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《材料物理性能及表征实验》实验教学大纲
2013-03-28 19:23   审核人:

 

课程编号:1760                   课程性质:独立设课实验       

课程名称:材料物理性能及表征实验   英文名称:Materials Engineering Experiments   

隶属课群:材料物理与化学           课程总学时:48 

实验学时:48                       上机学时:0

适用专业:材料物理                            

 

一、本课程实验教学性质、目的和任务:

《材料物理性能及表征实验》是材料物理工程专业必修的实践性专业课,是系统专业学习过程中必不可少的教学环节。开设此课程的目的在于培养学生基本的工程素质,提高学生分析问题和解决问题的能力以及实际动手操作能力,进一步加深对专业课学习的理解。本课程的基本任务在于让学生掌握理解材料物理原理、性能和表征的理论和实验技能。

二、实验教学的主要内容和基本要求

主要内容

1.材料热、电、磁、声和光性能的原理及测试方法

2.材料的表征检测及分析。

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.扫描电镜显微组织分析采用多媒体教学。

三、实验项目及学时分配表

序号

实验项目名称

计划学时

实验类型

开出要求

每组人数

1

材料导热系数测定

2

验证

选开

2~3

2

材料比热容测定

2

验证

选开

2~3

3

材料热膨胀系数和临界点的测定

3

验证

必开

2~3

4

材料热分析测试

3

验证

必开

2~3

5

材料电导率测定

2

验证

选开

2~3

6

晶体缺陷和温度对金属材料电学性能的影响

2

验证

选开

2~3

7

材料的介电常数、介电损耗测定

2

验证

选开

2~3

8

材料压电常数D33 测定

2

验证

选开

2~3

9

铁电体的铁电特性测试(电滞回线)

2

验证

选开

2~3

10

材料热释电系数测定

2

验证

选开

2~3

11

材料耐击穿电压测定

2

验证

选开

2~3

12

材料介电常数的温度系数测定

4

综合

选开

2~3

13

材料液态电阻测定

2

验证

选开

2~3

14

双臂电桥测量钢淬火回火后电阻变化

2

验证

必开

2~3

15

材料磁滞回线测定

2

验证

选开

2~3

16

红外玻璃的红外吸收光谱测定

2

验证

必开

2~3

17

消声材料消声特性测试

2

验证

选开

2~3

18

材料阻尼特性测试

2

验证

选开

2~3

19

透射电镜试样制备

2

演示

必开

2~3

20

透射电镜组织分析及衍射斑点标定

4

演示

必开

2~3

21

透射电镜典型组织观察

2

验证

必开

2~3

22

扫描电镜组织分析

4

验证

必开

2~3

23

XRD结构分析

4

验证

必开

2~3

 

四、实验项目教学大纲

 

实验一   材料导热系数的测定

 

(一)实验类型:验证

(二)实验目的:

    用平板稳态法测不良导体和金属的导热系数。

(三)实验内容:

1.了解热传导的基本规律

2.学会测定不良导体导热系数的实验方法

(四)实验要求:

实验教学组织安排

1. 每班45批,每组23人。实行组长负责制,成员既要有明确分工又要相互协作;

    2.按照实验流程做好各项实验准备工作,熟悉实验用仪器、工装,制定实验工艺及实验计划,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.评定分析测试材料导热性能,阐述材料的使用范围。

2.对实验数据分析整理得到那些结果,归纳实验结果与影响因素之间的关系,进一步进行理论分析。

(五)主要仪器设备:

    YBF-3型导热系数测定仪、硅橡胶、胶木板、金属、空气

 

实验二   材料比热容的测定

 

(一)实验类型:验证

(二)实验目的:

      用电热法测定材料的比热容

(三)实验内容:

      1.  通过实验了解金属的冷却速率并且测得金属在不同温度的比热容

      2. 了解金属与环境之间温差的关系以及进行测量的实验条件

(四)实验要求:(实验教学组织安排)

1. 每班45批,每组23人。实行组长负责制,成员既要有明确分工又要相互协作;

      2.按照实验流程做好各项实验准备工作,熟悉实验用仪器、工装,制定实验工艺及实验计划,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.评定分析测试材料在不同温度下的比热容。

2.对实验数据分析整理得到那些结果,归纳实验结果与影响因素之间的关系,进一步进行理论分析。

(五)主要仪器设备:

       DH603型金属比热容测定仪、铜、铁、铝

 

实验三 材料热膨胀系数和临界点的测定

 

(一)实验类型:验证

(二)实验目的:

1.了解并掌握用热膨胀法测定金属热膨胀系数和临界点的原理及方法

2.了解金属材料的热膨胀规律及特征

3.了解应用膨胀法分析研究金属学及热处理的基本方法

(三)实验内容:

1. 测定材料在加热过程的线性热膨胀曲线

2. 根据所测数据绘制热膨胀曲线,测定试样加热过程中的热膨胀系数

3. 根据所测数据绘制热膨胀曲线,测定试样加热过程中的临界点。

(四)实验要求:

1. 每班810组,每组23人。实行组长负责制,成员既要有明确分工又要相互协作;

      2.按照实验流程做好各项实验准备工作,熟悉实验用仪器、工装,制定实验工艺及实验计划,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.控制升温速度,从50℃开始每隔50℃记录一次伸缩量。

2.  加热到850℃完成测量,根据所测数据绘制温度-位移量曲线,在热膨胀曲线上测定试样材料的Ac1Ac3,并根据曲线测出珠光体和奥氏体的平均线膨胀系数。

(五)主要仪器设备:

机械式膨胀仪、千分表、热电偶、直流电位差计、调压器。

 

实验四  材料热分析测试

 

(一)实验类型:验证

(二)实验目的:

1.通过用CDR-4P差动热分析仪测定聚合物的加热及冷却图谱,了解DTADSC的原理。

2. 掌握应用DSC测定聚合物的TgTcTm、△Hf及结晶度fc的方法。

(三)实验内容:

1. 按照实验规程,能够准确使用和连接实验设备。

2. 测出金属和聚合物的DSC曲线各一条。

(四)实验要求:

1. 每班810组,每组23人。实行组长负责制,成员既要有明确分工又要相互协作;

    2.按照实验流程做好各项实验准备工作,熟悉实验用仪器、工装,制定实验工艺及实验计划,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.在DSC谱图上标出TmTcTg点。

2.  说明影响DSC实验结果的因素有哪些?

3. 比较聚合物和金属的DCS实验结果有何不同?

(五)主要仪器设备:

梅特勒852型示差量热分析仪、 待测样品

 

实验五  材料电导率的测定

 

(一)实验类型:验证

(二)实验目的:

1. 了解电导率和电阻率的基本概念及两者之间的关系。

2. 了解导电的微观机理。

3.  能够利用实验仪器测出材料的电导率。

(三)实验内容:

1. 根据实验原理和规程,能够准确的连接实验线路。

2. 测出不同试样的电导率,并进行比较。  

(四)实验要求:

1. 每班810组,每组23人。实行组长负责制,成员既要有明确分工又要相互协作;

    2.按照实验流程做好各项实验准备工作,熟悉实验用仪器、工装,制定实验工艺及实验计划,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.根据实验结果,计算电导率。

2.  根据电导率来对所测试样分类。

(五)主要仪器设备:

电导率测定仪、导体、半导体、绝缘体

 

实验六 晶体缺陷和温度对金属材料电学性能的影响

 

(一)实验类型:验证

(二)实验目的

1. 了解温度对金属材料电阻影响的规律,掌握四端测量法。

2. 了解位错及晶界等晶体缺陷对金属材料电阻的影响。

3. 了解位错及晶界等晶体缺陷对金属材料传输性能的影响。

(三)实验内容

1. 学会进行液氮的灌注

2. 学会电路的连接

(四)实验要求

1. 每班810组,每组23人。实行组长负责制,成员既要有明确分工又要相互协作;

    2.按照实验流程做好各项实验准备工作,熟悉实验用仪器、工装,制定实验工艺及实验计划,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

根据实验结果,从电阻和电的传输性能方面总结晶体缺陷和温度对金属材料电学性能的影响。

(五)实验设备和仪器

不锈钢杜瓦容器和支架; Agilent-34420A纳欧电阻仪; Agilent-E5061A网络分析仪;变形单晶铜线材以及电缆

 

实验七 材料的介电常数、介电损耗测定

 

(一)实验类型:验证

(二)实验目的

加深对材料介电性质的理解,掌握测量材料介电常数和介电损耗的方法。

(三)实验内容:

1. 学习介电性能测试仪的操作步骤和注意事项。

2. 根据样品要求制备2-3种电介质材料样品。

3. 学生自己动手操作实验,对2-3种介电材料进行测试和采集数据,并撰写实验报告。

(四)实验要求:

1. 掌握表征电介质材料介电性能的物理参量及其物理意义。

2. 掌握介电性能测试仪的操作步骤和注意事项。

3. 熟悉所用仪器的测试原理与过程。

4. 通过测试实验、对电介质材料的介电性能有感性认识。

5. 撰写实验报告。

(五)主要仪器设备:介电性能测试仪(阻抗分析仪)。

(六)实验中注意事项:严格按照仪器的操作步骤进行实验。

 

实验八 材料的压电常数d33测定

 

(一)实验类型:验证

(二)实验目的:

加深对材料压电性质的理解,掌握材料压电常数d33的物理意义及测量方法。

(三)实验内容:

1. 学习压电材料的压电效应、压电性能参数、极化机理与过程。

2. 学习压电常数测试仪的操作步骤和注意事项。

3. 根据样品要求制备2-3种压电材料样品。

4. 学生自己动手操作实验,对2-3种压电材料进行测试和采集数据,并撰写实验报告。

(四)实验要求:

1. 掌握压电陶瓷的压电效应、压电性能参数、极化机理与过程。

2. 了解压电常数测试仪的操作步骤和注意事项。

3. 熟悉所用仪器的测试原理、过程及数据采集方法。

4. 通过测试实验、对压电材料的压电效应有感性认识。

5. 撰写实验报告。

(五)主要仪器设备:准静态压电常数d33测试仪,高电压极化系统。

(六)实验中注意事项:严格按照仪器的操作步骤进行实验。尤其注意不要触摸高电压极化系统的高电压输出端,以防触电。

 

实验九 铁电体的铁电特性测试

 

(一)实验类型:验证

(二)实验目的:理解铁电材料的铁电特性,掌握材料的结构与铁电特性的基本关系。

(三)实验内容:

1. 学习铁电材料的铁电特性。

2. 学习铁电性测试系统的操作步骤和注意事项。

3. 根据样品要求制备2-3种铁电材料样品。

4. 学生自己动手操作实验,对2-3种铁电材料进行测试和采集数据,并撰写实验报告。

(四)实验要求:

1. 掌握材料的结构与铁电特性的基本关系,以及几种不同相结构铁电体材料的铁电特性。

2. 了解铁电性测试系统的操作步骤和注意事项。

3. 熟悉测试原理、过程及数据采集方法。

4. 撰写实验报告。

(五)主要仪器设备:铁电性测试系统,由电滞回线测试装置和PC计算机组成。

(六)实验中注意事项:严格按照仪器的操作步骤进行实验。

 

实验十 材料热释电性能测试

 

(一)实验类型:验证

(二)实验目的:

加深对材料热释电性能的理解,掌握材料热释电性能参数的测试方法。

(三)实验内容:

1. 学习材料的热释电性能。

2. 学习热释电性能测试系统的操作步骤和注意事项。

3. 根据样品要求制备2-3种热释电材料样品。

4. 学生自己动手操作实验,对2-3种热释电材料进行测试和采集数据,并撰写实验报告。

(四)实验要求:

1. 掌握材料的热释电特性及其参数的物理意义。

2. 掌握热释电性能测试系统的操作步骤和注意事项。

3. 熟悉测试原理、过程及数据采集方法。

4. 撰写实验报告。

(五)主要仪器设备:热释电性能测试系统,由加热炉、皮安计和PC计算机组成。

(六)实验中注意事项:严格按照仪器的操作步骤进行实验。

 

实验十一 材料的耐电压强度测定

 

(一)实验类型:验证

(二)实验目的:

理解电介质材料的耐电压强度的物理意义及测量方法。

(三)实验内容:

1. 学习电介质材料的耐电压性质和高电压击穿机制。

2. 学习耐压性能测试仪的操作步骤和注意事项。

3. 根据样品要求制备2-3种电介质材料样品。

4. 学生自己动手操作实验,对2-3种介电材料进行测试和采集数据,并撰写实验报告。

(四)实验要求:

1. 掌握电介质材料的耐电压特性。

2. 了解耐压性能测试仪的操作步骤和注意事项。

3. 熟悉设备的测试原理、过程。

4. 通过测试实验、对材料的耐电压性能有感性认识。

5. 撰写实验报告。

(五)主要仪器设备:耐压测试仪。

(六)实验中注意事项:严格按照仪器的操作步骤进行实验。尤其注意不要触摸耐电压测试仪的高电压输出端,以防触电。

 

实验十二 材料介电常数的温度系数实验

 

(一)实验类型:综合

(二)实验目的:

加深对电介质材料介电温度特性的理解,掌握材料的介电性能温度特性的测量方法。

(三)实验内容:

1. 学习电介质材料的介电温度特性。

2. 学习介电温度特性测试系统的操作步骤和注意事项。

3. 根据样品要求制备2-3种介电材料样品。

4. 学生自己动手操作实验,对2-3种介电材料进行测试和采集数据,并撰写实验报告。

(四)实验要求:

1. 掌握温度对电介质材料的介电性能的影响,以及几种不同结构电介质材料的介电温度特性。

2. 了解介电温度特性测试系统的操作步骤和注意事项。

3. 熟悉测试原理、过程及数据采集方法。

4. 撰写实验报告。

(五)主要仪器设备:介电性能温度特性测试系统,由加热炉体、阻抗分析仪和PC计算机组成。

(六)实验中注意事项:严格按照仪器的操作步骤进行实验。

 

实验十三 液态电阻的测定

 

(一)实验类型:验证

(二)实验目的

1. 通过研究金属电阻在不同条件下的变化规律窥视金属结构的变化。

2. 掌握直流恒流源四电极法测量液态金属电阻值。

3. 了解实验装置的原理。

(三)实验内容

1.  测量被测试样的电压;

2.  计算被测试样的电阻;

3.  将被测试样的电阻转换出电阻率。

(四)实验要求

    1.按照实验流程做好各项实验准备工作,熟悉实验用仪器、工装,制定实验工艺及实验计划,确定实验日期;

    2.实验以学生为主体,教师指导为辅。

实验报告要求

1.评定被测材料的液体电阻。

2.对实验数据分析整理得到那些结果,归纳实验结果并能画出同一材料在不同温度下的电阻的曲线图。

(五)仪器和设备

直流恒流源四电极装置;上海电表厂生产的PF66M型数字多用表;美国Keithely公司生产的Keithly2182纳伏表,

 

实验十四  双臂电桥测量钢淬火回火后的电阻变化

 

(一)实验类型:验证

(二)实验目的:

通过测量T8钢淬火经不同温度回火时的电阻变化,研究淬火组织马氏体经不同温度回火后的分解过程,了解应用电阻分析法研究合金组织结构的基本方法。

(三)实验内容:

将材料T8钢制成 Φ6120mm的试样,经过780℃淬火,然后在110 230 300不同温度进行回火一小时。使用QJ44 型携带式直流双臂电桥,采用四点接线法连接试样架,测量试样电阻值。

(四)实验要求:

对经不同热处理后的试样的电阻变化测量,根据所测量数据,绘制淬火钢电阻-回火温度曲线。

(五)主要仪器设备:

SQJ44 型数字式直流双臂电桥、试样架

 

实验十五  磁滞回线和基本磁化曲线

 

(一)实验类型:验证

(二)实验目的:

1.观察磁性材料的基本磁化过程,掌握磁性材料的基本磁化规律;观察磁滞现象。

2.了解用示波器显示磁滞回线的基本原理;学习用示波器测绘磁滞回线和基本磁化曲线。

(三)实验内容:

1. 线路连接;样品消磁1;绘制磁滞回线;观察并描绘基本磁化曲线;

2. 线路连接;样品消磁2;绘制磁滞回线;观察并描绘基本磁化曲线;

3. 观察、比较被测样品1和样品2的磁化性能。

(四)实验要求:

1.每人带两张16开坐标纸

2. 每班45批,每组23人。实行组长负责制,成员既要有明确分工又要相互协作;

    3.按照实验流程做好各项实验准备工作,熟悉实验用仪器、工装,制定实验工艺及实验计划,确定实验日期;

    4.实验以学生为主体,教师指导为辅。

 

(五)主要仪器设备:

   磁滞回线测定仪

 

实验十六 红外玻璃的红外吸收光谱测定

 

(一)实验类型:验证

(二)实验目的:

1. 了解傅立叶变换红外光谱仪的工作原理,学习SPECTRUM GX型傅立叶变换红外光谱仪的使用方法。

2. 学习各种类型样品的制样方法,掌握常用的固态物质红外制样方法。

3. 学习利用红外吸收光谱对材料结构进行定性鉴定的方法。

4.  学习红外光谱谱图解析的方法,学会用透过率估算折射率。

(三)实验内容:

1. 收集样品的红外光谱图

2. 在计算机内对红外光谱谱图的处理

3. 谱图解析

(四)实验要求:

1. 每班45批,每组23人。实行组长负责制,成员既要有明确分工又要相互协作;

      2.按照实验流程做好各项实验准备工作,熟悉实验用仪器、工装,制定实验工艺及实验计划,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

对照试样的结构,对红外谱图中的吸收峰进行归属,归纳实验结果,进一步进行理论分析。

(五)主要仪器设备:

SPECTRUM GX型傅立叶变换红外光谱仪或其他型号的红外谱仪器、

红外玻璃样品、夹具、双面胶

 

实验十七 材料阻尼性能测试

 

(一)实验类型:演示

(二)实验目的

1. 了解材料的阻尼特性及其表征参数

2. 了解声学材料阻尼性能的弯曲共振测试方法

(三)实验内容

1. 了解悬臂梁法测试材料阻尼性能的基本原理。

2. 制备试样、测量试样的密度及截面尺寸

3. 安装试样,进行温度和换能器位置调节

4. 测量并记录实验数据。

5. 进行结果计算

(四)实验要求

1. 每班45批,每组23人。

2.按照实验流程做好各项实验准备工作,熟悉试样的制备以及设备仪器、工装,制定实验工艺及实验计划,确定实验日期;

3.实验以学生为主体,教师指导为辅。

(五)实验设备及仪器

多功能内耗仪

 

实验十八 消声材料吸声特性测试

 

(一)实验类型:演示

(二)实验目的

1. 了解材料的吸声特性

2.了解驻波比法测量材料吸声系数

(三)实验内容

1. 驻波管的安装与调试(测量试件的安装)

2. 测量驻波比;

3. 计算材料的吸声系数;

(四)实验要求

1. 每班45批,每组23人。

2.按照实验流程做好各项实验准备工作,熟悉sw002阻尼管仪器、工装,制定实验工艺及实验计划,确定实验日期;

    3.实验以学生为主体,教师指导为辅。

(五)实验设备及仪器

Sw002型阻尼管

 

实验十九 透射电镜试样制备及明暗场成像

 

(一)实验类型:演示

(二)实验内容及目的

  1.了解透射电镜对试样的要求,熟悉透射电镜试样的制备过程,制备一个合格的透射电镜试样。

  2.选用合适的样品,演示明暗场成像操作,了解明暗场成像原理。

(三)实验要求

1.  了解明暗场成像原理。

2.  掌握试样制备技术。

3.  实验以教师演示为主。

实验报告要求

  1.简述双喷法和离子减薄法制备透射电镜试样的工艺过程。

2.绘图并举例说明暗场成像的原理。

(四)实验设备

透射电镜、双喷减薄机、试样

 

实验二十 选区电子衍射及单晶体衍射花样指数化

 

(一)实验类型:演示

(二)实验内容及目的

  1. 通过选区电子衍射地实际操作演示,加深对选区电子衍射原理的了解。

  2. 选择合适的薄晶体样品,利用双倾台进行样品取向的调整,拍摄单晶体电子衍射花样。

  3. 对所拍摄的衍射花样进行标定,掌握单晶体电子衍射花样标定的一般方法。

(三)实验要求

  1. 了解选区电子衍射的原理

  2. 会选区电子衍射的基本操作

  1) 在成像模式下,使物镜精确聚焦,获得清晰的形貌像。

  2) 插入选区光阑将感兴趣的区域围起来,调节中间镜电流使光阑边缘的像在荧光屏上清晰,这就使中间镜的物平面与选区光阑的平面相重叠。

3) 转入衍射模式,移出物镜光阑,在荧光屏上就出现衍射花样,调清楚即可拍照。

3. 会标定单晶体衍射花样指数

  1)未知相机常数情况下指标化方法:a.尝试--校核法;b.查√N比值表法;c.标准花样对照法

2)已知相机常数情况下指标化方法

实验报告要求:

  1.绘图说明选区电子衍射的基本原理。

2.拍摄一张单晶体电子衍射花样并进行指标化。

(四)实验设备

透射电镜,被测试样

 

实验二十一 透射电镜典型组织观察 

 

(一)实验类型:验证

(二)实验目的:

1.认识典型材料的微观组织形貌。

2.了解材料中缺陷(层错,孪晶,位错)的微观形貌特征。

3.了解材料的二维晶格像.

(三)实验内容:

1.熟悉本实验所要分析的合金系相图,分析他们的平衡凝固及非平衡凝固过程及组织。

2.观察材料的显微组织和缺陷形貌。

3.观察纳米材料的高分辨像。

(四)实验要求:

实验教学组织安排:

1. 要求学生做好实验预习工作,了解透射电镜的成像原理。

2. 组织学生在计算机房通过多媒体教学软件,认识典型材料的微观组织形貌特征。

实验报告要求:

1. 实验目的

2. 简述透射电镜的成像原理。

(五)主要仪器设备:

电脑、多媒体教学软件。

 

实验二十二  扫描电镜显微组织分析、能谱仪结构原理及应用

 

(一)实验类型:验证

(二)实验目的:

1.学会扫描电镜显微组织分析方法,了解典型组织形态;

2.了解能谱仪的结构及工作原理;

3.结合实例,学会正确识别和分析能谱检验结果。

(三)实验内容:

1.介绍断裂机理、了解断口形貌

2.常见显微组织介绍;

3.能谱仪结构及工作原理;

4.能谱图诠释及分析参数选择。

(四)实验要求:

1.每班按每组12人分组,到扫描电镜室通过多媒体教学软件了解所学内容;

2.显微组织分析及图谱解读练习;

3.扫描电镜基本功能操作训练。

(五)主要仪器设备:

1KYKY(AMRAY) 1000B型扫描电镜一台;

2.能谱仪、打印机等;

3.计算机及多媒体教学软件。

 

实验二十三  X射线粉末衍射仪(XRD

粉末样品和薄膜样品的定性测定

 

(一)实验类型:验证

(二)实验目的

1.了解x射线粉末衍射仪的原理、结构及工作过程 ;

2. 了解小角度衍射的特点,掌握薄膜的XRD分析方法;

  3.熟悉XRD-6000 的操作步骤。

(三)实验内容:

1.  x射线衍射仪测定粉末样品的物质组成

2.  分析薄膜的晶化程度。

(四)实验要求:

1. 每班45批,每组23人。实行组长负责制,成员既要有明确分工又要相互协作;

2.按照实验流程做好各项实验准备工作,熟悉实验用仪器、工装,制定实验工艺及实验计划,确定实验日期;

    3. 实验以学生为主体,教师指导为辅。

    4.  完成实验报告

(五)主要仪器设备:

XRD衍射仪;粉末样品;薄膜样品

五、考核与评分

本课程考核按实验预习报告﹑纪律﹑实验能力﹑实验报告综合考评。实验考核成绩由各项实验成绩平均值评定。

 

 

制定单位:材料与化工学院

人:金耀华

                                        人:杨通

人:王正品

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