与Fe形成FeS,而FeS又与铁形成共晶体,熔 点985 ℃分布晶界上.锻造轧制时共晶体熔化使晶粒 分离,导致钢材开裂. 控制:减少硫含量; 加Mn形成MnS
绪论
• 举例1：深层渗碳轴套淬火裂纹问题 材料20CrNiMo 锻造 正火 机加工 深层渗碳 淬火 回火 磨削 磨削前发现渗层表面出现裂纹 讨论问题1:提出分析原因方法? 合理设计试验方案——进行试验验证——找出原 因——给出解决方案 • 关键掌握:基本原理;各种实验技术及应用范围;
绪论
• 本课程的目的： 1、深入的讨论已掌握的理论知识和常用的试验原理方法； 2、针对具体问题，培养综合应用多种实验技能、合理设计试验方 案、解决实际问题的能力； 3、了解近现代先进实验方法的基本原理与应用范围 课程内容与要求： 课堂+操作+自学 成绩评定：课堂10%+实验45%+考试45% 参考资料: 1)材料实验技术(东南大学出版社); 2)过去用过的材料试验方面教材(如电镜;X光) 3)课堂讲解内容 说明:以钢铁材料为例进行讲解试验,完全可以应用到其他材料中.
《材料科学与工程综合实验》课程教学大纲(本科)
材料科学与工程综合实验（Comprehensive Experiments of Materials Science and Engineering）课程代码：07410085学分：1学时：32先修课程：材料科学基础，材料科学研究方法，材料测试方法，材料力学性能，材料物理性能适用专业：复合材料工程教材或实验指导书：（选填）一、课程性质与课程目标（一）课程性质本课程针对材料科学与工程大类专业完成本专业的基础课程的理论学习后开设的对应实验课程，旨在为培养学生实际动手操作能力，加深学生对材料科学与工程先导课程中基础理论知识的理解，学会综合运用各种测试方法、表征手段与工具等解决材料科学与工程实际问题的能力。
（二）课程目标（根据课程特点和对毕业要求的贡献，确定课程目标。
应包括知识目标和能力目标。
）课程目标1：掌握材料科学研究所需的各种微观组织表征手段，如X射线衍射仪、光学金相显微镜、扫描电镜、透射电镜等设备用于表征材料的微观结构；课程目标2：掌握材料科学研究所需的各种力学和物理性能测试方法如硬度、拉伸和压缩试验、冲击韧性、摩擦磨损等力学性能测试手段和热膨胀系数、导电性等物理性能测试手段用于获得材料内在的性能参数；课程目标3：掌握利用文字报告、图表等对材料科学与工程领域的实验数据的表达和解析能力。
注：工程类专业通识课程的课程目标应覆盖相应的工程教育认证毕业要求通用标准；（三）课程目标与专业毕业要求指标点的对应关系本课程支撑专业培养计划中毕业要求指标点：1.毕业要求指标点3-2. 能够在社会、环境、法律等现实约束条件下，通过技术经济环境评价对设计方案的可行性进行研究。
2.毕业要求指标点4-4. 能对实验数据或结果进行正确的分析和解释，并通过信息综合归纳总结有效的结论。
注：课程目标与毕业要求指标点对接的单元格中可输入“✓”，也可标注“H、M、L”。
二、本课程开设的实验项目注：1.类型：指验证性、综合性、设计性等；2.要求：指必做、选做。
材料科学与工程基础实验样本
实验一薄膜光学性能的测试一、实验目的1. 了解紫外- 可见分光光度法的基本原理及主要功能。
2. 掌握吸光度、透光度和吸光系数的基本概念。
3. 掌握拉曼光谱的基本原理。
4. 掌握谱图数据处理的方法。
二、实验原理( 一) 紫外- 可见分光光度法的基本原理紫外- 可见分光光度法(ultraviolet-visible spectrophotometry, UV-VIS)是利用物质的分子或离子对某一波长范围的光的吸收作用, 对物质进行定性分析、定量分析及结构分析, 所依据的光谱是分子或离子吸收入射光中特定波长的光而产生的吸收光谱。
按所吸收光的波长区域不同, 分为紫外分光光度法和可见分光光度法, 合称为紫外- 可见分光光度法。
物质对光的吸收是选择性的, 利用被测物质对某波长的光的吸收来了解物质的特性, 这就是光谱法的基础。
经过测定被测物质对不同波长的光的吸收强度( 吸光度) , 以波长为横坐标, 吸光度为纵坐标作图, 得出该物质在测定波长范围的吸收曲线。
无机化合物的紫外-可见吸收光谱主要是由于: 1) f 电子跃迁吸收光谱, 镧系和锕系元素的离子对紫外和可见光的吸收是基于内层 f 电子的跃迁而产生的。
2) d电子跃迁吸收光谱，过渡金属的电子跃迁类型为d电子在不同 d 轨道间的跃迁, 吸收紫外或可见光谱。
3) 电荷迁移光谱, 某些分子既是电子给体, 又是电子受体, 当电子受辐射能激发从给体外层轨道向受体跃迁时, 就会产生较强的吸收, 这种光谱称为电荷迁移光谱。
紫外可见分光光度计有单光束和双光束两种。
这里简单介绍一下天津港东UV-3501S 单光束型的紫外可见分光光度计的结构,如图1-1所示。
图1-1紫外可见分光光度计的结构其中：光源提供能量激发被测物质；单色器将来自光源的连续光谱按波长 顺序色散，并从中分离出一定宽度的谱带，获得所需单色光；吸收池用于盛放 溶液并提供一定吸光厚度；检测器负责检测光讯号，并将光讯号转变为电讯号 讯号处理及显示器：迅号放大、 数学换算。
材料科学与工程基础实验实验报告--格式
郑州航院材料成型及控制工程专业材料科学与工程基础实验课设报告学生专业：材料成型及控制工程学生班级： 1106092 学生姓名：张八淇学生学号： 110609230 指导教师：赵程老师所在学院：机电工程学院报告日期：一、综述（黑3）1. 马氏体组织综述（黑4）马氏体、索氏体、屈氏体、回火马氏体、回火索氏体、回火屈氏体等等组织来源、特征、性能、应用等等2. 索氏体组织综述成分、组织、性能、常用热处理工艺、用途等等二、实验过程1. 热处理加工方法、过程淬火（45#钢850℃、20#钢910℃）——用水冷却回火（45#钢、20#钢均为600℃）——空气中冷却30min2.硬度测试方法、过程用洛氏硬度测量方法，将工件磨平置于载物台缓慢一动到测试针尖，使小表盘指针对齐红点，然后对大表盘进行对零操作，增加压力，读数。
3.金相试样加工方法、过程先用粗砂纸打磨，然后依次增加砂纸牌号，对试样进行细磨，最后抛光，用电子显微镜拍腐蚀前的金相照片，最后进行腐蚀再次拍金相照片。
三、实验结果1. 热处理加工结果2. 硬度测试结果3. 组织分析结果四、实验结果分析1. 20钢硬度、组织2. 45钢硬度、组织3. 硬度、组织横向、纵向比较五、结论根据********实验结果，可以得出如下结论：⑴⑵⑶参考文献：[1] 作者，作者，作者.杂志名，年，卷（期）：页码. ********参考金属热处理的参考文献标注方式[2] 作者，作者，作者.杂志名，年，卷（期）：页码.[3] 作者，作者，作者.杂志名，年，卷（期）：页码. 等等说明：全文行间距1.5倍一级标题黑体三号二级标题黑体四号正文宋体小四号。
材料工程实验报告
实验名称：材料力学性能测试一、实验目的1. 了解材料力学性能测试的基本原理和方法。
2. 掌握拉伸、压缩、冲击等力学性能测试的操作步骤。
3. 分析不同材料在不同条件下的力学性能。
二、实验原理材料力学性能测试是研究材料在外力作用下的力学行为的重要手段。
本实验主要测试材料的拉伸、压缩和冲击性能。
拉伸试验主要测试材料的抗拉强度、屈服强度和延伸率等指标；压缩试验主要测试材料的抗压强度和变形等指标；冲击试验主要测试材料的冲击韧性。
三、实验仪器与材料1. 实验仪器：万能试验机、拉伸试验机、冲击试验机、硬度计、温度计等。
2. 实验材料：钢材、铝合金、塑料等。
四、实验步骤1. 拉伸试验（1）将试样安装在万能试验机上，调整试验机至拉伸状态。
（2）调整试验机夹具，使试样与夹具紧密接触。
（3）打开试验机，以一定的速度拉伸试样，记录拉伸过程中的应力-应变曲线。
（4）观察试样断裂情况，记录断裂时的应力值。
2. 压缩试验（1）将试样安装在压缩试验机上，调整试验机至压缩状态。
（2）调整试验机夹具，使试样与夹具紧密接触。
（3）打开试验机，以一定的速度压缩试样，记录压缩过程中的应力-应变曲线。
（4）观察试样变形情况，记录最大压缩应力值。
3. 冲击试验（1）将试样安装在冲击试验机上，调整试验机至冲击状态。
（2）调整试验机夹具，使试样与夹具紧密接触。
（3）打开试验机，以一定的速度冲击试样，记录冲击过程中的能量-时间曲线。
（4）观察试样断裂情况，记录断裂时的能量值。
五、实验结果与分析1. 拉伸试验结果与分析通过拉伸试验，得到钢材、铝合金和塑料的应力-应变曲线。
从曲线中可以看出，钢材具有较好的抗拉强度和延伸率，而铝合金和塑料的抗拉强度和延伸率相对较低。
2. 压缩试验结果与分析通过压缩试验，得到钢材、铝合金和塑料的应力-应变曲线。
从曲线中可以看出，钢材具有较好的抗压强度，而铝合金和塑料的抗压强度相对较低。
3. 冲击试验结果与分析通过冲击试验，得到钢材、铝合金和塑料的能量-时间曲线。
材料科学与工程专业 综合实践总结报告 专业课程实验
PP/nano-CaCO3复合材料的注射成型及力学性能实验一、实验目的1 了解纳米CaCO3对PP的增韧效果、原理。
2 熟悉PP复合材料的注射成型制备过程。
3 了解复合材料的力学性能测试。
4 了解电镜测样原理和具体步骤。
二、实验原理1、纳米CaCO3对PP的增韧效果原理聚丙烯(PP)是一种综合性能较优异的热塑性塑料，广泛应用于医疗器具、汽车零部件、家庭用品、办公用品、建筑材料、化工管道以及大量的运输和包装材料等方面，制品具有耐热好、化学稳定性高和成型性好等优点。
但同时PP也存在冲击韧性低，低温易脆裂，耐候性差强度、模量、硬度低，成型收缩大，尺寸稳定性差，制件易变形等缺点。
这些缺点大大限制了PP的应用，并且给实际生产带来了许多麻烦，因此，对PP进行改性研究以拓宽其应用领域成了学者们研究的热点。
纳米碳酸钙（nano-CaCO3）填充PP是一种具有广泛应用前景的复合材料，nano-CaCO3原料来源丰富且价廉易成型加工，制品的耐热性、硬度、刚性及尺寸稳定性均优于PP 塑料所以引起了国内外众多学者的广泛关注。
本实验通过熔融共混的方法将nano-CaCO3填充到PP中，研究了nano-CaCO3用量对PP力学性能的影响及其在PP中的分散状况2、PP复合材料的注射成型制备过程⑴合模与开模。
合模是动模前移，快速闭合。
在与定模将要接触时，依靠合模系统的自动切换成低压，提供低的合模速度，低的合模压力，最后切换成高压将模具合紧。
开模是注射完毕后，动模在液压油缸的作用下首先开始低速后撤，而后快速后撤到最大开模位置的动作过程。
⑵注塑阶段。
模具闭合后，注塑机机身前移使喷嘴与模具贴合。
油压推动与油缸活塞杆连接的螺杆前进，将螺杆头部前面已塑化均匀的物料以规定的压力和速度注射入模腔，直到熔体充满模腔为止。
⑶保压阶段。
熔体充模完全后，螺杆施加一定的压力，保持一定的时间，是为了解决模腔内熔体因冷却收缩造成制品缺料时，能及时补塑，使制品饱满。
实验-1.3 铝合金金相组织的检验
1.3 铝合金金相组织的检验本次实验每位同学需要制备、显示一个样品，此样品是同学自己在之前的实践教学环节过程中镶嵌的。
请根据之前的记录，确认自己制备样品的工艺。
样品涉及4种工艺，参看下表：样品制备、组织显示提示：每一位同学寻找、领取属于自己的样品后，根据《光学技术实验平台》中对于金相样品制备的学习，按照金相样品制备的一般要求进行。
磨光过程经历200、400、600、800等四种规格的水砂纸，然后抛光；随后，显微组织蚀刻。
这一过程，实际上大家已经有过经验。
下面的小字体提示，仅作为帮助：技巧小贴示：为了消除切割造成的影响，在第一道粗砂纸上暴露出完整样品截面后，继续减薄0.5mm。
由于铝合金比较软，在样品制备过程中相应地请注意样品与砂纸之间接触时的黏着感，掌握控制样品平衡的技巧。
最初向下用力不要过大，有经验后再逐步加大接触的力度。
800号砂纸磨光时，在基本完成前，可以水流加大、用力减轻，近似于漂浮在砂纸上，这样，可以减少砂粒嵌入的机会，减轻样品表面内部损伤层的厚度。
同时，样品上应当保持一个方向的划痕。
在整个制备过程中，样品的『倒角』一定要始终保持，特别是抛光阶段。
为了保证样品在磨光过程中尽量不出现歪斜，请按照下面示意的实线磨削方向进行磨光操作，避免沿虚线示意的方向进行。
铸锭、固溶处理样品的磨光方向轧制、轧制时效样品的磨光方向样品制备的要点：A 缩短在砂纸上停留的时间（包括全过程及每次接触）B 挡水盘距离盘面1cm，请节约用水C 样品抛光前必须在砂纸上修出倒角D 抛光膏的使用原则是微量、多次；注水少量、恰当E 抛光时，用力避免过大，应当适中，可以任意方向抛光样品蚀刻方法请注意：为了保证腐蚀效果，样品避免放置在腐蚀液中长时间不动，应当每隔20~30秒钟移动、按动（在脱脂棉上），以保证金属面所接触腐蚀液的效力。
同时，样品表面倾斜放置，保证腐蚀产生的气泡顺利溢出。
实验涉及到的设备、耗材、器具：M-2型预磨机，P-2型抛光机，帆船牌水砂纸，海军尼，金刚石抛光膏（2.5W ），培养皿，脱脂棉，不锈钢镊子，蚀刻剂，吸水纸以及金相显微镜（CK40M ）。