1、材料科學(xué)基礎(chǔ)實驗實驗教學(xué)大綱課程編號：031508 課程性質(zhì)：獨立設(shè)課實驗 課程名稱：材料科學(xué)基礎(chǔ)實驗 英文名稱：Experiment of Materials Science 隸屬課群：材料科學(xué)基礎(chǔ) 課程總學(xué)時：32 實驗學(xué)時：24 上機學(xué)時：8適用專業(yè)：金屬材料工程 一、 本課程實驗教學(xué)性質(zhì)、目的和任務(wù)：材料科學(xué)基礎(chǔ)實驗是金屬材料工程專業(yè)必修的實驗性專業(yè)課程，是系統(tǒng)專業(yè)學(xué)習(xí)過程中必不可少的環(huán)節(jié)。開設(shè)此課程的目的在于培養(yǎng)學(xué)生的基本工程素質(zhì)。提高分析問題和解決問題的能力以及實際動手操作能力，為進一步學(xué)習(xí)專業(yè)課程打好基礎(chǔ)。課程的基本任務(wù)在于讓學(xué)生掌握金相試樣的制備方法，顯微攝影以及暗室操作技術(shù)，

2、熟悉金屬材料的基本分析方法，結(jié)合相圖了解典型二元合金平衡及非平衡狀態(tài)下的組織特征，及其它實驗技能。二、實驗教學(xué)的主要內(nèi)容和基本要求：主要內(nèi)容第一章 光學(xué)金相分析技術(shù)第一節(jié) 金相顯微鏡的構(gòu)造與使用第二節(jié) 金相試樣的制備第三節(jié) 金相顯微攝影與暗室技術(shù) 第四節(jié) 顯微硬度及其應(yīng)用第五節(jié) 晶粒尺寸的測算第二章 晶體結(jié)構(gòu)第一節(jié) 典型晶體結(jié)構(gòu)第二節(jié) 位錯蝕坑的觀察第三章 二元合金顯微組織觀察第一節(jié) 二元合金相圖平衡及非平衡結(jié)晶組織分析第二節(jié) 鐵碳合金雙重相圖及組織分析第四章 金屬的塑性變形與回復(fù)再結(jié)晶第一節(jié) 金屬的塑性變形第二節(jié) 回復(fù)與再結(jié)晶第五章 電子顯微分析技術(shù)第一節(jié) 掃描電鏡結(jié)構(gòu)、原理及典型組織的觀察

3、第二節(jié) 透射電鏡薄膜樣品制備及典型組織觀察第三節(jié) 選區(qū)電子衍射及相機常數(shù)和磁轉(zhuǎn)角標(biāo)定實驗教學(xué)方法手段的基本要求1.主要以學(xué)生操作設(shè)備儀器完成相關(guān)實驗項目；2.以綜合性實驗訓(xùn)練學(xué)生結(jié)合所學(xué)相關(guān)知識靈活設(shè)計實驗方法；3.有關(guān)顯微組織分析部分采用多媒體教學(xué)。三、實驗項目及學(xué)時分配表序號實驗項目名稱計劃學(xué)時實驗類型開出要求每組人數(shù)1典型金屬結(jié)構(gòu)的鋼球堆垛模型分析2驗證必開12光學(xué)金相顯微鏡的構(gòu)造與使用2驗證必開13光學(xué)金相分析技術(shù)12綜合必開14晶粒尺寸及相的相對量測定4驗證必開25位錯蝕坑的觀察2驗證選開26二元合金顯微組織分析2驗證必開17鐵碳合金相圖及組織分析2驗證必開18金屬塑性變形與回復(fù)再結(jié)

4、晶2驗證必開19掃描電鏡的構(gòu)造原理及應(yīng)用2演示必開1510透射電鏡的構(gòu)造原理及典型組織觀察2演示必開1511透射電鏡樣品的制備2綜合選開2考核2四、實驗項目教學(xué)大綱實驗一 典型金屬晶體結(jié)構(gòu)的剛球堆垛模型分析（一）實驗類型：驗證（二）實驗?zāi)康模?.熟悉面心立方、體心立方和密排六方晶體結(jié)構(gòu)中常用晶面、晶向的幾何位置、原子排列和密度；2.熟悉三種晶體結(jié)構(gòu)中的四面體間隙和八面體間隙的位置和分布；3.熟悉面心立方和密排六方晶體結(jié)構(gòu)中最密排面的堆垛順序；4.進一步練習(xí)晶面和晶向指數(shù)的確定方法。（三）實驗內(nèi)容：1.把鋼球作為金屬原子，堆垛出面心立方和體心立方晶體的（100）、（110）、（111）和（112

5、）晶面。2.在已堆出的上述晶面上，至少確定三個不同方位原子列的晶向指數(shù)。3.用鋼球按最密排面堆垛的順序堆垛出面心立方和密排六方晶體結(jié)構(gòu)。4.借助模型，找出三種晶體結(jié)構(gòu)中兩種間隙的位置。（四）實驗要求：實驗教學(xué)組織安排：1.推出多媒體輔助教學(xué)手段，學(xué)生首先在計算機房觀看摸擬堆垛教學(xué)軟件，理解三維晶體結(jié)構(gòu)，及不同晶面、晶向、密排面等的空間位置。2.然后，在實驗室獨立堆垛。實驗報告要求：1.實驗?zāi)康模?.畫出面心立方和體心立方晶體結(jié)構(gòu)的（100）、（110）、（111）和（112）晶面的原子分布圖；3.上述每個圖中至少標(biāo)出三個不同方位的晶向；4.求出上述各晶面的原子面密度；5.指出三種晶體結(jié)構(gòu)的最密

6、排晶面和最密排晶向。（五）主要儀器設(shè)備：1.計算機及多媒體輔助教學(xué)軟件，每人一套；2.有機玻璃盒（約70× 70×70mm立方形）、涂有凡士林油的玻璃球（直徑約810mm，盒裝約100顆）、醫(yī)用鑷子。每人一套； 3.晶體結(jié)構(gòu)模型。實驗二 金相顯微鏡的構(gòu)造與使用（一）實驗類型：驗證（二）實驗?zāi)康模?.了解金相顯微鏡的構(gòu)造；2.了解金相顯微鏡的明場、暗場照明方式及偏光技術(shù)；3.掌握金相顯微鏡的使用方法。（三）實驗內(nèi)容：1.了解倒立式金相顯微鏡的構(gòu)造與光路。2.操作顯微鏡并能熟練地掌握聚焦方法。了解孔鏡光闌，視場光闌和濾光片的作用。3.熟悉物鏡、目鏡上的標(biāo)志并合理選配物鏡和目鏡。

7、4.分別在明場和暗場的照明下觀察同一試樣，分析組織特征及成因。5.分別在明場及偏光方式下觀察同一試樣，分析組織特征及成因。6.借助物鏡測微器確定目鏡測微器的格值。7.參觀、演示大型金相顯微鏡NEOPHOT30。（四）實驗要求：實驗教學(xué)組織安排：1.組織學(xué)生在計算機房觀看摸擬輔助教學(xué)軟件，使學(xué)生直觀、形象理解金相顯微鏡的原理、構(gòu)造、使用與維護。2.反復(fù)練習(xí)顯微鏡的聚焦，直到熟練掌握。3.反復(fù)改變孔鏡光闌，視場光闌的大小。加或不加濾光片，觀察同一視場映象的清晰程度。4.將同一試樣分別放在顯微鏡的明場和暗場照明方式下進行對比觀察。將同一試樣分別放在顯微鏡的明場和偏光方式下進行對比觀察。5.借助物鏡測

8、微器確定目鏡測微器的格值，并按要求對組織進行實地測量6.參觀：NEOPHOT30大型金相顯微鏡。實驗報告要求：1.實驗?zāi)康模?.實驗內(nèi)容；3.回答上述實驗中的思考題并解釋原因；4.繪出同一試樣在明場照明和暗場照明下的組織示意圖，分析形貌特征。（五）主要儀器設(shè)備：1.計算機及輔助教學(xué)軟件，每人一套；2.練習(xí)操作的金相顯微鏡；3.備有暗場照明裝置的金相顯微鏡；4.配備測微目鏡和物鏡測微器的金相顯微鏡；5.供觀察的金相試樣。實驗三光學(xué)金相分析技術(shù)（一）實驗類型：綜合（二）實驗?zāi)康模?.掌握金相試樣制備的基本方法及技術(shù)要點。2.識別制樣過程中常見的缺陷。3.熟悉金相顯微攝影的基本原理及顯微攝影技術(shù)；4

9、.掌握暗室操作技術(shù)。（三）實驗內(nèi)容：1.制備不同材料的金相試樣；2.各種材料的浸蝕方法2.采用4X 金相顯微攝影裝置對制備的試樣進行金相顯微攝影；3.暗室操作：沖洗底片和金相照片；4.分析材料的金相組織；5.撰寫實驗報告。（四）實驗要求：實驗教學(xué)組織安排1. 每班分兩組，每組1215人。安排學(xué)生獨立完成從制樣到照像、洗像及最終顯微組織分析全過程；2要求學(xué)生做好實驗預(yù)習(xí)工作，熟悉實驗用儀器、設(shè)備，確定實驗日期；3.實驗以學(xué)生為主體，教師指導(dǎo)為輔。實驗報告要求：1.實驗?zāi)康模?2.簡述制備金相試樣及拍攝一張合格金相照片所必須經(jīng)過的程序及工藝條件等、整個過程，并附上繪制的金相組織圖；3.分析實際制樣

10、中出現(xiàn)的問題。4.將照片貼在實驗報告上，并注明試樣材料及處理工藝、金相組織及浸蝕劑、放大倍數(shù)（物鏡和照相目鏡倍數(shù)之積）、攝影參數(shù)（所用光源、濾光片、光圈大小、曝光時間）；5.分析底片和照片的質(zhì)量。（五）主要儀器設(shè)備：1.待磨試樣、砂輪機、金相砂紙及玻璃板、拋光機、拋光液、吹風(fēng)機、金相顯微鏡、浸蝕劑、酒精、夾子等。2.金相顯微攝影裝置、 曝光箱（印相機）、裁紙刀、上光機、感光軟片、相紙、顯影液、定影液、停影液、定時鬧鐘、搪瓷（或塑料）盒、顯影溫度計、竹夾子等。實驗四 晶粒尺寸的測定（一）實驗類型：驗證（二）實驗?zāi)康模?熟悉用定量金相方法測定晶粒尺寸；2學(xué)會用測微尺來換算晶粒尺寸的大小。（三）實驗

11、內(nèi)容：1用熱浸蝕法制出一個用于測量晶粒尺寸的試樣。2借助測微尺測量均勻的單相合金的晶粒尺寸。3測定亞共析鋼中珠光體的相對含量，并計算出鋼的含碳量。（四）實驗要求：實驗教學(xué)組織安排：1.磨制出一個用于測量晶粒尺寸的試樣。2.用熱浸蝕法浸蝕出一個完好的試樣。3.用截線法測定單相合金晶粒的平均截線長度，再借助測微尺測出晶粒度。然后進行誤差分析。4.測定亞共析鋼中珠光體的相對量，并進行誤差分析，再計算出鋼的含碳量。實驗報告要求：1.實驗?zāi)康模?.整理全部實驗原始數(shù)據(jù)；3.按所設(shè)計的表格分別表示出測晶粒尺寸和相的相對含量時的測試項目、計算式、數(shù)據(jù)、誤差及結(jié)果。4.簡述所用的測量方法和步驟。（五）主要儀器

12、設(shè)備：1.待磨試樣、金相砂紙及玻璃板、拋光機、拋光液、吹風(fēng)機、浸蝕劑、酒精、酒精燈、夾子、脫脂棉等。2.金相顯微鏡、測微尺。實驗五 位錯蝕坑的觀察（一）實驗類型：驗證（二）實驗?zāi)康模河霉鈱W(xué)金相顯微鏡觀察晶體表面的位錯蝕坑；根據(jù)蝕坑的形貌和組態(tài)分析晶體中的位錯。（三）實驗內(nèi)容：觀察位錯蝕坑，根據(jù)其形貌和組態(tài)分析晶體中的位錯；制備硅單晶位錯蝕坑試樣。配合實驗觀看有關(guān)錄像。（四）實驗要求：實驗教學(xué)組織安排：1每班分兩組，每組1215人，安排學(xué)生在實驗室制備硅單晶位錯蝕坑試樣；2在顯微鏡下觀察并畫出顯微組織；3將原始數(shù)據(jù)交由指導(dǎo)教師簽字。實驗報告要求：1實驗?zāi)康模?繪制小角傾側(cè)晶界、位錯塞積、位錯運動

13、及層錯等金相形貌示意圖；3根據(jù)有關(guān)理論知識分析所觀察的位錯蝕坑金相特征。（五）主要儀器設(shè)備：1一套典型位錯蝕坑金相試樣；2待磨硅單晶試片；3 20m金剛砂及化學(xué)試劑氫氟酸（）、硝酸（）、三氧化鉻（）；4 必需的容器及工具；5 金相顯微鏡；6 位錯錄像片。實驗六 二元合金顯微組織分析（一）實驗類型：驗證（二）實驗?zāi)康模?.掌握利用相圖分析二元合金在平衡及非平衡凝固條件下結(jié)晶組織的方法；2.熟悉典型共晶系二元合金平衡組織及非平衡凝固的顯微組織特征及其差異。（三）實驗內(nèi)容：1.熟悉本實驗所要觀察的合金系相圖。2.分析不同成分合金的平衡凝固及非平衡凝固過程以及相應(yīng)的組織。3.觀察并畫出PbSn合金、P

14、bSb合金、AlSi合金、AlCu合金、CuSn合金等不同成分下顯微組織示意圖，注明各組成物。分析組織與成分的變化規(guī)律。4.討論冷卻速度對本實驗所觀察合金結(jié)晶過程的影響（四）實驗要求：實驗教學(xué)組織安排：組織學(xué)生在計算機室通過多媒體教學(xué)軟件，學(xué)習(xí)、了解金屬材料在凝固過程中顯微組織的形成過程；2要求學(xué)生做好實驗預(yù)習(xí)工作，熟悉本實驗所要觀察的合金系相圖。實驗報告要求：1.畫出各合金的顯微組織示意圖，并注解其狀態(tài)特征。2.結(jié)合相圖分析不同成分合金結(jié)晶組織的形成過程及組織的變化規(guī)律。3.聯(lián)系所觀察的合金說明組織組成物與相組成物的不同及兩者的關(guān)系。4.說明初生晶體與共晶體可具有那些形態(tài)，并加以解釋。5.計

15、算Al-Si、Al-Cu合金系共晶體中兩組成相的相對量，并說明其對合金的實際應(yīng)用有何影響。6.分析A14Cu、Cu一10Sn合金快冷和慢冷的凝固過程和組織。說明冷速對組織的影響。比較冷卻速度對共晶及包晶反應(yīng)的影響。（五）主要儀器設(shè)備：1.選定合金的金相試樣；2.金相顯微鏡；3.電腦、多媒體教學(xué)軟件。實驗七 鐵碳合金相圖及組織分析（一）實驗類型：驗證（二）實驗?zāi)康模?.熟練運用鐵碳合金雙重相圖，提高分析鐵碳合金平衡凝固過程及組織變化的能力。2.掌握碳鋼和鑄鐵的顯微組織特征。（三）實驗內(nèi)容：1.討論Fe一Fe3C相圖：分析各相及組織組成物的本質(zhì)；分析不同含碳量鐵碳合金在不同冷卻條件下凝固過程的室溫

16、組織及其形貌特征；總結(jié)鐵碳合金的組織，性能與含碳量的關(guān)系。2.觀察、分析并畫出工業(yè)純鐵、不同碳鋼及鑄鐵的組織示意圖。（四）實驗要求：實驗教學(xué)組織安排：組織學(xué)生在計算機室通過多媒體教學(xué)軟件，學(xué)習(xí)、了解Fe一Fe3C相圖類合金在凝固過程中顯微組織的形成過程；2要求學(xué)生做好實驗預(yù)習(xí)工作，熟悉Fe一Fe3C相圖。實驗報告要求：1.列表說明鐵碳相圖中各個相的本質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)、溶碳量、形成條件、形態(tài)等不同點。2.畫出所觀察合金的顯微組織示意圖并加以注解。3.分析20鋼及亞共晶白口鐵的凝固過程。4.總結(jié)含碳量增加時鋼的組織和性能的變化規(guī)律。5.總結(jié)碳鋼和鑄鐵中各種組織組成物的本質(zhì)和形態(tài)特征。（五）主要儀器設(shè)備

17、：1.一組Fe一Fe3C相圖系合金的金相試樣。2.金相顯微鏡、電腦、多媒體教學(xué)軟件。實驗八 金屬塑性變形與回復(fù)再結(jié)晶（一）實驗類型：驗證（二）實驗?zāi)康模?.了解滑移帶、變形孿晶與退火孿晶的金相形貌；2.了解冷變形對金屬組織和性能的影響；3.了解加熱溫度對冷變形金屬組織和性能的影響；4.了解變形量對再結(jié)晶后晶粒大小的影響（三）實驗內(nèi)容：1.觀察黃銅、工業(yè)純鐵、純鋅等金屬材料在冷變形下的顯微組織并繪出組織圖； 2.觀察工業(yè)純鐵在同一變形量、不同溫度下退火的組織并繪出組織圖；3.測定鋁片在變形量分別為2、 3、 6、 9、 12下，然后在550加熱保溫40分鐘后的晶粒大小。（四）實驗要求：實驗教學(xué)組

18、織安排：組織學(xué)生在計算機室通過多媒體教學(xué)軟件，學(xué)習(xí)、了解塑性變形及回復(fù)在結(jié)晶的顯微組織的形成過程；2要求學(xué)生做好實驗預(yù)習(xí)工作。實驗報告要求：1.實驗?zāi)康模?.繪制滑移帶、變形孿晶、退火孿晶以及不同變形量的工業(yè)純鐵（或純銅、低碳鋼）組織圖，并說明其形態(tài)特征；3.根據(jù)同一變形量、不同溫度退火組織的觀察，對再結(jié)晶形核場所，影響再結(jié)晶溫度的因素進行分析；4.根據(jù)硬度試塊測試結(jié)果分別繪出“變形量一硬度”、“退火溫度一硬度”關(guān)系曲線，并分析其變化規(guī)律；5.根據(jù)實驗結(jié)果繪出“鋁片的晶粒大小變形量”關(guān)系曲線，并找出臨界變形度。（五）主要儀器設(shè)備：1.不同變形量的工業(yè)純鐵（或低碳鋼）金相試樣一套；2.同一變形量

19、不同溫度下退火的金相試樣一套；3.觀察滑移帶、變形孿晶和退火孿晶的試樣一套；4.測定晶粒大小試樣一套。5.設(shè)備：金相顯微鏡、電腦、多媒體教學(xué)軟件。實驗九 掃描電鏡構(gòu)造、原理及應(yīng)用（一）實驗類型：驗證（二）實驗?zāi)康模?.了解掃描電子顯微鏡（SEM）的構(gòu)造和工作原理。2.掌握現(xiàn)代電子顯微分析與表征功能。3.能夠正確地運用電子顯微分析技術(shù)開展有關(guān)的科學(xué)研究。（三）實驗內(nèi)容：1.了解KYKY(AMRAY) 1000B型掃描電鏡四個部分的結(jié)構(gòu)與性能，以及整個系統(tǒng)的配置情況。2.典型的斷裂表面觀察解理斷裂、準(zhǔn)解理斷裂、韌窩斷裂、疲勞斷裂、沿晶斷裂3.典型的金相組織觀察4.了解能譜分析的方法和步驟。（四）實驗要求：實驗教學(xué)組織安排：每班分兩組，每組1215人，安排學(xué)生到掃描電鏡室，通過實物演示及多媒體教學(xué)了解掃描電鏡的工作原理及功能。實驗報告要求：1.實驗?zāi)康模?.簡述掃描電鏡，X射線能譜儀的工作原理；3.比較各種典型的金屬斷口形貌特征；4.心得體會。（五）主要儀器設(shè)備：KYKY(AMRAY) 1000B型掃描電鏡一臺；計算機及多媒體教學(xué)軟件。實驗十 透射電鏡構(gòu)造、原理及典型組織觀察（一）實驗類型：驗證（二）實