材料科学基础实验指导书

材料科学基础实验

指导书

适用专业：材料物理

总学时：32学时

目 录

实验一

铁磁性材料居里温度的测定?????????????3

实验二

材料导热系数的测定?????????????????7 实验三

润湿角（接触角）的测定???????????????10 实验四

四探针法测量半导体电阻率??????????????14 实验五

示波器法测定铁磁性材料的磁化曲线和磁滞曲线??????19 实验六

拉伸实验????????????????????? 26

实验七

铸铁显微组织的观察??????????????? 32 实验八

碳钢金相试样的制备、组织观察及力学性能的测定? 39

2

实验一 铁磁性材料居里温度的测定

铁磁性物质的磁性随温度的变化而变化，当温度上升到某一温度时，铁磁性材料就由磁性状态转变为顺磁性状态，即失掉铁磁性物质的特性而转变为顺磁性物质，这个温度称之为居里温度，以TC表示，测量TC不仅对磁性材料、磁性器件的研制、使用，而且对工程技术以及家用电器的设计都具有重要的意义。

[实验目的]

1. 初步了解铁磁性物质由铁磁性转变

材料科学与工程基础试验教程一

中原工学院材料加工工程系

第一部分 基本原理

一、金相显微镜的原理及构造

显微分析方法是材料科学领域的一个很重要的研究方法，它可以观察及研究金属等材料中用宏观分析方法无法观察到的组织细节及缺陷。金相显微镜就是进行显微分析的主要工具。 (一) 显微镜的成象原理

显微镜的基本放大原理如图1-1所示。其放大作用主要由焦距很短的物镜和焦距较长的目镜来完成。为了减少象差，显微镜的目镜和物镜都是由透镜组构成复杂的光学系统，其中物镜的构造尤为复杂。为了便于说明，图中的物镜和目镜都简化为单透镜。物体AB位于物镜的前焦点外但很靠近焦点的位置上，经过物镜形成一个倒立放大的实象A'B'，这个象位于目镜的物方焦距内但很靠近焦点的位置上，作为目镜的物体。目镜将物镜放大的实象再放大成虚象A\位于观察者的明视距离(距人眼250mm)处，供眼睛观察，在视网膜上成最终的实象A'''B'''。 以上利用几何光学原理对显微镜的成象过程进行了分析。但是实际上金相显微镜所观察的显微组织，往往几何尺寸很小，小至可与光波的波长相比较，根据光的电磁波理论，此时不能再近似地把光线看成是直线传播，而要考虑衍射的影响。另一方面，显微镜中的光线总是部分相干的。

材料科学与工程基础试验教程一

中原工学院材料加工工程系

第一部分 基本原理

一、金相显微镜的原理及构造

显微分析方法是材料科学领域的一个很重要的研究方法，它可以观察及研究金属等材料中用宏观分析方法无法观察到的组织细节及缺陷。金相显微镜就是进行显微分析的主要工具。 (一) 显微镜的成象原理

显微镜的基本放大原理如图1-1所示。其放大作用主要由焦距很短的物镜和焦距较长的目镜来完成。为了减少象差，显微镜的目镜和物镜都是由透镜组构成复杂的光学系统，其中物镜的构造尤为复杂。为了便于说明，图中的物镜和目镜都简化为单透镜。物体AB位于物镜的前焦点外但很靠近焦点的位置上，经过物镜形成一个倒立放大的实象A'B'，这个象位于目镜的物方焦距内但很靠近焦点的位置上，作为目镜的物体。目镜将物镜放大的实象再放大成虚象A\位于观察者的明视距离(距人眼250mm)处，供眼睛观察，在视网膜上成最终的实象A'''B'''。 以上利用几何光学原理对显微镜的成象过程进行了分析。但是实际上金相显微镜所观察的显微组织，往往几何尺寸很小，小至可与光波的波长相比较，根据光的电磁波理论，此时不能再近似地把光线看成是直线传播，而要考虑衍射的影响。另一方面，显微镜中的光线总是部分相干的。

《材料科学基础》

课程设计报告

设计题目 ： 水泥制品的设计 学生姓名 ： 何祥涛 学 号 ： 1020560126

指导老师姓名： 朱国平 所 属 院(系)： 化学生物与材料科学学院 专 业 班 级 ： 材料化学（1）班 课程设计时间 ： 2013 年 1 月 8日

课程设计的总结报告

一．课程设计的基本任务

结合钙铝硅三元相图，通过查阅资料了解水泥生产工艺，设计并确定原料配

方和烧成冷却温度制度。

二．课程设计的基本要求

1．读懂并分析钙铝硅三元相图，尤其是高钙部分。

2．硅酸盐水泥熟料由C2S、C3S、C3A、C4AF四种矿物组成，根据三角形规则，确定配料点。根据你的配料，写出相关析晶过程。 3．常用的水泥生料的主要成分是CaO、Al2O3、SiO2、Fe2O3，因为Fe2O3含量低，并入Al2O3一起考虑，设计水泥材料生料化学组成。 4．查阅相关资料，画出水泥生产工艺流程图。

5．硅酸盐水泥生产所采用的原料是：石灰石、粘土以及校正原料，在报告中提出配料计算大致过程。

6．根据你设计的配料确定烧成和冷却温度制度，并探讨你的烧成和冷却温度制度对你的产品性能可能产生的

实 验 报 告

实验课程： 材 料 科 学 基 础 学生姓名： 学 号：

专业班级：

年 月 日

实验一 浇注和凝固条件对铸锭组织的影响

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。

铸锭的组织（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

第1章 晶体结构

1．在立方晶系中，一晶面在x轴的截距为1，在y轴的截距为1/2，且平行于z 轴，一晶向上某点坐标为x=1/2，y=0，z=1，求出其晶面指数和晶向指数， 并绘图示之。

2．画出立方晶系中下列晶面和晶向：（010），（011），（111），（231），(321)，[010]， [011]，[111]，[231]，[321]。

3．纯铝晶体为面心立方点阵，已知铝的相对原子质量Ar（Al）=27，原子半径r=0.143nm，求铝晶体的密度。

4．何谓晶体？晶体与非晶体有何区别？

5．试举例说明：晶体结构与空间点阵？单位空间格子与空间点阵的关系？ 6．什么叫离子极化？极化对晶体结构有什么影响？ 7．何谓配位数（离子晶体/单质）？ 8．何谓对称操作，对称要素？

9．计算面心立方结构（111）与（100）晶面的面间距及原子密度（原子个数/单位面积）。

10．已知室温下α-Fe（体心）的点阵常数为0.286nm，分别求（100）、（110）、

（123）的晶面间距。

11. 已知室温下γ-Fe（面心）的点阵常数为0.365nm，分别求（100）、（110）、（112）的晶面间距。

12. 已知Cs+半径为0.170nm，

第1章 晶体结构

1．在立方晶系中，一晶面在x轴的截距为1，在y轴的截距为1/2，且平行于z 轴，一晶向上某点坐标为x=1/2，y=0，z=1，求出其晶面指数和晶向指数， 并绘图示之。

2．画出立方晶系中下列晶面和晶向：（010），（011），（111），（231），(321)，[010]， [011]，[111]，[231]，[321]。

3．纯铝晶体为面心立方点阵，已知铝的相对原子质量Ar（Al）=27，原子半径r=0.143nm，求铝晶体的密度。

4．何谓晶体？晶体与非晶体有何区别？

5．试举例说明：晶体结构与空间点阵？单位空间格子与空间点阵的关系？ 6．什么叫离子极化？极化对晶体结构有什么影响？ 7．何谓配位数（离子晶体/单质）？ 8．何谓对称操作，对称要素？

9．计算面心立方结构（111）与（100）晶面的面间距及原子密度（原子个数/单位面积）。

10．已知室温下α-Fe（体心）的点阵常数为0.286nm，分别求（100）、（110）、

（123）的晶面间距。

11. 已知室温下γ-Fe（面心）的点阵常数为0.365nm，分别求（100）、（110）、（112）的晶面间距。

12. 已知Cs+半径为0.170nm，

单项选择题：（每一道题1分） 第1章 原子结构与键合 1. 2. 3.

高分子材料中的C-H化学键属于 c 。

（B）离子键

（C）共价键

属于物理键的是 b 。

（B）范德华力 （B）离子键

（C）氢键 （C）金属键

化学键中通过共用电子对形成的是 a 。 （A）氢键 （A）共价键 （A）共价键 4. 5. 6. 7. 8. 9.

第2章 固体结构

面心立方晶体的致密度为 C 。

（B）68% （B）68% （B）68%

（C）74% （C）74% （C）74%

体心立方晶体的致密度为 B 。 密排六方晶体的致密度为 C 。 以下不具有多晶型性的金属是 a 。

（B）锰

（C）铁

（C）{111} （C）hcp （C）细晶强化

面心立方晶体的孪晶面是 c 。

（B）{110} （B）bcc

fcc、bcc、hcp三种单晶材料中，形变时各向异性行为最显著的是 c 。 （A）100% （A）100% （

材料科学是研究各种材料成分、结构、组织和性能以及它们之间关系的科学。 材料的分类：用途分（机构材料和功能材料）属性（金属、非金属、有机高分子）

材料科学基础是进行材料科学研究的基础理论，它将各种材料（包括金属、陶瓷、高分子材料）的微观结构和宏观结构规律建立在共同的理论基础上，用于指导材料的研究、生产、应用和发展。

金属键：金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键

特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构 性质：良好导电、导热性能，延展性好

离子键：正负离子依靠它们之间的静电力结合在一起形成的键 特点：无方向性、饱和性

性质：熔点硬度较高、良好的电绝缘体

共价键：两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子队形成的化学键 特点：饱和性、配位数较小、方向性 性质：熔点高、质硬脆、导电能力差

晶体：原子（离子或分子）在三维空间有规则的周期性重复排列的物质（各向异性、固定熔点）

空间点阵：将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点，即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列

晶胞：在空间点阵中取出一个具有代表性的基本单元作为点阵的组成单元。 选取原则：1.选

《材料科学基础》考试大纲 一、考试的基本要求 《材料科学基础》是材料学科的专业基础课，着重研究材料的成分、加工方法与材料的组织、性能之间的关系以及其变化规律，是发挥材料潜力、充分利用现有材料和研究开发新材料的理论基础，是考生学习后续相关材料课程和今后从事材料专业的工作基础课程。 要求考生比较系统地掌握材料科学的基本概念、基础理论及其应用。系统地理解材料与成分、组织结构与性能内在联系，具备综合运用知识分析和解决工程实际问题的能力。 二、考试内容

第1部分 材料的原子结构与键合

原子结构与原子的电子结构；

原子的结构：原子是由质子和中子组成的原子核，以及核外电子所构成。原子核内的中子呈电中性，质子带有正电荷。通过静电吸引，带负电荷的电子被牢牢地束缚在原子核的周围。因为在中性原子中，电子和质子数目相等，所以原子作为一个整体，呈电中性。 原子的电子结构：电子在原子核外空间做高速旋转远动，原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子数来决定，a.主量子数n;b.轨道角动量量子数l；c.磁量子数；d.自选角动量量子数s

原子结构、原子排列对材料性能的影响

材料中的结合键的类型、本质，各结合键对材料性能的影响 金属键：金属中的自由电子与金属正离子相互