课程编号：031508                 课程性质：独立设课实验       

课程名称：材料科学基础实验       英文名称：Experiments of Materials Science     

隶属课群：材料科学基础           课程总学时：32  

实验学时：24                     上机学时： 8

适用专业：金属材料工程                            

 

一、本课程实验教学性质、目的和任务：

《材料科学基础实验》是金属材料工程专业必修的实验性专业课程，是系统专业学习过程中必不可少的环节。开设此课程的目的在于培养学生的基本工程素质。提高分析问题和解决问题的能力以及实际动手操作能力，为进一步学习专业课程打好基础。课程的基本任务在于让学生掌握金相试样的制备方法，显微摄影以及暗室操作技术，熟悉金属材料的基本分析方法，结合相图了解典型二元合金平衡及非平衡状态下的组织特征，及其它实验技能。

二、实验教学的主要内容和基本要求：

主要内容

第一章  光学金相分析技术

第一节  金相显微镜的构造与使用

第二节  金相试样的制备

第三节  金相显微摄影与暗室技术

    第四节  显微硬度及其应用

第五节  晶粒尺寸的测算

第二章  晶体结构

第一节  典型晶体结构

第二节  位错蚀坑的观察

第三章   二元合金显微组织观察

第一节  二元合金相图平衡及非平衡结晶组织分析

第二节  铁碳合金双重相图及组织分析

第四章 金属的塑性变形与回复再结晶

第一节  金属的塑性变形

第二节  回复与再结晶

第五章 电子显微分析技术

第一节  扫描电镜结构、原理及典型组织的观察

第二节  透射电镜薄膜样品制备及典型组织观察

第三节  选区电子衍射及相机常数和磁转角标定

实验教学方法手段的基本要求

1.主要以学生操作设备仪器完成相关实验项目；

2.以综合性实验训练学生结合所学相关知识灵活设计实验方法；

3.有关显微组织分析部分采用多媒体教学。

三、实验项目及学时分配表

四、实验项目教学大纲

 

实验一  典型金属晶体结构的刚球堆垛模型分析

（一）实验类型：验证

（二）实验目的：

1.熟悉面心立方、体心立方和密排六方晶体结构中常用晶面、晶向的几何位置、原子排列和密度；

2.熟悉三种晶体结构中的四面体间隙和八面体间隙的位置和分布；

3.熟悉面心立方和密排六方晶体结构中最密排面的堆垛顺序；

4.进一步练习晶面和晶向指数的确定方法。

（三）实验内容：

1.把钢球作为金属原子，堆垛出面心立方和体心立方晶体的（100）、（110）、（111）和（112）晶面。

2.在已堆出的上述晶面上，至少确定三个不同方位原子列的晶向指数。

3.用钢球按最密排面堆垛的顺序堆垛出面心立方和密排六方晶体结构。

4.借助模型，找出三种晶体结构中两种间隙的位置。

（四）实验要求：

实验教学组织安排：

1.推出多媒体辅助教学手段，学生首先在计算机房观看摸拟堆垛教学软件，理解三维晶体结构，及不同晶面、晶向、密排面等的空间位置。

2.然后，在实验室独立堆垛。

实验报告要求：

1.实验目的；

2.画出面心立方和体心立方晶体结构的（100）、（110）、（111）和（112）晶面的原子分布图；

3.上述每个图中至少标出三个不同方位的晶向；

4.求出上述各晶面的原子面密度；

5.指出三种晶体结构的最密排晶面和最密排晶向。

（五）主要仪器设备：

1.计算机及多媒体辅助教学软件，每人一套；

2.有机玻璃盒（约70× 70×70mm立方形）、涂有凡士林油的玻璃球（直径约8～10mm，盒装约100颗）、医用镊子。每人一套；

3.晶体结构模型。

 

实验二 金相显微镜的构造与使用

（一）实验类型：验证

（二）实验目的：

1.了解金相显微镜的构造；

2.了解金相显微镜的明场、暗场照明方式及偏光技术；

3.掌握金相显微镜的使用方法。

（三）实验内容：

1.了解倒立式金相显微镜的构造与光路。

2.操作显微镜并能熟练地掌握聚焦方法。了解孔镜光阑，视场光阑和滤光片的作用。

3.熟悉物镜、目镜上的标志并合理选配物镜和目镜。

4.分别在明场和暗场的照明下观察同一试样，分析组织特征及成因。

5.分别在明场及偏光方式下观察同一试样，分析组织特征及成因。

6.借助物镜测微器确定目镜测微器的格值。

7.参观、演示大型金相显微镜NEOPHOT—30。

（四）实验要求：

实验教学组织安排：

1.组织学生在计算机房观看摸拟辅助教学软件，使学生直观、形象理解金相显微镜的原理、构造、使用与维护。

2.反复练习显微镜的聚焦，直到熟练掌握。

3.反复改变孔镜光阑，视场光阑的大小。加或不加滤光片，观察同一视场映象的清晰程度。

4.将同一试样分别放在显微镜的明场和暗场照明方式下进行对比观察。将同一试样分别放在显微镜的明场和偏光方式下进行对比观察。

5.借助物镜测微器确定目镜测微器的格值，并按要求对组织进行实地测量

6.参观：NEOPHOT—30大型金相显微镜。

实验报告要求：

1.实验目的；

2.实验内容；

3.回答上述实验中的思考题并解释原因；

4.绘出同一试样在明场照明和暗场照明下的组织示意图，分析形貌特征。

（五）主要仪器设备：

1.计算机及辅助教学软件，每人一套；

2.练习操作的金相显微镜；

3.备有暗场照明装置的金相显微镜；

4.配备测微目镜和物镜测微器的金相显微镜；

5.供观察的金相试样。

 

实验三　光学金相分析技术

（一）实验类型：综合

（二）实验目的：

1.掌握金相试样制备的基本方法及技术要点。

2.识别制样过程中常见的缺陷。

3.熟悉金相显微摄影的基本原理及显微摄影技术；

4.掌握暗室操作技术。

（三）实验内容：

1.制备不同材料的金相试样；

2.各种材料的浸蚀方法

2.采用4X 金相显微摄影装置对制备的试样进行金相显微摄影；

3.暗室操作：冲洗底片和金相照片；

4.分析材料的金相组织；

5.撰写实验报告。

（四）实验要求：

实验教学组织安排

1. 每班分两组，每组12～15人。安排学生独立完成从制样到照像、洗像及最终显微组织分析全过程；

2．要求学生做好实验预习工作，熟悉实验用仪器、设备，确定实验日期；

3.实验以学生为主体，教师指导为辅。

实验报告要求：

1.实验目的；

2.简述制备金相试样及拍摄一张合格金相照片所必须经过的程序及工艺条件等、整个过程，并附上绘制的金相组织图；

3.分析实际制样中出现的问题。

4.将照片贴在实验报告上，并注明试样材料及处理工艺、金相组织及浸蚀剂、放大倍数（物镜和照相目镜倍数之积）、摄影参数（所用光源、滤光片、光圈大小、曝光时间）；

5.分析底片和照片的质量。

（五）主要仪器设备：

1.待磨试样、砂轮机、金相砂纸及玻璃板、抛光机、抛光液、吹风机、金相显微镜、浸蚀剂、酒精、夹子等。

2.金相显微摄影装置、 曝光箱（印相机）、裁纸刀、上光机、感光软片、相纸、显影液、定影液、停影液、定时闹钟、搪瓷（或塑料）盒、显影温度计、竹夹子等。

 

实验四  晶粒尺寸的测定

（一）实验类型：验证

（二）实验目的：

1．熟悉用定量金相方法测定晶粒尺寸；

2．学会用测微尺来换算晶粒尺寸的大小。

（三）实验内容：

1．用热浸蚀法制出一个用于测量晶粒尺寸的试样。

2．借助测微尺测量均匀的单相合金的晶粒尺寸。

3．测定亚共析钢中珠光体的相对含量，并计算出钢的含碳量。

（四）实验要求：

实验教学组织安排：

1.磨制出一个用于测量晶粒尺寸的试样。

2.用热浸蚀法浸蚀出一个完好的试样。

3.用截线法测定单相合金晶粒的平均截线长度，再借助测微尺测出晶粒度。然后进行误差分析。

4.测定亚共析钢中珠光体的相对量，并进行误差分析，再计算出钢的含碳量。

实验报告要求：

1.实验目的；

2.整理全部实验原始数据；

3.按所设计的表格分别表示出测晶粒尺寸和相的相对含量时的测试项目、计算式、数据、误差及结果。

4.简述所用的测量方法和步骤。

（五）主要仪器设备：

1.待磨试样、金相砂纸及玻璃板、抛光机、抛光液、吹风机、浸蚀剂、酒精、酒精灯、夹子、脱脂棉等。

2.金相显微镜、测微尺。

 

实验五  位错蚀坑的观察

（一）实验类型：验证

（二）实验目的：

１．用光学金相显微镜观察晶体表面的位错蚀坑；

２．根据蚀坑的形貌和组态分析晶体中的位错。

（三）实验内容：

１．观察位错蚀坑，根据其形貌和组态分析晶体中的位错；

２．制备硅单晶位错蚀坑试样。

３．配合实验观看有关录像。

（四）实验要求：

实验教学组织安排：

1．每班分两组，每组12～15人，安排学生在实验室制备硅单晶位错蚀坑试样；

2．在显微镜下观察并画出显微组织；

3．将原始数据交由指导教师签字。

实验报告要求：

1．实验目的；

2．绘制小角倾侧晶界、位错塞积、位错运动及层错等金相形貌示意图；

3．根据有关理论知识分析所观察的位错蚀坑金相特征。

（五）主要仪器设备：

1．一套典型位错蚀坑金相试样；

2．待磨硅单晶试片；

3． 20μm金刚砂及化学试剂氢氟酸（）、硝酸（）、三氧化铬（）；

4． 必需的容器及工具；

5． 金相显微镜；

6． 位错录像片。

 

实验六  二元合金显微组织分析

（一）实验类型：验证

（二）实验目的：

1.掌握利用相图分析二元合金在平衡及非平衡凝固条件下结晶组织的方法；

2.熟悉典型共晶系二元合金平衡组织及非平衡凝固的显微组织特征及其差异。

（三）实验内容：

1.熟悉本实验所要观察的合金系相图。

2.分析不同成分合金的平衡凝固及非平衡凝固过程以及相应的组织。

3.观察并画出Pb—Sn合金、Pb—Sb合金、Al—Si合金、Al—Cu合金、Cu—Sn合金等不同成分下显微组织示意图，注明各组成物。分析组织与成分的变化规律。

4.讨论冷却速度对本实验所观察合金结晶过程的影响

（四）实验要求：

实验教学组织安排：

１．组织学生在计算机室通过多媒体教学软件，学习、了解金属材料在凝固过程中显微组织的形成过程；

2．要求学生做好实验预习工作，熟悉本实验所要观察的合金系相图。

实验报告要求：

1.画出各合金的显微组织示意图，并注解其状态特征。

2.结合相图分析不同成分合金结晶组织的形成过程及组织的变化规律。

3.联系所观察的合金说明组织组成物与相组成物的不同及两者的关系。

4.说明初生晶体与共晶体可具有那些形态，并加以解释。

5.计算Al-Si、Al-Cu合金系共晶体中两组成相的相对量，并说明其对合金的实际应用有何影响。

6.分析A1—4％Cu、Cu一10％Sn合金快冷和慢冷的凝固过程和组织。说明冷速对组织的影响。比较冷却速度对共晶及包晶反应的影响。

（五）主要仪器设备：

1.选定合金的金相试样；

2.金相显微镜；

3.电脑、多媒体教学软件。

 

实验七  铁碳合金相图及组织分析

（一）实验类型：验证

（二）实验目的：

1.熟练运用铁碳合金双重相图，提高分析铁碳合金平衡凝固过程及组织变化的能力。

2.掌握碳钢和铸铁的显微组织特征。

（三）实验内容：

1.讨论Fe一Fe₃C相图：

①分析各相及组织组成物的本质；

②分析不同含碳量铁碳合金在不同冷却条件下凝固过程的室温组织及其形貌特征；

③总结铁碳合金的组织，性能与含碳量的关系。

2.观察、分析并画出工业纯铁、不同碳钢及铸铁的组织示意图。

（四）实验要求：

实验教学组织安排：

１．组织学生在计算机室通过多媒体教学软件，学习、了解Fe一Fe₃C相图类合金在凝固过程中显微组织的形成过程；

2．要求学生做好实验预习工作，熟悉Fe一Fe₃C相图。

实验报告要求：

1.列表说明铁碳相图中各个相的本质、晶体结构、溶碳量、形成条件、形态等不同点。

2.画出所观察合金的显微组织示意图并加以注解。

3.分析20钢及亚共晶白口铁的凝固过程。

4.总结含碳量增加时钢的组织和性能的变化规律。

5.总结碳钢和铸铁中各种组织组成物的本质和形态特征。

（五）主要仪器设备：

1.一组Fe一Fe₃C相图系合金的金相试样。

2.金相显微镜、电脑、多媒体教学软件。

 

实验八  金属塑性变形与回复再结晶

（一）实验类型：验证

（二）实验目的：

1.了解滑移带、变形孪晶与退火孪晶的金相形貌；

2.了解冷变形对金属组织和性能的影响；

3.了解加热温度对冷变形金属组织和性能的影响；

4.了解变形量对再结晶后晶粒大小的影响

（三）实验内容：

1.观察黄铜、工业纯铁、纯锌等金属材料在冷变形下的显微组织并绘出组织图；

2.观察工业纯铁在同一变形量、不同温度下退火的组织并绘出组织图；

3.测定铝片在变形量分别为2％、  3％、  6％、  9％、  12％下，然后在550℃加热保温40分钟后的晶粒大小。

（四）实验要求：

实验教学组织安排：

１．组织学生在计算机室通过多媒体教学软件，学习、了解塑性变形及回复在结晶的显微组织的形成过程；

2．要求学生做好实验预习工作。

实验报告要求：

1.实验目的；

2.绘制滑移带、变形孪晶、退火孪晶以及不同变形量的工业纯铁（或纯铜、低碳钢）组织图，并说明其形态特征；

3.根据同一变形量、不同温度退火组织的观察，对再结晶形核场所，影响再结晶温度的因素进行分析；

4.根据硬度试块测试结果分别绘出“变形量一硬度”、“退火温度一硬度”关系曲线，并分析其变化规律；

5.根据实验结果绘出“铝片的晶粒大小—变形量”关系曲线，并找出临界变形度。

（五）主要仪器设备：

1.不同变形量的工业纯铁（或低碳钢）金相试样一套；

2.同一变形量不同温度下退火的金相试样一套；

3.观察滑移带、变形孪晶和退火孪晶的试样一套；

4.测定晶粒大小试样一套。

5.设备：金相显微镜、电脑、多媒体教学软件。

 

实验九  扫描电镜构造、原理及应用

（一）实验类型：验证

（二）实验目的：

1.了解扫描电子显微镜（SEM）的构造和工作原理。

2.掌握现代电子显微分析与表征功能。

3.能够正确地运用电子显微分析技术开展有关的科学研究。

（三）实验内容：

1.了解KYKY(AMRAY) 1000B型扫描电镜四个部分的结构与性能，以及整个系统的配置情况。

2.典型的断裂表面观察

解理断裂、准解理断裂、韧窝断裂、疲劳断裂、沿晶断裂

3.典型的金相组织观察

4.了解能谱分析的方法和步骤。

（四）实验要求：

实验教学组织安排：

每班分两组，每组12～15人，安排学生到扫描电镜室，通过实物演示及多媒体教学了解扫描电镜的工作原理及功能。

实验报告要求：

1.实验目的；

2.简述扫描电镜，X射线能谱仪的工作原理；

3.比较各种典型的金属断口形貌特征；

4.心得体会。

（五）主要仪器设备：

１．KYKY(AMRAY) 1000B型扫描电镜一台；

２．计算机及多媒体教学软件。

 

实验十  透射电镜构造、原理及典型组织观察

（一）实验类型：验证

（二）实验目的：

1.了解透射电子显微镜（TEM）的构造。

2.了解透射电镜成像原理和分析方法。

3.明确透射电镜的用途。

（三）实验内容：

1.了解JEM-2010型透射电镜的结构与性能，以及整个系统的配置情况。

2.典型材料的微观组织观察。

3.认识几种典型的单晶体衍射花样。

4.了解能谱分析的方法和步骤。

（四）实验要求：

实验教学组织安排：

每班分两组，每组12～15人，安排学生到透射电镜室，通过实物演示及多媒体教学了解透射电镜的工作原理及功能。

实验报告要求：

1.实验目的；

2.简述透射电镜，X射线能谱仪的工作原理；

3.心得体会。

（五）主要仪器设备：

１．JEM-2010型透射电镜；

２．计算机及多媒体教学软件。

 

实验十一  透射电镜样品的制备

（一）实验类型：综合

（二）实验目的：

1.掌握表面复型和萃取复型技术。

2.了解金属薄膜制备的工艺过程。

（三）实验内容：

1.制备一个金属表面的复型。

2.观察实验人员演示真空镀膜机的操作及金属薄膜的制备过程。

（四）实验要求：

实验教学组织安排：

实验报告要求：

1．实验目的；

2．简述塑料—碳二级复型制备过程及应用；

3、试述金属薄膜制备中双喷法、离子薄化法工艺过程；

4．心得体会。

（五）主要仪器设备：

1．真空镀膜机一台、玻璃板、丙铜、AC纸（醋酸纤维素薄膜）、培养皿等。

2．双喷电解抛光机一台。

3．待观察试样一组。

五、考核与评分

本课程考核分为实验预习报告﹑实验能力考查﹑实验报告及终期考核等项目，考评各占比例为10%、30%、20%、40%。

 

 

 

制定单位：材料与化工学院

制 定 人：赵  晞  刘春霞

                                        审 核 人：杨  通

                                        批 准 人：王正品

                              制定（或修订）时间：2010.6.20