材料物理性能试验指导书汇总

材料物理性能试验指导书
西南交通大学
二零零五年三月
课程名称：材料物理性能英文名称：Physical Properties of Materials
实验指导书名称：材料物理性能实验指导书编者：朱德贵
一、学时学分
总学时：48 总学分：3 实验时数：8 实验学分：0.5
二、实验的地位、作用和目的
实验是材料物理性能课程中重要的实践环节。

通过实验，使学生加深对课堂教学内容的理解，加深对所学物理性能测试原理、方法、表征方式等的理解，培养学生物性测试设备的使用能力，培养正确选用物性测试手段的能力。

三、基本原理及课程简介
材料物理性能是一门专业基础课，主要讲述材料物理性能的基本原理、物理概念、基本测试原理测试方法。

实验课以介绍基本原理及实验测试基本方法，使学生学会正确选用测试手段，明确每一物理性能的本质及应用。

四、实验方式与基本要求
1．由指导教师讲清实验的基本原理、要求、实验设备使用方法、实验目的及注意事项：
2．实验每组2-4人，每个实验时间2h，由学生独立操作完成实验：
3．了解试验原理、设备工作原理，及测试方法，并弄清每一性能测试与材料组织转变的相互关系。

五、考核与报告
1．学生按指导书要求提交实验报告，实验结果须有指导教师签字方有效：
2．实验指导教师对报告进行批改、评分。

六、设备及器材配置
每组：l、电子电位差计l台2、电阻箱3、电桥3台
4、分光光度计
5、光强测试仪2台
6、磁性测试仪
7、膨胀分析仪3台
8、耗材
七、实验项目与内容提要：
实验一 膨胀法测定钢的相变温度和膨胀系数
一、实验目的
1．了解膨胀测试原理及方法。

2．测定钢在加热和冷却过程中膨胀曲线并确定起其相变点。

二、实验原理
热容理论认为：晶体中，原子围绕其平衡位置作简谐振动，当温度增加时振幅增大，动能增大，使得固体材料的热容增加。

显然，这样无法解释热膨胀现象。

因为作简谐振动的原子不论其振幅多大，其振动中心不能产生位移。

既然热膨胀的存在确定无疑，显然表明原子振动是非简谐振动。

按照格律乃森的经验公式，相邻两原子的位能
n
m r
b
r a U +-
= 式中a 、b 为常数；r 为原子；m 和n 分别表示引力和斥力的幂指数。

对于金属材料，m 约等于3，而n 在很宽的范围内变化，但总是n>m 。

正是由于这种位能的不对称变化引起了固体的热膨胀。

当材料的温度从T1变化到T2时，材料的体积由V1变到V2，则该材料的平均体膨胀系数为：
T
V
V T T V V V ∆∆⋅=--=
11)12(112β
当ΔT 趋近于零时，上式的极限值(在压力P 恒定的情况下)定义为微分体膨胀 系数，即该材料在温度T 时的体膨胀系数：
P T T
V V )(1∂∂=
β 由于体膨胀系数β值的测定比较困难。

通常采用线膨胀系数α来表示材料的膨胀特性，即P
T T L L ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=
1α。

材料在T1至T2温度区间的平均线膨胀系数为T
L
L T T L L L ∆∆⋅=--=
11)12(112α。

对于各向同性材料近似有αβ3=。

当材料内部不发生组织结构转变时，其线膨胀系数。

随温度T 的变化曲线如图l 所示。

由于温度变化所引起的材料内部组织结构的改变，会造成α随温度T 的变化曲线的改变。

例如，当温度达到发生第一类相变的温度时，此时由于存在体积的突然改变，使α趋于无穷大，如图2(a)所示：当发生第二类相变时(磁性转变，有序一无
序转变)，在转变温度处α值有突变，如图2(b)所示。

因此，根据膨胀系数α随温度T的变化曲线上所产生的附加变化，可以分析材料的组织结构变化。

这是研究材料相变的重要方法之一。

另外，由于温度的提高，造成材料内部晶体缺陷的增多，使得α随温度T的变化曲线在高温段有别于比热容随温度的变化。

三、实验测试方法
材料膨胀系数的测定取决于两个物理量—温度、位移的准确测量。

一般情况下，温度的测定使用热电偶。

位移的测定可以使用千分表法、光学法、可变变压器法等。

无论采用何种方法，其基本原理如图3所示。

四、实验内容
本实验使用Forma3to卜D全自动膨胀仪，测定钢的膨胀系数和相变点。

参观千分表法和光学法膨胀测定仪。

五、实验报告
1．简述实验目的和原理：
2．整理实验数据，确定材料的临界温度，计算其膨胀系数；
3．误差分析及讨论。

实验二钢的电学性能测定
一、实验目的
1．了解电阻测量方法。

2．了解电阻与材料处理工艺及组织结构关系。

3．测定不同处理工艺的材料的电阻及电阻与温度关系。

二、实验原理
材料的电阻率ρ是由成分、组织状态及温度等因素决定的重要的物理性能之一。

由于电阻值R是与物体的形状、大小有关，而电阻率ρ与形状、大小无关，电阻率ρ常被用来表征材料的导电性能。

因为电阻率ρ是属于对组织结构敏感的性能，所以它在材料的研究，特别是基础理论的研究中被广泛地采用，成为分析研究相图、组织转变过程等的重要手段。

测量电阻的方法很多，如伏安法、欧姆表法、桥式电路法等。

通常根据被测电阻值的大小来选定。

在金属材料的研究中，经常遇到的是测量小电阻值(电阻的变化)。

因此，一般采用桥式电路法。

1．惠斯登电桥(单电桥)
单电桥由参考电阻Rl、R2，标准电阻RN和待测电阻Rx组成，用导线将其连成封闭的四边形；在A、C端接电源E和开关K1，在B、D端之间接以灵敏度较高的检流计G和开关K2，构成“桥”：将R1、R2、RN和Rx称为“桥臂”，如图l所示。

一般情况下，当K1、K2闭合时，检流计G内有电流流过，因此检流计指针发生偏转。

调节R1和R2，使通过检流计的电流为零，即达到电桥平衡。

此时，电桥
电路中B 、D 两点的电位相等，则有下列关系：
DC BC AD AB V V V V ==;
所以
两式相比可得
根据此式，若已知RN 和调节平衡后的两臂的电阻值R1和R2即可求得Rx 。

必须注意，由此法所测得的Rx 值，实际上包括了连接导线的电阻和导线与接线柱之间的接触电阻(一般为1 0-6一1 0-4Ω)。

当待测电阻较大时，这些附加的电阻值影响不显著。

当Rx 很小时，它们就会引入很大的误差。

因此，单电桥只适用于测量较大电阻。

测量微小电阻通常采用双电桥。

2．凯尔文电桥(双电桥)
双电桥的原理如图2所示。

图2 双电桥原理图
其中R N 为标准电阻，Rx 为待测电阻。

Rx 和R N 各有一对“电流接头”Cxl 、Cx2和Cnl 、Cn2，以及一对“电位接头”Px1、Px2和Pn1、Pn2。

为了排除和减小接线电阻和接触电阻对测量结果的影响，在接线时一定要使电
流的引出线之间只包含待测电阻Rx 。

因此，一般电流接头均接在电位接头的外侧。

在RH 和Rx 之间用一根粗导线R 连接起来，并和电源组成闭合回路。

在各“电位接线”上，分别与桥臂电阻R1、R2、R3、R4连接，各桥臂的电阻值应不低于10Ω，当调整电桥达到平衡时，通过检流计的电流I g =0，C 、D 电位相等。

根据克希霍夫第二定则，有下列关系：
I 1R 1=I N R N +I 3R 3 I 2R 2=IxRx+13R 4 (I N -I 3)R=I 3(R 3+R 4)
解此方程组得 N X R R R R ⋅=
12+)2
413(432R R R R R R R R R -++⋅ 因为在电桥的制造时，采用两个机械连动的转换开关，同时调节R1与R3和R2与R4，使R1=R3,R2=R4。

因此，电桥在调平衡的过程中始终保持
2
4
13R R R R =。

所以电桥有N X R R R R ⋅=
1
2
的关系。

由上面的叙述可知，双臂电桥之所以能排除和减小接线电阻和接触电阻对测量值的影响，是由于：
1．被测电阻Rx 和标准电阻R N 之间的接线电阻和接触电阻Cn 、Cx2都被包含在含有电阻R 的支路内，可认为是R 的一部分，由于保证
2
4
13R R R R =，R 值的大小对测量结果无关：
2．Rx 和R N 与电源连接线的电阻以及接触电阻，只影响总的工作电流，对电桥平衡无影响；
3．电位接头的接触电阻及连线电阻分别包括在相应的桥臂支路中，由于桥臂电阻的值均在10Ω以上，接触电阻和接线电阻的值(10-6~10-4Ω)与此相比是极小的，因此影响很小。

三、实验内容
1．将65Mn 试样(共12根)加热至800-．820'(2淬火，并分别在不同的温度进行回火处理(回火温度从100'C-600'C ，每隔50~C 一个试样)，测出淬火试样和回火试样的电阻值，求出电阻率；
2．作65Mn 钢的电阻率与回火温度关系曲线；
3．测定Fe-Cr-Al 电炉丝的电阻串—温度关系曲线。

四、实验报告
1．简述实验原理和内容；
2．列出实验数据，画出实验曲线： 3．实验结果分析与讨论。

实验三 材料光学性能测定
一、实验目的
1．了解材料组织的结构与光学性能关系 2．测定材料透光率及发光强度
二、实验原理
当光从一种介质进入另一种介质时，一部分透过介质，一部分被吸收，还有 一部分在两种介质的界面上被反射。

设入射到固体表面的光辐射能流率为Φo ，透射、吸收和反射光的辐射能流率分别为ΦT,ΦA 和ΦR ，则
Φo=ΦT+ΦA+ΦR
光辐射能流率的单位为Wm -2，表示单位时间内通过单位面积(与光线传播方向垂直)的能量。

上式也可写成
1=++ρατ 式中：
）。

为反射率（）为吸收率（）为透射率（o
R o A o T ΦΦ=ΦΦ=ΦΦ=ρρααττ;; 透明材料是透射率较高而吸收率和反射率较小的材料。

半透明材料是光线透过它时能发生漫散射的材料。

不透明材料是透射率极小的材料。

金属对整个可见光谱都是不透明的，即所有的入射光不是被吸收，就是被反射。

所有的电绝缘材料都可能制成透明材料。

半导体材料中，有些是透明的，有些是不透明的。

在纯高聚物(不加添加剂和填料)中，非晶态均相高聚物应该是透明的，而结晶高聚物一般是半透明甚至是不透明的。

在固体材料中出现的光学现象是电磁辐射与固体材料中原子、离子或电子之 间相互作用的结果。

最重要的两种作用是电子极化和电子能态的转变。

(1)电子极化
电磁波的分量之一是迅速交变的电场分量。

在可见光频率范围内，电场分量与传播过程中遇到的每一个原子都发生相互作用，引起电子极化，即造成电子云和原子核的电荷中心发生相对位移。

其结果，当光线通过介质时，一部分能量被吸收，同时光波速度减小。

后者导致折射。

(2)电子能态转变
电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变到另一种能态的过程。

某个原子吸收了光子的能量后，可能将低能级上的电子激发到较高的空能级上去，电子发生的能量变化ΔE 与电磁波的频率有关：
νh E =∆
式中：h 为普朗克常数；ν为光子振动频率。

在这里必须明确几个概念：第一，原子中电子的能级是分立的，能级之间只有特定的ΔE 值。

因此，只有能量为ΔE 的
光子才能被原子通过能态转变而吸收，而且在每一次激发中，每个光子的能量将全部被吸收。

第二，受激电子不可能无限长时间地保持在激发状态，经过一个短时期后，它又会衰变回基态，同时发射出电磁波。

衰变的途径不同，发射出的电磁波的频率就不同。

1．能带结构和光学性能
在金属的电子能带结构中，费密能级以上存在许多空能级。

因此，当金属受到光线照射时，比较容易吸收入射光线的光子能量，将价带中的电子激发到费密能级以上的空能级中去。

实际上，只要金属箔的厚度为0．1μm就可能吸收全部光能。

大部分被金属材料吸收的光又会从表面上以同样波长的光被反射出来，表现为反射光(图1)。

大多数金属的反射率为0．9--0．95。

还有一小部分能量以热的形式损失掉了。

肉眼看到的金属颜色是由反射光的波长决定的。

图1 金属材料吸收电磁波(光子)后能态的变化
(a) 电子受激跃迁(b) 受激电子返回基态，发射出光子
对于非金属材料，由于其能带中存在禁带Eg，在大多数情况下对可见光是透明的。

只有入射光子的能量，大于禁带宽度，才有可能通过电子激发被吸收(图2)。

每一种非金属材料对特定波长以下的电磁波不透明，具体波长取决于Eg。

例如，金刚石的Eg=5．6eV，因而对波长小于0．22Llm的电磁波是不透明的(Eg=hc／λ)。

禁带较宽的介电材料也可能吸收光波，不过机制不是激发电子从价带进入导带，而是因为杂质或其他带电缺陷在禁带中引进了能级(施主能级或受主能级)，使电子能够在吸收光子能量后实现从价带—>禁带或从禁带—>导带的转移(图3)。

电子受激时吸收的能量必定会以某种方式释放出来。

释放的机理有几种。

对于通过电子从价带>导带所吸收的能量，可能会通过电子与空穴的重新结合而释放出来，也可能通过禁带中的杂质能级而发生电子的多级转移，从而发射出两个光子。

一个光子的能量等于电子从导带回到杂质能级所释放出来的能量：另一个光子的能量等于电子从杂质能级回到基态时释放出来的能量。

此外，还可能在电子的多级转移中发出一个电子和一个光子。

图2非金属材料吸收光子后能态的变化
(a)受激电子越过禁带，并产生一个空穴
(b)电子返回价带并与空穴复合发射出一个光子
图3介电材料吸收光子后电子能态的变化
(a)禁带中杂质能级电子吸收光子后激发进入导带
(b)电子从导带衰变到杂质能级，发射出一个光子：再从杂质能级返回到基
态，又发射出一个光子
(c)电子从导带衰变到杂质能级，发射出一个声子：再从杂质能级返回到基
态，又发射出一个光子
介质净吸收的光波能量不仅与介质特性有关，还有光程有关。

透射光的辐射能流率随光程x的增加而减小：
x e o T β-⋅Φ=Φ'
式中R o o Φ-Φ=Φ'
，即入射光中的非反射辐射能流率； β为吸收系数，单位为(mm)-1，是材料的特征常数；x 是光线在介质中经过的距离。

2．发光现象
发光是辐射能量以可见光的形式出现。

如果辐射或其他任何形式的能量，激发电子从价带进入导带，则当该电子返回价带时，便发射出光子(能量为1．8eV 一3．1eV)。

如果这些光子的波长在可见光范围内，那么，便产生发光现象。

与热辐射发光相区别，称这种发光为冷光。

根据材料从吸收能量到发光之间延迟时间的长短，把冷光分为荧光(<10-8s)和磷光(>10-8s)。

能发出荧光和磷光的材料有某些硫化物、氧化物、钨酸盐和一些有机物。

纯物质一般不会发光，必须加进适当的杂质后才能诱导出发光现象。

图4是夜光材料SrAl 2O 4-x ：Eu ，Dy 的余辉特性曲线。

图4夜光材料SrAl 2O 4-x ：Eu ，Dy 的余辉特性
发光现象有许多重要的实际应用。

如荧光灯的发光，电视显示屏、显示器，示波器、雷达监视屏，发光二极管，夜光表等。

三、测试方法
用分光光度计测量不同材料的透光率曲线，确定材料的禁带能级宽度。

用紫外可见光检测仪激发材料发光，用光强计测量长余辉夜光材料的余辉特性。

四、实验内容
测定有机玻璃的透光率曲线，确定禁带宽度；测定ITO 薄膜的透光率曲线。

测定长余辉夜光材料SrAl 2O 4-x ：Eu ，Dy 的余辉特性。

五、实验报告
1. 简述实验目的零1原理：
2．整理实验数据，确定材料的禁带宽度： 3．误差分析及讨论。

实验四材料磁学性能分析
一、实验目的
1．了解材料磁学性能及磁化曲线
2．测定材料磁化强度及磁滞曲线
二、实验原理
磁介质可分为顺磁体、抗磁体、铁磁体、亚铁磁体和反铁磁体。

对于顺磁体和抗磁体来说，它们的相对磁导率μr接近于1。

而对于其他磁性材料的相对磁导率μr 很大(μr>>1)，磁性材料具有一系列特性，如μr不是一个常数，能保留剩余磁性，并具有一个临界温度(居里温度Tc)，达到该温度以上磁性物质转化为顺磁体等。

任何铁磁体和亚铁磁体，在温度低于居里温度Tc时，都是由磁畴组成的。

磁畴是自发磁化到饱和(即其中的磁矩均朝一个方向排列)的小区域。

相邻磁畴之间的界线叫磁畴壁(图1)。

在一块未经外磁场磁化的样品中，磁畴的取向是无序的，故磁畴的向量之和为零，因此，整块磁体对外不显示磁性。

图1 铁磁体和亚铁磁体的磁畴和磁畴壁结构示意图
铁磁体和亚铁磁体在外磁场作用下，磁感应强度B和磁场强度H间不是简单的线形比例关系。

假设样品在一开始已经退磁化，那么磁感应强度B随H的变化如图2所示。

曲线自原点开始，H增加时，B也增加。

一开始B的增加比较缓慢，后来增加较快．最后又减慢并达到平衡值Bs。

磁性材料磁化的本质是磁畴结构的变化过程。

图2给出了B-H曲线上某些点所对应的磁畴结构示意图。

一开始，在已经退磁化的样品中磁畴的驭向是无序的，因此无净磁感应强度。

施加外磁场后，那些磁畴顺排方向与外磁场方向基本一致的磁畴长人，而其它方向的磁畴减小。

随着磁场强度的增加，这—过程不断地进行，直
到整个样品变成单畴。

继续增大外磁场时，该单畴通过转动达到与外磁场方向完全一致，这时样品就达到了饱和磁化。

图2 铁磁体和亚铁磁体磁化过程中的B-H曲线和磁滞回线
如果将样品磁化到饱和点之后，慢慢地减小H，则B也减小。

这个过程叫退磁化过程。

此时B的变化并不是按磁化曲线的原路程返回，而是按另一条曲线，即图中的SR段曲线变化。

当H减小到零时，B=Br，称为剩余磁感应强度(简称剩磁)，表示材料在无外加磁场时仍保持了一定程度的磁化。

如果要使B=O，则必须加上一反向磁场Hc，Hc称为矫顽力。

从这里可以看出，退磁过程中B的变化落后于H的变化。

这种现象称为磁滞现象，其本质是磁畴壁在运动中受到阻力。

当反向H继续增加时，最后又可达到反向饱和点。

如果沿正方向增加H，则又通过另一条曲线达到正向饱和点。

可见在交变磁场的每一周期内，B-H曲线构成一个封闭回路，这个回路曲线称为磁滞回线。

磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时以热的形式所消耗的功(J．m-3)。

描述磁滞的另一个物理量是最大的磁能积(BH)max，它是磁滞回线在第二象限内磁感应强度和磁场强度乘积的最大值。

磁性材料按磁滞特性可分为软磁材料和硬磁材料两大类。

1．软磁材料
软磁材料具有较高的磁导率，较高的饱和磁感应强度，较小的矫顽力和较低的磁滞损耗。

这种材料非常容易磁化和退磁，磁滞回线很窄。

软磁材料主要用于制造磁导体，例如变压器、继电器的磁芯(铁芯)、电动机转子和定子．磁路中的连接元件、磁极头、磁屏材料、感应圈铁芯、电子计算机开关元件：和存储元件等。

表1给出了几种常用软磁材料及其性能。

2．硬磁材料
硬磁材料又称永磁材料，是指那些难于磁化，又难于退磁的材料。

它具有较大
的矫顽力，典型的Hc叫0‘～106A(m”，剩磁也高，磁滞回线又高又宽，具有较大的最大磁能积。

硬磁材料主要用于制造各种永磁体，以便提供磁场空间。

可用于各类电表和电话、录音机、电视机中以及利用磁性牵引力的举重器、分料28和选矿器中。

表2给出了几种常用硬磁材料及其基本性能。

三、实验内容和方法
用CL6-1型直流磁特性测量装置测量软磁材料(工业纯铁、铁氧体软磁材料)和
硬磁材料(钕铁硼磁体)的磁化曲线和磁滞回线。

1．闭磁路样品的测量
闭磁蹄样品是具有闭合磁路的样品，它是用螺旋环来磁化的。

由于螺旋环产生的磁场不强(至多为103A.m -1数量级)，因此闭磁路样品主要是软磁材料。

由于螺旋环产生的磁场可以通过测量磁化电流计算出来。

1
1
.1
2
ln
)12(2.)
21(2---=
+==
=m A R R R R NI H m A R R Nl I R N nI H πππ或
这里I 是滋化线圈的电流，N 是线圈匝数，R2和R1是环的外半径和内半径尺寸)。

因此，测量闭磁路样品的磁化曲线和磁滞回线就归结为测量各磁化电流下的磁感应强度B 。

2．开磁路样品的测量
开磁路样品是指正电磁铁或螺线管中测量的样品，主要是永磁材料。

冲击法是测量永磁材料静态磁性的标准方法。

3．电子积分法
电子积分器是用电子学方法对测量线圈的感应电动势直接积分，输出电压与
⎰edt ，即与φ∆成正比。

由于它能对电压进行瞬时积分，因此可以测量随时间变化
的磁通量．只要在输出端配合记录仪或数字电压表，便可以实现自动测量。

电子积分器法不仅可以用来测量磁场，还可以用来进行静态、动态磁性的测量。

电子积分器法不仅克服了冲击法的原理误差，而且便于测量自动化．
图3和图4分别为软磁和永磁材料的静态磁性测量原理图。

四、实验报告
1．简述实验目的和原理；
2．整理实验数据，确定材料的饱和磁感应强度，剩余磁感应强度和矫顽力； 3．误差分析及讨论。