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一般工业技术

材料科学与工程实验与实践系列规划教材材料科学基础精选实验教程

作者：赵玉珍

出版社：清华大学出版社出版时间：2017-03-01

开本：其他页数： 190

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材料科学与工程实验与实践系列规划教材材料科学基础精选实验教程版权信息

ISBN：9787302507321
条形码：9787302507321 ; 978-7-302-50732-1
装帧：一般胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
所属分类：
工业技术
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一般工业技术

材料科学与工程实验与实践系列规划教材材料科学基础精选实验教程本书特色

材料科学基础精选教材！

材料科学与工程实验与实践系列规划教材材料科学基础精选实验教程内容简介

《材料科学基础精选实验教程》包括金相显微镜的原理、结构及使用、定量金相分析、金相显微试样的制备、金属材料的硬度测定、扫描电子显微镜、X射线衍射分析、晶体结晶过程观察与凝固条件对金属铸锭组织的影响、金属的材料的塑性变形与再结晶、碳钢组织观察及性能分析、碳钢及合金钢的应用、钢的热处理及其晶粒细化、无铅钎料的研制、纳米氧化锌的制备及形貌观察、微晶玻璃的制备与性能测试共14章。并编写了培养学生实验研究能力、创新能力的基础性实验、综合性实验、研究型实验。每个实验介绍了实验目的、实验内容、实验报告要求，思考题等，在要求掌握的实验之外，又提出了相关拓展实验。

材料科学与工程实验与实践系列规划教材材料科学基础精选实验教程目录

**篇基础性实验

第1章金相显微镜的原理、结构及使用

1.1金相显微镜的构造

1.1.1照明系统

1.1.2机械系统

1.1.3光学系统

1.2显微镜成像原理

1.3显微镜的放大率

1.4透镜成像的质量

1.4.1球面像差

1.4.2色像差

1.4.3像域弯曲

1.5显微镜的物镜

1.5.1数值孔径

1.5.2分辨率

1.5.3焦深(垂直分辨率)

1.5.4工作距离与视场范围

1.5.5物镜的基本类型

1.6显微镜的目镜

1.7金相显微镜的照明系统

1.7.1光源

1.7.2临界照明与科勒照明

1.7.3照明方式与垂直照明器

1.7.4光阑

1.7.5滤色片

1.8金相显微镜的使用

1.8.1使用规程

1.8.2使用注意事项

1.9图像采集与处理

1.10实验部分

1.10.1实验目的

1.10.2实验内容

1.10.3实验报告要求

1.10.4思考题

参考文献

第2章定量金相分析

2.1引言

2.2基本符号和基本方程

2.3定量分析的基本方法

2.3.1比较法

2.3.2截线法

2.3.3截面法

2.4定量分析在材料研究中的应用

2.4.1晶粒尺寸的测定

2.4.2第二相颗粒的几何尺寸测定

2.4.3误差分析

2.4.4金相图像分析系统

2.5实验部分

2.5.1实验目的

2.5.2实验内容

2.5.3实验报告要求

2.5.4思考题

参考文献

第3章金相显微试样的制备

3.1概述

3.2金相显微试样的制备

3.2.1取样

3.2.2镶样

3.2.3磨光

3.2.4抛光

3.2.5腐蚀

3.3实验部分

3.3.1实验目的

3.3.2实验内容

3.3.3实验报告要求

3.3.4思考题

3.3.5拓展实验研究

参考文献

第4章金属材料的硬度测定

4.1概述

4.2洛氏硬度及其测试方法

4.2.1洛氏硬度测试原理

4.2.2洛氏硬度的测试

4.3布氏硬度及其测试方法

4.3.1布氏硬度测试原理

4.3.2布氏硬度的测试

4.3.3布氏硬度的特点

4.4维氏硬度及其测试方法

4.4.1维氏硬度测量原理

4.4.2维氏硬度的测试

4.4.3维氏硬度的特点

4.5显微硬度及其测试方法

4.5.1测量原理

4.5.2显微硬度的测试步骤

4.5.3影响显微硬度值的因素

4.6使用硬度计应注意的事项

4.7实验部分

4.7.1实验目的

4.7.2实验内容

4.7.3实验报告要求

4.7.4思考题

4.7.5拓展实验

参考文献

第5章扫描电子显微分析

5.1光学显微镜的分辨率极限

5.2电子波长及电子显微镜分辨率

5.3电子束与物质的相互作用

5.3.1二次电子

5.3.2背散射电子

5.3.3特征X射线

5.3.4俄歇电子

5.3.5阴极荧光

5.4扫描电镜的主要工作原理

5.4.1扫描电镜的原理简介

5.4.2扫描电镜的放大倍数和分辨率

5.4.3扫描电镜的景深

5.4.4二次电子及其成像

5.4.5背散射电子及其成像

5.4.6特征X射线及成分分析

5.5扫描电镜的组成系统

5.5.1电子光学系统

5.5.2电磁偏转系统

5.5.3扫描系统

5.5.4信号检测放大系统

5.5.5真空系统和试样室

5.6电磁透镜成像质量

5.6.1球面像差

5.6.2色差

5.6.3像散

5.6.4衍射差

5.7图像的分辨率及其影响因素

5.8扫描电镜的使用

5.8.1样品的制备

5.8.2重要操作步骤

5.8.3电子光学系统合轴

5.9实验部分

5.9.1实验目的

5.9.2实验内容

5.9.3实验报告要求

5.9.4思考题

5.9.5拓展实验

参考文献

第6章X射线衍射分析

6.1引言

6.2X射线衍射仪的原理

6.3X射线衍射技术在材料分析中的应用

6.3.1物相分析

6.3.2X射线衍射仪的基本组成

6.4X射线衍射实验方法

6.4.1样品的制备

6.4.2实验参数选择

6.5物相分析原理和方法

6.5.1物相分析原理

6.5.2物相定性分析的方法

6.6实验部分

6.6.1实验目的

6.6.2实验内容

6.6.3实验报告要求

6.6.4思考题

6.6.5拓展实验

参考文献

第二篇综合性实验

第7章晶体结晶过程观察与凝固条件对金属铸锭组织的影响

7.1引言

7.2盐类结晶过程观察

7.3铸锭组织

7.4影响柱状晶区和等轴晶区生长的因素

7.5实验部分

7.5.1实验目的

7.5.2实验内容

7.5.3实验报告要求

7.5.4拓展实验

参考文献

第8章金属材料的塑性变形与再结晶

8.1塑性变形的基本方式及其特征

8.1.1滑移

8.1.2孪生

8.2冷塑性变形对金属组织与性能的影响

8.3冷变形后金属加热时组织与性能的变化

8.3.1回复

8.3.2再结晶

8.3.3晶粒长大

8.4实验部分

8.4.1实验目的

8.4.2实验内容

8.4.3实验报告要求

8.4.4思考题

8.4.5拓展实验

参考文献

第9章碳钢组织观察及性能分析

9.1引言

9.2FeFe3C相图

9.2.1钢的相变

9.2.2冷却速度对组织的影响

9.3钢的热处理

9.3.1过冷奥氏体转变曲线

9.3.2过冷奥氏体连续冷却转变曲线

9.4钢的热处理工艺

9.4.1退火

9.4.2正火

9.4.3淬火

9.4.4回火

9.5钢的显微组织

9.5.1钢的退火组织

9.5.2钢的淬火组织

9.5.3钢的回火组织

9.5.4钢中的贝氏体

9.6实验部分

9.6.1实验目的

9.6.2实验设备及用品

9.6.3实验内容

9.6.4实验报告要求

参考文献

第三篇研究性实验

第10章碳钢及合金钢的应用

10.1碳钢的分类及应用

10.1.1普通碳素结构钢

10.1.2优质碳素结构钢

10.1.3碳素工具钢

10.2合金钢

10.2.1合金元素在钢中的作用

10.2.2合金钢分类及牌号

10.3合金结构钢

10.3.1低合金结构钢

10.3.2合金渗碳钢

10.3.3合金调质钢

10.3.4合金弹簧钢

10.3.5滚珠轴承钢

10.4合金工具钢

10.4.1低合金工具钢

10.4.2高合金工具钢

10.5特殊性能钢

10.5.1不锈钢

10.5.2耐热钢

10.5.3低温钢

10.5.4耐磨钢

10.6实验部分

10.6.1实验目的

10.6.2实验设备及用品

10.6.3实验内容

10.6.4实验报告要求

参考文献

第11章钢的热处理及其晶粒细化

11.1钢晶粒细化的必要性

11.2奥氏体的晶粒度及晶界显示

11.2.1奥氏体的晶粒度

11.2.2原奥氏体晶界的显示

11.3钢在加热过程中的组织转变

11.4组织遗传性的影响因素

11.5晶粒细化的热处理工艺

11.5.1低合金钢和碳钢

11.5.2合金钢

11.6实验部分

11.6.1实验目的

11.6.2实验设备及用品

11.6.3实验内容

11.6.4实验报告要求

参考文献

第12章无铅钎料的研制

12.1锡钎焊的发展史

12.2电子行业对无铅钎料的要求

12.2.1表面封装技术的发展

12.2.2SMT的可靠性对无铅钎料的要求

12.3国内外研究状况

12.4焊锡的相图与组织

12.5SnCu系无铅钎料

12.5.1SnCu系无铅钎料的特性

12.5.2SnCu系无铅钎料存在的问题

12.5.3添加不同元素对SnCu系无铅钎料性能的影响

12.5.4SnCu系无铅钎料的发展方向

12.6SnAg系及SnAgCu系无铅钎料

12.6.1SnAg二元合金

12.6.2SnAgCu三元合金

12.6.3SnAgCu系三元钎料的合金组织及金属间化合物

12.7实验部分

12.7.1实验目的

12.7.2实验内容

12.7.3实验报告要求

参考文献

第13章纳米氧化锌的制备及形貌观察

13.1引言

13.2纳米氧化锌的应用

13.3纳米氧化锌的制备

13.3.1水热法

13.3.2水热反应过程

13.4实验部分

13.4.1实验目的

13.4.2实验原料及仪器

13.4.3实验过程

13.4.4实验内容

13.4.5实验注意事项

13.4.6思考题

13.4.7实验报告要求

参考文献

第14章微晶玻璃的制备与性能测试

14.1引言

14.1.1微晶玻璃的性能及应用

14.1.2微晶玻璃的分类

14.2微晶玻璃的制备方法

14.2.1整体析晶法

14.2.2烧结法

14.2.3溶胶凝胶法

14.2.4浮法

14.3微晶玻璃的性能

14.3.1密度

14.3.2强度

14.3.3硬度

14.3.4热膨胀系数和抗热冲击性能

14.3.5电阻率

14.3.6介电常数和介电损耗

14.3.7化学性质

14.3.8光学性质

14.4CaOAl2O3SiO2微晶玻璃微观组织观察

14.5实验部分

14.5.1实验目的

14.5.2实验设备及原料

14.5.3实验内容

14.5.4思考题

14.5.5实验报告要求

参考文献

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材料科学与工程实验与实践系列规划教材材料科学基础精选实验教程节选

第3章金相显微试样的制备 3.1概述显微分析是研究金属显微组织的*重要的方法。在金相学的发展历史中，绝大部分研究工作是借助于光学显微镜完成的。近年来，电子显微镜的重要性日益增加，但是光学显微金相技术在教学、科学和生产中仍将占据一定的位置。用光学显微镜观察和研究任何金属显微组织，通常分三个阶段进行：制备截取试样的表面；采用适当的腐蚀操作显示表面的组织；用显微镜观察和研究试样表面的组织。这三个阶段是一个有机的整体，无论哪一个阶段操作不当，都会影响*终效果。因此，不应忽视任何一个环节。不适当的操作可能形成“伪组织”，导致错误的分析。为能清楚地显示出组织细节，在制样过程中不使试样表层发生任何组织变化，拖尾、划痕、麻点等，有时还需保护好试样的边缘。粗糙的试样表面会对入射光产生漫反射，无法用显微镜观察其内部组织。因此，需要对试样表面进行加工(通常用磨光和抛光)以得到一个光亮的镜面。这个表面还必须能完全代表取样前所具有的状态，即不能在制样过程中使表层发生任何组织变化，这就是试样的制备阶段。仅具有光滑的平面试样，在显微镜下只能看到白亮的一片，而看不到组织细节，这是由于大多数金属组织相对于光具有相近的反射能力的缘故。为此必须用一定的试剂对试样表面进行腐蚀，使试样表面有选择性地溶解某些部分(如晶界)，从而呈现微小的凹凸不平，这些凹凸不平都在光学系统的景深范围内，这时用显微镜就可以清楚地观察到组织的形貌、大小和分布，这就是组织显示阶段。经过上述两个阶段后，就可以进入显微分析的第三阶段，即显微组织的观察和分析。由于研究材料各异，金相显微制样的方法是多种多样，其步骤通常可分为取样、镶样、磨光、机械抛光(或电解抛光、化学抛光)、腐蚀等几个主要工序。 3.2金相显微试样的制备金相试样制备的实验流程为取样(切割机或其他设备)→镶样(热镶样机或冷镶)→磨光(预磨机)→抛光(抛光机)→腐蚀(腐蚀液)。 3.2.1取样选择合适的、有代表性的试样是进行金相显微分析的重要一步，包括选择取样部位、检验面及确定截取方法、试样尺寸等。取样可分为两种情况，一种是系统取样，试样必须能表征被检验材料或零件的特点，即要有代表性。另一种是指定取样，即根据所研究的问题，有针对性地取样。 1. 取样部位取样部位及检验面的选择取决于检验目的、被分析材料的特点、加工工艺过程及热处理过程，主要有以下几个方面的原则： (1) 对系统取样中的常规检验可以查阅相关标准，按规定取样，如《中华人民共和国黑色冶金行业标准》等。 (2) 对于零件失效分析试样，需根据零件的使用部位、受力情况、出现裂纹的部位和形态等具体情况，抓住关键部位取样分析。 (3) 对铸件，必须从表面到心部，从上部到下部观察其组织差异，以了解偏析情况，以及缩孔疏松及冷却速度对组织的影响。 (4) 对锻轧及冷变形加工的工件，应采用纵向截面，以观察组织和夹杂物的变形情况；而热处理后的显微组织则应采用横向截面。 2. 试样截取金相试样截取的方法很多，根据零件大小、材料性能、现场实际情况选择。对于软材料，可以用锯、车、刨等加工方法；对于硬材料，可采用砂轮切片机切割或电火花切割等方法。对于硬而脆的材料，可采用锤击方法，也可采用线切割方法。在切割时，应注意采取冷却措施，以免试样因受热而引起原观察组织的变化。试样上因截取时而引起的变形层或烧损层必须在后续工序中去掉。 3. 试样尺寸截取的试样尺寸以便于握持、易于磨制为准。通常取用圆柱体(15mm×18mm)或边长为15~25mm的立方体。试样太小操作不便，试样太大则磨面过大，增加磨制时间且不易磨平。对于形状特殊或尺寸细小不易握持的试样，要采取镶嵌或机械夹持的方法。截取后的试样若不平，黑色金属一般要用砂轮打平，如铝、铜、镁等有色金属之类的软材料可用锉刀锉平。在磨制过程中，试样需不断用水冷却，以防止试样因受热升温而产生组织变化。此外，在一般情况下，试样周边用砂轮或锉刀磨呈45°(倒角)，以免尖锐的边角在磨光及抛光时将砂纸和抛光织物划破，但是对于需要观察表层组织(如热处理表面强化层、化学热处理渗层、脱碳层、裂纹区等)的试样，须注意保护，严禁倒角并应保证磨面平整，这类试样*好进行镶嵌。 3.2.2镶样对于形状特殊或尺寸细小(如带、丝、片、管)、较软、易碎或者边缘需要保护的试样，要进行镶嵌或机械夹持，使其变成易于制备的试样。另外，随着试样磨光、抛光逐渐自动化，也要求试样尺寸标准化，这需要通过镶嵌完成。镶嵌就是将试样镶在有机材料里，根据使用的材料和工艺分为热镶嵌、冷镶嵌和倾斜镶嵌。 1. 热镶嵌热镶嵌就是用热固性塑料(如电木粉，即酚醛树脂)或热塑性塑料(如聚氯乙烯或聚苯乙烯)等做镶嵌材料，在镶嵌机内加热加压成形，然后冷却脱模而成。热固性塑料需加热到110~150℃，热塑性塑料加热温度更高，需140~160℃。电木粉不透明，有各种颜色，而且比较硬，试样不易倒角，同时抗强酸强碱的耐腐蚀性能比较差。聚氯乙烯为半透明或透明状，抗酸碱的耐腐蚀性能好，但较软。用这两种材料镶样均需用镶样机加压加热才能成形，在镶嵌过程中，可能会引起淬火马氏体回火、软金属发生塑性变形等。因此对温度及压力极敏感的材料(如淬火马氏体与易发生塑性变形的软金属)以及有微裂纹的试样，应采用冷镶法，在室温下固化，避免试样组织发生变化。 XQ1型金相试样镶样机如图3.1所示，主要包括加压设备、加热设备及压模三部分。镶样机需将试样磨面向下，放入下模上，在加热模具中放入适量镶样粉，装上模，固紧顶压螺杆，转动加压手轮至压力指示灯亮，打开加热开关(自动控温)。在加热过程中镶嵌粉逐渐软化，压力降低，指示灯熄灭，继续增加压力至指示灯亮，加热8~12min后，反向转动加压手轮后，转开顶压盖，再转动加压手轮上升压模，即可取出镶嵌好的试样(注意防烫)。美国标乐公司、法国普瑞斯公司、丹麦司特尔公司生产的热压镶嵌机可自动加压，有的还可进行快速双重镶嵌，使用方便，节省时间。如图3.2是丹麦司特尔公司生产的CitoPress20型热镶样机，其自动配料系统实现了快速、方便的树脂配料。屏幕显示热镶样应用指南、数据库选项，以及适用于多孔试样的敏感选项等。图3.1XQ1型金相试样镶样机图3.2CitoPress20型热镶样机 2. 冷镶嵌冷镶嵌是指在室温下使镶嵌料固化，适合处理薄、脆、松散等不适宜受压的材料及组织结构对温度变化敏感或熔点较低的材料。冷镶嵌的优点是可同时浇注多块试样、工作周期短、试样不发生组织转变、无需设备投资、不产生变形(不加压)、可采用真空镶嵌技术填充孔隙。将试样置于模子中，注入冷镶嵌料，冷凝后脱模。镶嵌介质应当与试样能良好地附着并不产生固化收缩，否则会产生裂纹或缝隙。镶嵌模式有标准圆形和各种各样的型腔形状。冷镶嵌料通常为双组分体系，*常见者为两种液体，也可以是一种液体一种粉末，分别为树脂和固化剂。常用的冷镶嵌料有环氧树脂和固化剂，树脂和固化剂在镶嵌前必须仔细计量，并充分混匀。固化剂主要是胺类化合物。通常的固化剂占总量10%左右。冷镶嵌时不需专用设备、不加压、可同时浇注多块试样，但一般都带有异味，*好在通风橱内操作。有些树脂常与其接触对皮肤有害。树脂可分为环氧树脂、聚酯树脂、丙烯酸树脂几种类型。环氧树脂镶样收缩率低，固化时间长，边缘保护好，流动性好，可将所有穴腔、裂缝或气孔等统统填满，常用于真空浸渍，适用于多孔材料的镶嵌；聚酯树脂镶样呈黄色透明状，固化时间较长，适用于大批量无孔隙的试样；丙烯酸树脂镶样为乳白色，固化时间短，适用于大批量试样镶样，对于有裂纹或孔隙的试样有较好的渗透性，特别适用于印刷电路板封装，而且丙烯酸类在X射线衍射中不会产生可干扰试样信号的寄生信号，此物用起来简单、安全、拆卸也方便，只需将镶样侵入热甘油中，数分钟后从甘油中取出，用虎钳挤压镶样，试样即可从中跳出。镶嵌多孔、易脆、易散等试样时，环氧树脂真空浸渗特别适用，浸渗后的试样还可在精磨后进行二次浸渗。真空浸渗将气孔、缝隙和裂纹中的空气排出，让环氧树脂渗入，因此，可达到完全粘合，减少易脆易散试样破损的机会，反之，如粘接不足，则在磨削和抛光时将造成部分样品破裂。填满气孔可保留其组织结构。未浸渗过的多孔试样经抛光实验表明，不仅气孔尺寸扩大，而且孔沿也被修圆，有的甚至塌陷。问题的严重程度随抛光工艺而异。明孔或明裂纹中可藏入抛光剂、溶剂或侵蚀剂，从而造成沾污。图3.3Cast NVac1000型真空渗透仪真空浸渍常用于粉末冶金试样、煤或焦炭、陶瓷和矿产品，再就是腐蚀或失效分析。所需设备简单，可以用一台简单的机械真空泵搭建，也可以买专门的仪器设备，如美国标乐公司、法国普瑞斯公司、丹麦司特尔公司的真空冷镶嵌机。如图3.3所示为美国标乐公司生产的Cast NVac1000型真空渗透仪。适用于各种环氧树脂和聚酯浇注料的镶嵌(冷)化合物。真空泵可迅速排除任何多孔试样中夹带的空气，并通过简单的O形圈密封，在整个浸渗过程中都保持真空。浇注机械装置使预混的镶嵌化合物可置于腔体中，利用真空腔体内的旋转台，可一次性浇注到多个模具中，实现多个试样在同一时间内进行真空浸渗。 3. 倾斜镶嵌对于薄层组织，如镀层、渗层、变形层等，由于太薄，观察和测量都有一定困难，可以采用锥形截面来增加观察厚度。锥形截面可利用倾斜镶嵌法获得，图3.4为倾斜镶嵌示意图，被观察者借助于支持物倾斜放入到镶嵌料中，倾角为α，若薄层真实厚度为d，倾斜镶嵌时的表观厚度为l，则l=d/sinα。例如，当α=5°时，l=10d。这种锥形截面对薄层组织的研究是非常有用的。

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