材料科学基础实验课下学期
《材料科学基础》课程教学大纲
《材料科学基础》课程教学大纲课程编号：08061211课程名称：材料科学基础英文名称：Fundamental of Materials Science课程类型：学科基础课课程要求：必修学时／学分：88／5.5 （讲课学时：80 实验学时：8 上机学时：0）适用专业：材料成型与控制工程；焊接技术及工程；金属材料工程；无机非金属材料工程一、课程性质与任务《材料科学基础》是材料科学与工程学院各专业学生学习和掌握材料的成分、组织结构与性能间的关系及其变化规律，特别是固体材料的结构、晶体缺陷、平衡相图、凝固和原子扩散过程诸方面的基本概念和基础理论，以及有关的加工工艺对材料的组织结构和性能的影响规律的学科基础课，也是学生将来学习专业课程的理论基础。
本课程在教学内容方面着重基本知识、基本理论和基本规律等方面的讲解；在培养实践能力方面着重试样的选取与制备及显微组织的观察等基本方法的训练，使学生熟悉材料科学的相关基础知识，为后续专业课程的学习以及将来解决材料的生产、加工等问题和探索新材料、新技术、新工艺打下比较系统而坚实的理论基础。
二、 课程与其他课程的联系选修课：大学物理，材料物理化学本课程是在学习了大学物理、材料物理化学等课程后方能学习本课程；该课程也是学习后续专业课程的理论基础。
通过该课程的学习，使学生掌握材料的成分、组织结构与性能间的关系及其变化规律，从而为进一步深入学习材料科学与工程学院各专业的专业课程奠定基础，并且理论结合实践，使其有机的结合起来，形成一个完整的系统的专业学科基础理论体系。
三、课程教学目标1．学习并掌握常见的晶体结构与材料的相结构、晶体缺陷及固态材料中的原子扩散、材料的凝固、二元相图及塑性变形等基本知识，使学生在材料方面具有扎实的基础理论知识，了解并掌握金属材料产品由不同工艺形成的组织特征，具有开发和选用新材料的能力和工程实际应用的能力；（支撑毕业能力要求1.1、1.2）2．培养学生的工程实践学习能力，使学生掌握观察材料显微组织的实验方法，获得实验技能的基本训练，具有查阅有关技术资料的能力；（支撑能力毕业要求2.1、2.3）3．培养学生对金属材料的各类物理现象、特性进行研究并通过实验验证的能力。
《材料科学基础》课后习题及参考答案
绪论1、仔细观察一下白炽灯泡，会发现有多少种不同的材料？每种材料需要何种热学、电学性质？2、为什么金属具有良好的导电性和导热性？3、为什么陶瓷、聚合物通常是绝缘体？4、铝原子的质量是多少？若铝的密度为2.7g/cm3，计算1mm3中有多少原子？5、为了防止碰撞造成纽折，汽车的挡板可有装甲制造，但实际应用中为何不如此设计？说出至少三种理由。
6、描述不同材料常用的加工方法。
7、叙述金属材料的类型及其分类依据。
8、试将下列材料按金属、陶瓷、聚合物或复合材料进行分类：黄铜钢筋混凝土橡胶氯化钠铅-锡焊料沥青环氧树脂镁合金碳化硅混凝土石墨玻璃钢9、 Al2O3陶瓷既牢固又坚硬且耐磨，为什么不用Al2O3制造铁锤？晶体结构1、解释下列概念晶系、晶胞、晶胞参数、空间点阵、米勒指数（晶面指数）、离子晶体的晶格能、原子半径与离子半径、配位数、离子极化、同质多晶与类质同晶、正尖晶石与反正尖晶石、反萤石结构、铁电效应、压电效应.2、（1）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b、6c，求出该晶面的米勒指数；（2）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为a/3、b/2、c，求出该晶面的米勒指数。
3、在立方晶系的晶胞中画出下列米勒指数的晶面和晶向：（001）与[210]，（111）与[112]，（110）与[111]，（322）与[236]，（257）与[111]，（123）与[121]，（102），（112），（213），[110]，[111]，[120]，[321]4、写出面心立方格子的单位平行六面体上所有结点的坐标。
5、已知Mg2+半径为0.072nm，O2-半径为0.140nm，计算MgO晶体结构的堆积系数与密度。
6、计算体心立方、面心立方、密排六方晶胞中的原子数、配位数、堆积系数。
7、从理论计算公式计算NaC1与MgO的晶格能。
MgO的熔点为2800℃，NaC1为80l℃, 请说明这种差别的原因。
8、根据最密堆积原理，空间利用率越高，结构越稳定，金钢石结构的空间利用率很低(只有34.01％)，为什么它也很稳定?9、证明等径圆球面心立方最密堆积的空隙率为25．9％；10、金属镁原子作六方密堆积，测得它的密度为1.74克/厘米3，求它的晶胞体积。
《材料科学基础实验》实验教学大纲
《材料科学基础实验》实验教学大纲课程编号：031508 课程性质：独立设课实验课程名称：材料科学基础实验英文名称：Experiment of Materials Science隶属课群：材料科学基础课程总学时：32实验学时：24 上机学时：8适用专业：金属材料工程一、本课程实验教学性质、目的和任务：《材料科学基础实验》是金属材料工程专业必修的实验性专业课程，是系统专业学习过程中必不可少的环节。
开设此课程的目的在于培养学生的基本工程素质。
提高分析问题和解决问题的能力以及实际动手操作能力，为进一步学习专业课程打好基础。
课程的基本任务在于让学生掌握金相试样的制备方法，显微摄影以及暗室操作技术，熟悉金属材料的基本分析方法，结合相图了解典型二元合金平衡及非平衡状态下的组织特征，及其它实验技能。
二、实验教学的主要内容和基本要求：主要内容第一章光学金相分析技术第一节金相显微镜的构造与使用第二节金相试样的制备第三节金相显微摄影与暗室技术第四节显微硬度及其应用第五节晶粒尺寸的测算第二章晶体结构第一节典型晶体结构第二节位错蚀坑的观察第三章二元合金显微组织观察第一节二元合金相图平衡及非平衡结晶组织分析第二节铁碳合金双重相图及组织分析第四章金属的塑性变形与回复再结晶第一节金属的塑性变形第二节回复与再结晶第五章电子显微分析技术第一节扫描电镜结构、原理及典型组织的观察第二节透射电镜薄膜样品制备及典型组织观察第三节选区电子衍射及相机常数和磁转角标定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.以综合性实验训练学生结合所学相关知识灵活设计实验方法；3.有关显微组织分析部分采用多媒体教学。
实验一典型金属晶体结构的刚球堆垛模型分析（一）实验类型：验证（二）实验目的：1.熟悉面心立方、体心立方和密排六方晶体结构中常用晶面、晶向的几何位置、原子排列和密度；2.熟悉三种晶体结构中的四面体间隙和八面体间隙的位置和分布；3.熟悉面心立方和密排六方晶体结构中最密排面的堆垛顺序；4.进一步练习晶面和晶向指数的确定方法。
材料科学基础实验报告
材料科学基础实验报告专业：班级：姓名：学号：日期：成绩：实验一、金相显微镜的使用一、试验目的二、金相显微镜的结构请写出图中各数字代表的金相显微镜上的零部件实验二金相试样的制备及金相组织观察一、试验目的二、实验仪器设备三、金相试样制备的过程四、实验原理五、实验结果在下图中画出你所观察到的金相组织1、45号钢2、铸铁五、实验后的收获（a ）20钢（100 ×） (b) 45钢（100× ） 浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液 浸蚀剂：4%硝酸酒精溶液图5 灰铸铁显微组织 （400×） 图6可锻铸铁显微组织（200×） 浸蚀剂：4%硝酸酒精 浸蚀剂：4%硝酸酒精图7球墨铸铁显微组织（400×） 浸蚀剂：4%硝酸酒精实验一金相显微镜的使用及金相试样的制及观察一、试验目的1了解金相显微镜的光学原理和构造2初步掌握金相显微镜的使用方法3掌握金相试样的制备方法4观察金相，绘制金相图二、实验原理1、金相显微镜的光学原理和构造金相显微镜是利用光线反射将不透明的物件放大后金相观察的，它是进行金属显微分析的主要工具。
将专门制备的金相试样放在金相显微镜下进行放大和观察，可以研究金相组织与其成分和性能之间的关系，确定各种金属经不同加工及热处理后的显微组织；鉴别金属材料质量的优劣，如各种非金属夹杂物在组织中的数量及分布情况，以及金属晶粒度的大小等。
因此，利用金相显微镜来观察金属的内部组织与缺陷是金属材料研究的一种基本实验技术。
目前普通光学金相显微镜最高有效放大倍数为1600～2000倍。
图1金相显傲镜的光学放大原理示意图当被观察物体AB置于物镜前焦点略远远处时，物体的反射光线穿过物镜经折射后，得到一个放大的倒立实象A′B′(称为中间象)。
若A′B′处于目镜焦距之内，则通过目镜观察到的物象是经目镜再次放大了的虚象A″B″。
在显微镜设计上，虚象AB正好落在距人眼250mm处，这时观察到的物体影象最清晰。
《材料科学基础》-实验报告###
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料、模壁厚度、模壁温度、浇注温度及用变质处理和振动等方法浇注成的铝锭的宏观组织的观察，对铸锭的组织形成和影响因素进行初步的探讨，并对金属研究中经常要采用的宏观分析方法进行一次初步的实践。
本实验用以观察的铸锭样品浇注和凝固条件如后表：三、实验步骤1. 教师介绍金属宏观分析方法，讲解各样品浇注和凝固条件。
2. 学员轮流观察各种样品，结合已知的浇注和凝固条件分析各样品宏观组织的形成过程。
3. 描述所观察到的各样品的宏观组织。
四、实验报告要求1. 叙述浇注正常组织的形成过程。
2. 逐一描绘各试样的宏观组织图，分析浇注和凝固条件对铸锭（件）组织的影响。
五、思考题1. 简述宏观组织的特点及分析方法。
实验一浇注和凝固条件对铸锭组织的影响实验报告班级：日期：姓名：学号：同组姓名：纯铝在不同凝固条件下凝固得到铸锭宏观组织的观察分析报告：1. 叙述纯铝铸锭中不同晶区的形成过程。
3. 简述宏观分析方法。
实验二二元合金显微组织分析一、实验目的1. 熟悉几种典型的二元合金平衡和非平衡显微组织及几种典型成分的铝硅合金的非平衡组织。
材料科学基础实验课程教学大纲实验课程类
材料科学基础实验课程教学大纲（实验课程类）课程名称：材料科学基础实验英文名称：Material Science Foundation Experiments课程编号：面向专业：材料类各专业(金属材料、土木工程材料、电子信息材料、先进材料及成形)学时学分：3周3学分本大纲主撰人：王仕勤、庞超明（Tel：，E—mail: ）一、课程作用和具体目标本实验课程面向全院材料类各专业（包括金属材料、土木工程材料、电子信息材料、先进材料及成形）学生开设，着重加强与“材料科学基础”课程相关的基本知识、基本理论、基本方法的学习和训练，它是“材料科学基础”课程中的重要环节。
通过实验使学生进一步掌握材料晶体学基础理论；掌握相图的基本构成和应用；了解晶体缺陷对形变行为的作用；初步掌握材料实验的主要方法和操作技术，并能对测试结果进行综合评定。
从而初步掌握材料研究的基本手段与方法，包括宏观分析方法与微观分析方法。
使学生在实验技能和动手能力方面得到系统的训练，以培养从事科研活动严谨的工作作风，培养学生理论联系实际、分析问题和解决问题的能力，提高学生的科研动手能力，为后续课程教学和实验教学打下坚实的基础。
三、教学管理模式与注意事项1、学生必须完成全部“必做实验”。
在此基础上，可根据自己的兴趣爱好、能力强弱和时间多少，进行“选做实验”。
2、学生在实验前必须认真预习实验指导书等相关内容。
教师在实验前作必要的讲解和辅导。
3、学生应严格遵守实验室规章制度和安全规范，确保安全。
四、设备及器材配置1、制样设备：砂轮机、切割机、镶嵌机、水磨机、抛光机、电解抛光仪等。
2、加热、温控及加工设备：热处理炉、坩埚电炉、烘箱、温度控制仪、离心机、小型轧机、大型轧机等。
3、分析测试设备：拉伸机、抗折试验机、抗压试验机、硬度计、体视显微镜、金相显微镜、荧光显微镜、反光显微镜、偏光显微镜、混凝土气孔分析显微镜。
放大机、数码相机、计算机、打印机、分析天平、酸碱滴定管、U型管界面移动电泳仪、离心分离机、李氏瓶、稠度仪、试模、勃氏比表面仪、套筛、沥青延度仪、沥青软化点仪、不透水仪、沥青针入度计、直流稳压电源、水泥水化热测定仪等。
材料科学基础实践教学大纲
《材料科学基础》实验教学大纲一、课程简介《材料科学基础》实验是应用物理专业课程《材料科学基础》的相应实践教学环节，是该课程的课内实验部分。
二、课程实验教学目的与要求1、实验教学目的通过实验，巩固所学理论课程的基本概念、基本理论，掌握材料结构、成分、制备工艺与性能之间的关系，理解材料晶体缺陷常识，掌握金属材料、无机非金属材料、高分子材料组成结构等知识；掌握功能材料其基础物理知识，学习各种材料结构分析在科研等方面的实际应用。
从而培养学生的实践能力和分析问题、解决问题的能力。
2、实验教学要求《材料基础实验》课程要求学生掌握各种实验仪器的操作，加深对理论课程的理解、记忆、掌握，深入理解材料物理本质同材料性能之间的关系关联规律。
要求学生亲自参与实验过程，仔细观察实验现象，认真记录实验结果数据，分析实验现象和结果。
培养科学、严谨、实事求是的科学态度。
为后续课程的学习、专业课程的学习、课程设计及进一步深造打好基础。
三、实验项目1.材料晶体结构数据的获得－X射线衍射实验目的：了解粉末X射线衍射工作原理、结构及使用方法。
在理论课程的基础上，加深对材料晶体结构的理解，掌握晶体结构数据的获得方法。
实验原理:X射线衍射分析（X-ray diffraction，简称XRD），是利用晶体形成的X射线衍射，对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法。
将具有一定波长的X射线照射到结晶性物质上时，X射线因在结晶内遇到规则排列的原子或离子而发生散射，散射的X射线在某些方向上相位得到加强，从而显示与结晶结构相对应的特有的衍射现象。
X射线衍射方法具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高、能得到有关晶体完整性的大量信息等优点。
衍射X射线满足布拉格（W.L.Bragg）方程：2dsinθ=nλ式中：λ是X射线的波长；θ是衍射角；d是结晶面间距；n是整数。
波长λ可用已知的X射线衍射角测定，进而求得面间隔，即结晶内原子或离子的规则排列状态。
材料科学基础实验指导书
《材料科学基础》课程实验指导书实验一金属塑性变形与再结晶一、实验目的1、认识金属冷变形加工后及经过再结晶退火后的组织性能和特征变化；2、研究变形程度对再结晶退火前后组织和性能的影响。
3．讨论冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响。
二、概述1．显微镜下的滑移线与变形孪晶金属受力超过弹性极限后，在金属中将产生塑性变形。
金属单晶体变形机理指出，塑性变形的基本方式为：滑移和孪晶两种。
所谓滑移，是晶体在切应力作用下借助于金属薄层沿滑移面相对移动（实质为位错沿滑移面运动）的结果。
滑移后在滑移面两侧的晶体位向保持不变。
把抛光的纯铝试样拉伸，试样表面会有变形台阶出现，一组细小的台阶在显微镜下只能观察到一条黑线，即称为滑移带。
变形后的显微组织是由许多滑移带（平行的黑线）所组成。
在显微镜下能清楚地看到多晶体变形的特点：①各晶粒内滑移带的方向不同（因晶粒方位各不相同）；②各晶粒之间形变程度不均匀，有的晶粒内滑移带多（即变形量大），有的晶粒内滑移带少（即变形量小）；③在同一晶粒内，晶粒中心与晶粒边界变形量也不相同，晶粒中心滑移带密，而边界滑移带稀，并可发现在一些变形量大的晶粒内，滑移沿几个系统进行，经常看见双滑移现象（在面心立方晶格情况下很易发现），即两组平行的黑线在晶粒内部交错起来，将晶粒分成许多小块。
（注：此类样品制备困难，需要先将样品进行抛光，再进行拉伸，拉伸后立即直接在显微镜下观察；若此时再进行样品的磨光、抛光，滑移带将消失，观察不到。
原因是：滑移带是位错滑移现象在金属表面造成的不平整台阶，不是材料内部晶体结构的变化，样品制备过程会造成滑移带的消失。
）另一种变形的方式为孪晶。
不易产生滑移的金属，如六方晶系的镉、镁、铍、锌等，或某些金属当其滑移发生困难的时候，在切应力的作用下将发生的另一形式的变形，即晶体的一部分以一定的晶面（孪晶面或双晶面）为对称面，与晶体的另一部分发生对称移动，这种变形方式称为孪晶或双晶。
孪晶的结果是：孪晶面两侧晶体的位向发生变化，呈镜面对称。
材料科学基础实验报告
材料科学基础实验报告材料科学基础实验报告引言：材料科学是一个广泛而深奥的领域，涉及到材料的性质、结构、合成以及应用等方面。
在材料科学的学习中，实验是不可或缺的一部分。
本次实验旨在通过对材料的基础实验，探究材料的特性和性能，为进一步研究和应用提供基础知识。
实验一：金属材料的力学性能测试本实验选取了常见的金属材料，如铝、铜和钢，通过拉伸试验和硬度测试来研究其力学性能。
首先，我们制备了标准试样，并使用万能试验机进行拉伸试验。
通过记录试样的载荷-位移曲线，我们可以获得材料的强度、延伸性和弹性模量等参数。
同时，我们还使用了洛氏硬度计对试样进行硬度测试，以了解材料的硬度特性。
实验结果表明，不同金属材料具有不同的力学性能，这与其晶体结构和成分有关。
实验二：陶瓷材料的热性能测试陶瓷材料是一类重要的材料，具有优异的耐热性和绝缘性能。
本实验选取了常见的陶瓷材料，如氧化铝和硅酸盐陶瓷，通过热膨胀系数测试和热导率测试来研究其热性能。
我们使用热膨胀仪对试样进行热膨胀系数测试，通过测量试样在不同温度下的长度变化，可以计算出材料的热膨胀系数。
同时，我们还使用热导率仪对试样进行热导率测试，以了解材料的导热性能。
实验结果表明，不同陶瓷材料具有不同的热性能，这与其晶体结构和成分有关。
实验三：聚合物材料的电性能测试聚合物材料是一类重要的材料，具有优异的电绝缘性能和机械柔韧性。
本实验选取了常见的聚合物材料，如聚乙烯和聚苯乙烯，通过电阻率测试和介电常数测试来研究其电性能。
我们使用四探针电阻计对试样进行电阻率测试，通过测量试样的电阻和几何尺寸，可以计算出材料的电阻率。
同时，我们还使用介电常数测试仪对试样进行介电常数测试，以了解材料的电绝缘性能。
实验结果表明，不同聚合物材料具有不同的电性能，这与其分子结构和链状排列有关。
实验四：复合材料的力学性能测试复合材料是一类由两种或多种不同材料组成的材料，具有优异的力学性能和应用潜力。
本实验选取了常见的纤维增强复合材料，如碳纤维增强聚合物复合材料，通过弯曲试验和冲击试验来研究其力学性能。
材料科学基础综合实验
实验五材料科学基础综合性实验一、实验目的1.了解碳钢的基本热处理（退火、正火、淬火及回火）工艺方法。
2. 研究冷却条件对碳钢硬度的影响。
3. 观察和研究碳钢经不同条件淬火热处理后显微组织变化4. 了解淬火热处理工艺对碳钢硬度的影响。
二、实验原理1.退火：是将钢件加热到Ac1或Ac3以上（30-50℃）一定温度并保温一段时间，奥实体化后，使它慢慢冷却，得到接近平衡组织的热处理工艺称为退火。
钢的退火是将钢加热到发生相变或部分相变的温度，经过保温后缓慢冷却的热处理方法。
退火的目的，是为了消除组织缺陷，改善组织使成分均匀化以及细化晶粒，提高钢的力学性能，减少残余应力；同时可降低硬度，提高塑性和韧性，改善切削加工性能。
所以退火既为了消除和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力，又为后续工序作好准备，故退火是属于半成品热处理，又称预先热处理。
生产上常用的退火操作种类（1）完全退火（俗称退火）：主要用于亚共桥钢和合金钢的铸件、锻件及热轧型材，有的也用做焊接结构件，其目的是细化晶粒，改善组织，消除残余应力，降低硬度、提高塑性，改善切削加工性能，完全退火是一种时间很长的退火工艺，为了缩短其退火时间，目前常采用等温火（冷至500-600空冷）的工艺来取代完全退火工艺，同完全退火比较，等温火的目的与完全退火相同，但它大大缩短了退火时间。
（2）球化退火：主要用于过共析钢及合金工具钢（如刀具、量具、模具以及轴承等所有钢种）。
其目的主要是降低硬度，改善切削加工性，并为以后淬火作好准备。
（3）去应力退火（又称低温退火）主要用来消除铸件、锻件及焊接件、热轧件等内应力。
（4）再结晶退火：用来消除冷加工（冷拉、冷冲、冷轧等）产生的加工硬化。
目的是消除内应力，提高塑性，改善组织。
（5）扩散退火：主要用于合金钢，特别是合金钢的铸件和钢锭。
目的是利用高温下原子具有较大的扩散能力来减轻或消除钢中化学成分不均匀的现象。
图12. 正火：是将钢件加热到Ac3或Acm以上（30-50℃），保温一定时间，使钢全部转变为均匀的奥氏体，然后在空气中自然冷却的热处理方法。
材料科学基础实验1-3
实验1 金相显微镜原理、结构和使用一、实验目的1.了解金相显微镜的结构原理和主要部件的作用。
2.掌握分辨率的概念及其影响因素。
3.学会正确操作4XBⅡ型金相显微镜。
二、实验原理利用金相显微镜观察金相试样的组织或缺陷的方法称为金相显微分析。
它是研究金属材料微观结构最基本的一种实验技术，在金属材料研究领域中占有很重要的地位。
下面对常用的光学金相显微镜作一般介绍。
（一）显微镜的基本原理、构造及使用1.显微镜的基本原理最简单的显微镜可以仅由两个透镜组成。
图1-1为显微镜成像的光学原理示意图。
图中AB 为被观察的物体，对着被观察物体的透镜O 1叫物镜；对着人眼的透镜O 2叫目镜。
物镜使物体AB 形成放大的倒立实像A'B'，目镜再将A'B'放大成仍然倒立的虚像A"B"。
其位置正好在人眼的明视距离（约250mm ）处。
在显微镜中所观察的就是这个虚像A"B"。
(1) 显微镜的放大倍数放大倍数由下式确定：目物目物f D f L M M M ⋅=×= 式中：M—显微镜总放大倍数；M 物—物镜的放大倍数；M 目—目镜的放大倍数；f 物—物镜的焦距；f 目—目镜的焦距；L—显微镜的光学镜筒长度；D—明视距离（250mm ）。
由上式可知：f 物 、f 目越短或L 越长，则显微镜的放大倍数越大。
(2) 物镜的鉴别率物镜的鉴别率是指物镜能清晰分辨试样两点间最小距离的能力。
物镜鉴别率的数学公式为：A d 2λ=式中：d—物镜的鉴别率；λ—入射光源的波长； A—物镜的数值孔径，它表示物镜的聚光能力。
由公式可知，波长λ越短，数值孔径A 越大，则鉴别能力就越高（d 越小），在显微镜中就能看到更细微的部分。
数值孔径A 可由下列公式求出：φηsin =A式中：η—物镜与物体之间介质的折射率；φ—物镜孔径角的一半，即通过物镜边缘的光线与物镜轴线所成的角度。
η越大或物镜孔径角越大，则数值孔径越大，由于φ总是小于90，所以在空气介质（η=1）中使用时，数值孔径A 一定小于1，这类物镜称干系物镜。
材料科学基础实验
《材料科学基础实验》教学大纲课程编号：030126开课院系：材料学院材料学系课程类别：材料专业必修。
适用专业：材料专业。
课内总学时：40学分：5实验学时：40课内上机学时：2先修课程：材料科学基础，物理化学，普通物理。
执笔：杨平审阅：•课程教学目的本课程是针对大学三年级材料科学与工程专业学生所开，应在学生已经完成物理、物理化学和材料科学与工程导论以及材料科学基础等课程后，再开设的一门培养学生动手能力、实验操作基本方法和综合分析方法的课程。
目的是通过总学时为40的教学和实验工作，巩固所学理论课程的基本概念，学会材料性能分析和显微组织观察与分析的基本手段和基本思路。
掌握最基本的实验操作技巧，达到综合培养人才的目的。
•课程教学基本要求1．课程重点：在掌握相关课程《材料科学基础》各类组织转变规律的基础上，应用所学知识分析各类组织形成规律；掌握最基本的表征组织的实验技术，如光学镜的使用、样品制备、照相及体视学组织定量分析。
为将来材料领域中的组织检测打下良好基础。
2．课程难点：•本课程要求较强的实验动手能力，要尽量培养独立完成实验及分析的能力。
•本课程强调将基础知识应用于所观察到的各类组织分析。
不能有效地应用所学知识进行分析是最常见的普遍性问题。
•学生缺乏或尚未培养出对各类组织的好奇心，常对组织出现茫然或漠然。
3．能力培养要求：（1）通过课上提问及学生回答情况了解学生实验准备的程度，并计分。
（2）根据每次实验报告的成绩给出期末成绩。
（3）综合性实验（未知样品分析）成绩约占第二学期成绩的~70%。
•课程教学内容及学时课堂教学（40学时）1．普通光学金相显微镜的构造及使用（2学时）掌握光学金相显微镜的基本操作。
了解显微镜的基本构造，放大原理，有效放大倍数，物镜选择，数值孔径，分辨率，景深以及相关各种参数的含义。
学会光学显微镜的维护要求。
2．金相样品制备的一般方法（2学时）掌握金相样品制备的一般方法，独立完成最常用的砂纸磨光、机械抛光和化学浸蚀的基本操作。
材料科学基础》辅导课(下)
4、成核速率和晶体生长速率与T的关系
I nr g na 0ns exp
Ga exp kT
Gr kT
P
P：受成核位垒影响的成核率因子（相变因素） D：受质点扩散影响的成核率因子（扩散因素）
Iv
D
➢ 当T↓时，T=T0-T↑，
GK
1 3
16
n 3 GV2
1 3
16
n 3T02 H 2T 2
即：成核位垒↓，P因子↑，成核速率I↑
3、扩散推动力及能斯特-爱因斯坦方程P397
扩散的推动力：化学位梯度。
Di
RTBi (1
ln i
ln Ni
)...........(7.40)
问：浓度差会引起扩散，扩散是否总是从高浓度处向低浓度处进行，为什么？
只不过在一般情况下以浓度梯度的方式表现出来；扩散是从高化学 位处流向低化学位处，最终系统各处的化学位相等。如果低浓度处 化学势高，则可进行负扩散，如玻璃的分相过程。
5、扩散系数—本征扩散P392
D 1 2 Nd A
6
Dr
1 6
N d
A
2
δ与a0有关 A是配位数
Dr a02 Nd
0
exp(
G* RT
)
Nd
exp
G f 2RT
D a02 0exp
S f 2
S *
exp R
H f 2
H *
RT
D
D0
exp
《材料科学基础》辅导课（下）
第七章 扩散
1、名词解释 扩散、稳态扩散与非稳态扩散、扩散通量、本征扩散、非本征扩散、扩散系数
2、重要公式
J D C .....（. 7.1） x
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➢ 操作时应将孔径光栏开到最大。
三 暗场成像
➢ 样品表面的质量检验。 ➢ 非金属夹杂的鉴定。
四 偏光技术
➢ 光波根据振动的特点，可分为自然光与偏光。自然光的振动 特点是在垂直光波传导轴上具有许多振动面，各平面上振动 的振幅相同，其频率也相同。自然光经过反射、折射、双折 射及吸收等作用，可以成为只在一个方向上振动的光波，这 种光波则称为“偏光”或“偏振光”。
➢ 光线通过双折射体时，所形成的两种偏振光的振动方向，依 据物体的种类而不同。
➢ 定性研究：鉴别均质体、非均质体，分析晶体结晶形貌，观 察非均质体各种光学效应。
➢ 定量研究：测定晶体光学常数（折射率、光轴角等），测定 物相百分含量
四 实验内容
➢ 观察45钢、工业纯铁的暗像
➢ 观察球墨铸铁的偏光像
习题： （1）说明材料组织的明场像和暗场像有何区别，并从成像原理角度
➢ 暗场观察能正确的鉴别透明非金属夹杂的色彩，在鉴定非金 属夹杂物时极为重要。
三 暗场成像
➢ 要进行暗场观察，金相显微镜必须具备环形反射镜以及特殊 的暗场用反射集光镜或折射集光镜。
➢ 暗场照明必须采用平行光线，在使用暗场观察时，通常需要 重新调整光源系统，改变集光透镜的位置，并插入光栏后的 环形遮光板。
➢ 常用的测量法有面积法、线分法和点标法三种
三 实验概述
➢ 测量面积法，可用求积仪测量模板直接测量被测相在检验面上的 面积
➢ 线分法，利用测微标尺测量被测相在单位测试线上所占的比率LL、 单位测试线上的点数PL和单位测试线上的相个数NL。线分法测量 除用有刻度的标尺外，还用已知周长的圆模板和标有方位角的圆 模板来测量有方向性的组织
➢ 在正交情况下，视场是黑暗的，如果被检物体在光线上表现 为各相同性（单折射体），无论怎样旋转载物台，视场仍为 黑暗，这是因为起偏镜所形成的直线偏振光的振动方向不发 生变化，仍然与检偏镜的振动方向互相垂直。
四 偏光技术
➢ 若被检物体中含有双折射性物质，则这部分就会发光，这是 因为从起偏镜射出的直线偏振光进入双折射体后，产生振动 方向相互垂直的两种直线偏振光，当这两种光通过检偏镜时， 由于互相垂直，或多或少可透过检偏镜，就能看到明亮的相。
晶粒度级别 （3）采用网格数点法测球墨铸铁中球墨的含量
实验七 暗场及偏振光的应用
一 实验目的
1. 了解暗场及偏光的初步知识及应用 2. 利用金相显微镜，观察给定材料的暗场及偏光像 二 实验仪器 ZESIS Axivoert 200 MAT 型金相显微镜
三 暗场成像
平行柱状入射光线 环形光栏
环形筒状入射光线
➢ 测量法能得到所测相的准确定量的数据，分为非自动测量法和自 动测量法两种
➢ 非自动测量法利用一般光学显微镜和一些简单测量工具，测量可 在金相组织照片或金相显微镜投影屏上进行，也可直接通过带有 测微标尺的目镜在试样上测定
➢ 自动测量法使用定量仪器，测量既可直接在试样检验面上进行， 也可在组织的电子图片或照片上进行，测量速度快，误差小
说明产生区别的原因。
（2）试阐述球墨铸铁中的球墨以及聚合物中的球晶在正交偏光情况 反射套筒
环形筒状射出光线
试样 暗场原理示意图
三 暗场成像
工业纯铁明场像
工业纯铁暗场像
三 暗场成像
➢ 由于暗场入射光束倾斜角度极大，使物镜的有效数值孔径随 着增加，故物镜的鉴别能力也随着提高。在暗视场照明下观 察，即使是极细的磨痕也极易鉴别。
➢ 不像明场照明那样，入射于磨面的光线并不先经过物镜，因 而显著地降低了由于光线多次通过玻璃-空气界面所引起的 反射与眩光，提高了最后影像的衬度。
平均晶粒度测定方法 ➢ 计算工业纯铁的晶粒平均截距，并计算对应的晶粒度级别 ➢ 计算45钢退火组织中暗色的珠光体在组织中的体积比例 ➢ 计算球墨铸铁中球墨的含量
建议： （1）采用显微镜测微目镜测定方法计算45钢中珠光体的体积比例，同时需
要说明具体参数设定的依据 （2）采用截点法，计算工业纯铁中铁素体晶粒的平均截距，随后计算平均
➢ 金属和合金组织的各种形态参数的测量中，应用定量金相技 术可以测定第二相体积分数、第二相尺寸、质点间距、有方 向性的组织和取向程度、比相界面、近邻率、连续性等
三 实验概述
➢ 测试方法主要有比较法和测量法两类
➢ 比较法是将所测相和标准图谱比较定出一个定量级别，此法只能 得到关于材料组织或缺陷的一个笼统的概念，准确性差，但快速 简便
➢ 点标法，由于测量第二相的百分数等，一种是数出检验面上被测 相的点数，例如位错露头的蚀坑、三个晶粒间的节点数等，另一 种是用一个带点的阵列置于检验面上，数出落在被测相上的点数， 除以阵列的总点数。按金相组织疏密成都，阵列有正方形和正六 方形等。
四 实验内容
➢ 学习GB/T 15749-2008，定量金相测定方法，GB/T 6394-2002，金属
实验六 定量金相
一 实验目的
1. 了解定量金相的初步知识及应用 2. 综合利用理论知识，完成实际的定量金相任务 二 实验仪器 MDJ-200型金相显微镜
三 实验概述
➢ 定量金相是利用显微镜，通过在金相磨面上测得的二维参数， 来推算三维空间中金相组织含量的方法
➢ 为了研究金属材料的金相组织和性能的定量关系，需将金属 磨面上二维空间的组织参数，依立体几何和体视学原理换算 成三维空间参数进行分析
➢ 偏光显微镜最重要的部件就是偏光装置——起偏器和检偏器。 从光源射出的光通过两个偏振镜时，如果起偏镜与检偏镜的 振动方向互相平行，即处于“平行检偏位”的情况下，则视 场最为明亮。反之，若两者互相垂直，即处于“正交检偏位” 的情况下，则视场完全黑暗，如果两者倾斜，则视场表明出 中等程度的亮度。在采用偏光显微镜时，原则上要使起偏镜 与检偏镜处于正交检偏位的状态下进行。