材料结构与性能-实验指导书

研究生实验教学指导书《材料结构与性能》课程实验撰写人：郭宇航江苏科技大学材料科学与工程学院2009年3月实验一：多晶体中的织构及组织、性能分析实验二：疲劳试样中位错组态观察实验一：“多晶体中的织构及组织、性能分析”实验教学指导书实验项目编号：宋体五号实验项目名称：多晶体中的织构及组织、性能分析（中文）SynthesisandAnalysisofSignal（英文）实验类型：设计、研究实验学时数：6学时每组核定人数：6人适用专业：材料学、材料加工、有色金属冶金、材料物理化学专业先修课程和环节：掌握金属材料晶体学基础知识，晶格常数，晶体取向等概念；一、实验目的1．在《材料结构与性能》课程中，金属材料的微观结构及其与材料宏观性能之间的关系是教学中的重点内容之一。金属材料的微观结构与宏观性能之间的联系是金属材料领域的当前研究的热点之一，晶体学织构及相应的各向异性是现代先进材料十分重要的特性。本实验的主要目的是为了使同学对金属材料的微观结构与宏观性能之间有一个感性认识与了解。2．通过对现有的金属晶体材料进行微观测试，研究它们的晶体取向与力学性能之间的关系，本实验的另一个目的是通过和我们的预期结果进行比较，分析材料微观结构和晶体取向（即材料的织构）与宏观性能之间的联系。3．学会用电解抛光法制备金属EBSD样品，熟悉并了解EBSD的基本原理和材料微观织构与材料各向异性之间的联系。二、实验内容及基本原理（一）实验内容本实验内容包括以下五个部分：1．金属材料的选择；通过查阅相关文献，每小组确定不同成分的金属材料做为研究对象，并设计出一套可行的变形工艺（1~3个变形量）。如：Cu冷变形10%，20%；Al冷变形10%，20%；1Cr18Ni9冷变形10%，20%等。2.冷变形后处理工艺选择，如：冷变形后再结晶，退火等；3.EBSD样品制备方法，如：电解抛光法，机械-化学抛光，电解双喷，离子减薄等。4.熟悉EBSD样品的基本要求：表面光滑，无变形层，无氧化层。5.了解电解抛光法制备EBSD样品的抛光设备，如：电解抛光仪，液氮冷却槽；丹麦全自动抛光机；电解双喷，超声波清洗等设备的使用（二）实验原理塑性变形后晶面及晶向优先平行于某个方向或某个平面的现象称为择优取向，具有择优取向的金属多晶体组织就叫织构。织构对合金的弹性、屈服、拉伸强度、断裂及疲劳等各种性能的影响是当前材料学界研究的重点。三、实验用仪器与药品1．EBSD样品制备设备：恒压恒流电解抛光，丹麦全自动抛光机，电解双喷，离子减薄（根据EBSD样品制备方法的不同，可选择不同设备）。2．JEOL-6480+INCA-EBSD（织构检测），蔡司金相显微镜一台（组织观察），布洛维硬度计各一台（硬度试验）。四、实验方法与步骤（一）材料选择每个小组的材料体系不同，具体材料通过查阅文献和小组成员讨论后确定。（二）样品制备制备根据设备的使用情况和每个小组的兴趣出发，可以选择适合的EBSD样品制备方法（电解抛光法，机械-化学抛光，电解双喷，离子减薄）。（三）性能检测通过金相法确定材料的组织，再对所制备材料进行性能测试（主要是硬度、微观结构等）。并分析组织与结构之间的内在关系。（四）实验报告以小组为单位提交一份实验报告，包括：实验内容、原理、数据分析、以及实验心得。其中实验心得包括：实验的成功经验和失败原因总结。五、实验准备及预习要求1.实验内容查阅相关文献，了解实验基本原理。2.实验报告前半部分：实验目的、实验原理等。六、实验注意事项1.操作设备时严格按照操作规程，并在教师指导下完成。2.实验完毕后清理场地，并保持实验室卫生及实验器材摆放整齐。七、思考题1.合格EBSD样品具有哪些明显特征？2.材料织构的分析方法有哪些？八、实验报告内容及格式1.实验目的2.实验原理3.实验方法4.实验材料与设备5.实验结果及数据分析6.实践意义与理论价值分析实验二：“疲劳试样中位错组态观察”实验教学指导书实验项目编号：宋体五号实验项目名称：疲劳试样中位错组态观察（中文）SynthesisandAnalysisofSignal（英文）实验类型：设计、研究实验学时数：8学时每组核定人数：5人适用专业：材料学、材料加工、有色金属冶金、材料物理化学专业先修课程和环节：掌握非晶态相关基本知识及应用前景，了解非晶态合金的制备工艺，成分设计以及性能检测等相关知识。以下标题为黑体小四号加粗，段前与段后间距为1行，正文为宋体五号，行间距为18磅，字间距为标准间距。页面设置：即A4纸编排，双面打印，页边距为上2.8CM,下2.5CM，左2.8CM，右2.5CM，（反面打印时左2.5cm，右2.8cm）,装订线位置为左侧。一、实验目的1．在《材料结构与性能》课程中，晶体结构、位错与材料强度等是教学中的重点内容之一。位错作为一种缺陷存在于晶体材料之中对材料的塑性、强度、断裂等力学性质等发生很大影响，因而受到材料科学界和物理学界的重视，更是金属材料领域的当前热点之一。本实验的主要目的是使同学掌握透射电镜（TEM）样品制备技术，对位错分析有一个感性认识与了解。2．在材料的选择上要求学生通过查阅文献，选择不同材料体系。本实验的另一个目的是通过对透射样品的制备和疲劳位错的观察，能够使学生对材料的微观结构有一个宏观的认识。3．学会用电解双喷法制备透射电镜（TEM）样品，简单分析晶体材料中疲劳位错类型。二、实验内容及基本原理（一）实验内容本实验内容包括以下三个部分：1.材料选择；2.TEM样品制备方法的选择根据材料的不同可选择，如：电解双喷，离子减薄等。3.学习TEM基本原理，学会使用电解双喷，离子减薄等实验设备；（二）实验原理透射电镜是以电子束透过样品经过聚焦与放大后所产生的物像，投射到荧光屏上或照相底片上进行观察。透射电镜的分辨率为0.1～0.2nm，放大倍数为几万～几十万倍。位错是晶体中普遍存在的，也是最重要的一种缺陷。通过观察位错可以进一步的了解位错对材料宏观性能的影响。三、实验用仪器与药品1．电解双喷，离子减薄（根据不同制备方法选择不同设备）。2．疲劳试验机，切片机，线切割，预磨机等。四、实验方法与步骤（一）材料选择每个小组的材料体系不同，具体成分设计课通过查阅文献和小组成员讨论后确定。（二）样品制备根据设备的使用情况和每个小组的兴趣出发，可以选择适合的样品制备方法（电解双喷，离子减薄）。（三）位错观察通过TEM观察我们所制备的疲劳试样中位错，并分析位错类型。晶体中位错的基本类型为刃型位错和螺型位错，实际位错往往是两种位错的复合，称为混合位错。（四）实验报告以小组为单位提交一份实验报告，包括：实验内容、原理、数据分析、以及实验心得。其中实验心得包括：实验的成功经验和失败原因总结。五、实验准备及预习要求1.实验内容查阅相关文献，了解实验基本原理。2.实验报告前半部分：实验目的、实验原理等。六、实验注意事项1.操作设备时严格按照操作规程，并在教师指导下完成。2.实验完毕后清理场地，并保持实验室卫生及实验器材摆放整齐。七、思考题1.位错作为材料的缺陷，我们如何利用它来提高材料性能？2.简单叙述位错类型？3.详细了解透射电镜的原理及功能八、实验报告内容及格式1.实验目的2.实验原理3.实验方法4.实验材料与设备5.实验结果及数据分析6.实践意义与理论价值分析实验三：“纳米材料制备工艺及检验技术的实验研究”实验教学指导书实验项目编号：宋体五号实验项目名称：纳米材料制备工艺及检验技术的实验研究（中文）SynthesisandAnalysisofSignal（英文）实验类型：设计、研究实验学时数：6学时每组核定人数：6人适用专业：材料学、材料加工、有色金属冶金、材料物理化学专业先修课程和环节：掌握金属基复合材料相关基本知识，以及原位自生的基本原理；复合材料的成分设计；复合材料的制备及性能检测相关知识；以下标题为黑体小四号加粗，段前与段后间距为1行，正文为宋体五号，行间距为18磅，字间距为标准间距。页面设置：即A4纸编排，双面打印，页边距为上2.8CM,下2.5CM，左2.8CM，右2.5CM，（反面打印时左2.5cm，右2.8cm）,装订线位置为左侧。一、实验目的1．在《现代工程材料》课程中，纳米材料的制备，应用等是教学中的重点内容之一。纳米科技的研究和发展已进入一个新阶段，纳米技术将引起一场各个领域生产方式的变革，也将改变未来人们的生活方式和工作方式。纳米材料的制备工艺以及使用性能早已成为材料领域的研究热点之一。本实验的主要目的是为了使同学对纳米材料材料的制备以及基本检测有一个感性认识与了解。2．在材料的成分设计上要求学生通过查阅文献，选择不同体系，不同的成分设计，通过这样的训练，学生可以独立开展材料的成分设计工作。本实验的另一个目的是制备的纳米材料并对其进行性能测试，和我们的预期结果进行比较，分析实验中的优缺点。3．学会用真空甩带机，化学气相沉积，磁控溅射，X射线衍射仪等相关设备。二、实验内容及基本原理（一）实验内容本实验内容包括以下四个部分：1.材料的成分选择；通过查阅相关文献，每小组确定不同的材料成分体系，并设计出一组可行的成分表（2~3个成分）。如：纳米TiO2，纳米ZnO，纳米Cu等。2.制备方法的选择，如：非晶晶化法，化学气相沉积，溶胶-凝胶法，机械合金化，磁控溅射等。3.学习使用旋转蒸发仪，化学气相沉积，真空甩带机，高速行星球磨机，磁控溅射仪，高温摩擦磨损仪等主要的实验设备；（二）实验原理纳米是一个长度计量单位，1纳米等于10-9米，纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下(1-100nm)的微小结构，纳米技术是在纳米尺寸上对物质和材料进行研究处理的技术，其本质上是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术。三、实验用仪器与药品1．制备设备：旋转蒸发仪，恒压恒流电源，高速行星球磨机，磁控溅射仪，真空甩带机等（根据不同制备方法选择不同设备）。2．性能测试设备：扫描电镜SEM，高温摩擦磨损仪，蔡司金相显微镜，布洛维硬度计各一台。四、实验方法与步骤（一）成分设计每个小组的材料体系不同，具体成分设计课通过查阅文献和小组成员讨论后确定。（二）材料制备根据设备的使用情况和每个小组的兴趣出发，可以选择适合的制备方法（非晶晶化法，化学气相沉积，溶胶-凝胶法，机械合金化，磁控溅射）。（三）性能检测通过扫描电镜SEM，金相显微镜确定材料的组织，再对所制备材料进行性能测试（硬度、摩擦磨损、微观结构等）。并分析组织与结构之间的内在关系。（四）实验报告以小组为单位提交一份实验报告，包括：实验内容、原理、数据分析、以及实验心得。其中实验心得包括：实验的成功经验和失败原因总结。五、实验准备及预习要求1.实验内容查阅相关文献，了解实验基本原理。2.实验报告前半部分：实验目的、实验原理等。六、实验注意事项1.操作设备时严格按照操作规程，并在教师指导下完成。2.实验完毕后清理场地，并保持实验室卫生及实验器材摆放整齐。七、思考题1.纳米材料与传统材料相比具有哪些优势？2.大块纳米材料的制备方法有哪些？八、实验报告内容及格式1.实验目的2.实验原理3.实验方法4.实验材料与设备5.实验结果及数据分析6.实践意义与理论价值分析