实验八晶体结晶过程观察及凝固条件对
铸锭组织的影响
（Observation of the crystallization process of crystalloid and the impact of solidification conditions on
ingot structure）
实验学时：2 实验类型：操作
前修课程名称：《材料科学导论》
适用专业：材料科学与工程
一、实验目的
⒈观察盐类的结晶过程：
⒉分析凝固条件对铸锭组织的影响。
二、概述
盐和金属均为晶体。由液态凝固形成晶体的过程叫结晶。不论盐的结晶，金属的结晶以及金属在固态下的重结晶都遵循生核和长大的规律。结晶的长大过程可以观察到，可是晶核的大小不能用肉眼看到，因为临界晶核的尺寸很小，而在试验中只能见到正在长大的晶粒，此刻已经不再是临界尺寸的晶核。金属和盐类晶体最常见到的是树枝状晶体。通过直接观察透明盐类（如氯化铵等）的结晶过程可以了解树枝状晶体（枝晶）的形成过程。
在玻璃片上滴上一滴接近饱和的氯化铵溶液，观察它的结晶过程。随着液体的蒸发，溶液逐渐变浓，达到饱和，由于液滴边缘最薄，因此蒸发最快，结晶过程将从边缘开始向内扩展。
结晶的第一阶段是在最外层形成一圈细小的等轴晶体，结晶的第二阶段是形成较为粗大的柱状晶体，其成长的方向是伸向液滴的中心，这是由于此时液滴的蒸发已比较慢，而且液滴的饱和顺序也是由外向里，最外层的细小等轴晶只有少数的位向有利于向中心生长，因此形成了比较粗大的、带有方向性的柱状晶。结晶的第三阶段是在液滴的中心部分形成不同位向的等轴枝晶。这是由于液滴的中心此时也变的较薄，蒸发也较快，同时溶液的补给也不足，因此可以看到明显的枝晶组织。
细小的等轴晶与粗大的柱状晶体
液体中间部分的粗大等轴树枝晶
盐液滴由于蒸发而进行的结晶过程及所得的结晶组织与铸锭的结晶过程和组织很相似。 铸锭的表层为细等轴晶粒区，晶粒细小，组织致密，成分均匀。当液态金属到入铸模以后，结晶首先从靠近模壁处开始。模壁温度低，在该处因过冷度极大，晶核产生多，这些核心长大时很快接触，形成细小的等轴晶粒，称为细等轴区。
紧接表层的是柱状晶区，由垂直于模壁的彼此平行的柱状晶粒组成，组织致密。这是因为，在细等轴区形成的同时，模壁温度已升高，过冷度减小，与液体接触的小枝晶要长大，但在长大过程中很快地与上下左右的枝晶相撞，长大受到了限制。这时只有晶轴与模壁垂直的小枝晶向液体内伸展不受阻碍，而这时散热有了方向性，垂直模壁的方向散热最快，这样，这部分晶粒一致向液体内伸展，结果就形成了与模壁垂直的粗大柱状晶体，称为柱状晶区。如果模壁的散热较快，已结晶的金属的导热性较好，液态金属始终能保持较大的内外温度梯度和方向性散热，柱状晶能一直长大到铸锭中心，形成所谓穿晶组织。
一般情况下随着柱状晶的发展，模壁温度继续上升，方向性散热条件逐渐消失，剩余液体的温差越来越小，趋于均匀缓冷状态，柱状晶长大的趋势也渐趋减小。这时仍为液体的中心区域的温度也逐渐降低，并趋于均匀，加上杂质的作用会在这部分液体中同时形核。因为该区过冷度小，核心产生得少，且因散热无方向性，各方向的成长速度相同，于是在铸锭内部形成许多位向不同的粗大的等轴晶粒，形成晶粒粗大的等轴晶区，组织疏松。
金属铸锭的结构
铸锭的这三个晶区是的不同的条件下形成的，若改变液体金属的冷却条件（如模壁材料，模壁温度，模壁厚度）和浇注温度以及变质处理等凝固条件，则将改变三个晶区，特别是柱状晶区和等轴晶区的相对面积以及各自的晶粒大小。
冷却速度越快或铸模内外温差越大，则均有利于柱状晶的发展。例如改变模壁材料，就改变了金属的冷却条件。金属模可以比砂模获得更大的柱状晶区。如果将模子预热，其实质是降低了冷却速度。预热温度越高等轴晶区越大。
浇注温度愈高，浇注后沿铸锭截面的温差也越大，方向性散热时间越长，有利于柱状晶发展。同时液态金属过热程度愈大，非自发晶核的数目就愈少，这也减少了液体中成核的可能性，因此也促进了柱状晶的发展。
通过加入一定的变质剂进行变质处理，增加结晶时的核心，可得到细小的晶粒。不同纯度的金属，由于其非自发核心数目的不同，结晶后的晶粒粗细也不同。
从铸锭组织结构看到，纯金属只在铸锭的表面、缩孔处，可以清楚地看到枝晶组织，而在铸锭内只能看到外形不规矩的晶粒。在铸态合金的组织中，由于晶内偏析或结晶顺序不同，合金内部可以用显微镜看到枝晶组织（即枝晶偏析）。
从性能角度出发，外层细等轴晶区很薄，对铸锭机械性能影响不大。柱状晶粒由于彼此互相纺碍，树枝的分枝较少，结晶后显微缩孔少，组织致密。但是柱状晶方向一致，使铸件的性能有方向性，且从相临模壁长出的柱状晶粒的交界面处容易聚集杂质而形成弱面，压力加工时易沿脆弱面开裂。粗大等轴晶长大时彼此交叉，不存在脆弱面，但树枝状晶体发达，分枝较多，因而显微缩孔多，结晶后组织不致密，铸锭热压力加工时显微缩孔一般可焊合。
三、实验方法指导
⒈ 实验设备及材料
⑴坩埚电阻炉；⑵石墨坩埚；⑶热电偶温度计；⑷钢模；⑸干沙模；⑹手钳；⑺打字头；⑻锯锉；⑼砂纸；⑽工业纯铝锭；⑾0.2～0.3%Ti 粉（变质剂）；⑿侵蚀剂；⒀
氯化铵饱和液；⒁清洁的玻璃片和玻璃棒；
⒉实验内容和步骤
⑴观察氯化铵溶液的结晶过程
用玻璃棒或毛笔引一小滴已配好的氯化铵水溶液到玻璃片上；仔细观察枝晶的形成过程。
注意：液滴不应太大，否则蒸发太慢，不容易结晶。（或，将玻璃片浸入溶液中，利用液体的表面吸附作用消除大的液滴，将一侧及两边的溶液擦干，在一侧的表面保留一层极薄的溶液，结晶速度较快，便于在生物显微镜下即时观察。）
⑵分析凝固条件对铸锭组织的影响
实验方案如下表，根据提供的样品，结合理论，研究冷却速度和浇注温度对铸锭粗视组织的影响。
①将熔融的液态金属铝锭铸入模内。一组浇注一个铸锭。
②冷却后将铝锭取出，分别在两端打上记号，以便识别。
③将铝锭用虎钳夹住，一个离锭底25mm处锯开（注意，锯断面尽量与锭的长轴
垂直），一个沿纵轴锯开，锯时防止偏斜。
④锯断面用锉刀锉平，然后用200号砂纸磨平（方法与磨光方法相同）
⑤磨好后不必抛光，即用水洗，再用酒精洗净吹干。将磨面侵入1：1的硝酸盐
酸溶液中，在溶液内来回移动，约两分钟，组织清楚显现后，取出洗净，吹干。
⑥观察、分析比较各种凝固条件下的剖面组织，画下粗视组织示意图。
⒊如果进行实际浇注，需要强调的实验注意事项：
①浇注时注意安全，防止烫伤。熔化金属的坩埚内浮有溶渣时，倾注时须用铁板
挡住；液体金属注入模子时须连续，不能断续或停歇。
②向铝液中加变质剂钛铁粉（0.2～0.3%Ti）时，首先，待金属熔化并达到浇注
温度后，将表面的渣拨开，放入少量变质剂，搅动，然后再待温度升至浇注温
度即可浇注。
③侵蚀时，注意防止酸溅到身上。
四、本次实验的总结要求
⒈画出六种铸锭的纵面粗视组织示意图，注明浇注条件。
⒉比较它们的柱状晶区和粗等轴晶区的相对面积和晶粒的大小；分析原因，说明模壁材料、模子预热温度、浇注温度、变质处理对铸锭组织的影响。
10mm铸铁模具+800℃----穿晶，柱状晶区发达。
10mm铸铁模具+700℃+加入变质剂
10mm铸铁模具+700℃
3mm铸铁模具+700℃
10mm砂模+700℃
10mm 铸铁模具（500预热）+700℃
北京工业大学 试卷七 2007年攻读硕士学位研究生入学考试试题 考试科目：材料科学基础 适用专业：材料科学与工程 一、名词解释 1．脱溶(二次结晶) 2．空间群 3．位错交割 4．成分过冷 5．奥氏体 6．临界变形量 7．形变织构 8．动态再结晶 9．调幅分解 10．惯习面 二、填空 1．晶体宏观对称要素有 (1) 、 (2) 、 (3) 、 (4) 和 (5) 。 2．NaCl型晶体中Na+离子填充了全部的 (6) 空隙，CsCl晶体中Cs+离子占据的是 (7) 空隙，萤石中F-离子占据了全部的 (8) 空隙。 3．非均匀形核模型中晶核与基底平面的接触角θ=π/2，表明形核功为均匀形核功的 (9) ，θ= (10) 表明不能促进形核。 4．晶态固体中扩散的微观机制有 (11) 、 (12) 、 (13) 和 (14) 。 5．小角度晶界由位错构成，其中对称倾转晶界由 (15) 位错构成，扭转晶界由 (16) 位错构成。 6．发生在固体表面的吸附可分为 (17) 和 (18) 两种类型。 7．固态相变的主要阻力是 (19) 和 (20) 。 三、判断正误 1．对于螺型位错，其柏氏矢量平行于位错线，因此纯螺位错只能是一条直线。 2．由于Cr最外层s轨道只有一个电子，所以它属于碱金属。 3．改变晶向符号产生的晶向与原晶向相反。 4．非共晶成分的合金在非平衡冷却条件下得到100%共晶组织，此共晶组织称伪共晶。 5．单斜晶系α=γ=90°≠β。 6．扩散的决定因素是浓度梯度，原子总是由浓度高的地方向浓度低的地方扩散。 7．再结晶完成后，在不同条件下可能发生正常晶粒长大和异常晶粒长大。 8．根据施密特定律，晶体滑移面平行于拉力轴时最容易产生滑移。 9．晶粒越细小，晶体强度、硬度越高，塑性、韧性越差。
实验报告 课程名称：材料科学基础实验方法成绩： 实验名称：(盐类)晶体结晶过程观察批阅人： 实验时间：2010.12.2 实验地点：5411报告完成时间：2010.12.15 姓名：学号：班级： 同组实验者：指导教师： 一、实验目的 1）观察透明盐类的结晶过程及结晶后的组织特征，对（金属的）结晶过程建立感性认识。 2）观察有树枝状晶体的金属显微组织和具有树枝状晶体的铸件或铸锭实物图片，建立金属晶体以树枝状形式长大的直观概 念。 3）观察不同晶体的不同生长形态，了解晶体生长的微观机理。 二、实验内容 1）结晶过程及晶体生长形态观察 将质量分数为25%~30%氯化铵水溶液，加热到80~90℃，观察在下列条件下的结晶过程及晶体生长形态。 1）将溶液倒入培养皿中空冷结晶。 2）将溶液滴在玻璃片上，在生物显微镜下空冷结晶。 3）将溶液倒入小烧杯中空冷结晶。
4）将溶液滴入是观众空冷结晶。 5）在培养皿中撒入少许氢化氨粉末并空冷结晶。 6）将培养皿、试管置于冰块上结晶。 2）胞状晶形貌观察。 将Sn-0.05%Pb合金加热融化，升温至550℃，浇入到100℃的金属型中，待其凝固短时间（约3s）后，将剩余液体倒掉，选取较平整的一小块液固界面，在显微镜下观察，即可看出胞状界面。 三、主要仪器设备 显微镜、玻璃片、吸管。 饱和氯化铵水溶液 结晶实物图片 四、实验过程与结果记录 1）在干净的玻璃片上，用吸管滴一滴饱和硝酸铅水溶液，并在显微镜下观察它的结晶过程。也可用放大镜、投影仪等观察， 并绘出示意图。 2）用肉眼（放大镜）观察具有不同晶型的实物图片。
五、实验结果分析与讨论 1）描述所观察到的氯化铵的结晶过程，并绘出示意图。 2）汇出金属树枝状晶体的纤维组织示意图。 3）结合所学知识说明金属树枝状晶体的形成原因。
1. 有一硅单晶片，厚0.5mm ，其一面上每107个硅原子包含两个镓原子，另一个面经处理后含镓的浓度增高。试求在该面上每107 个硅原子需包含几个镓原子，才能使浓度梯度为2×10-26原子/m 3 2. 为研究稳态条件下间隙原子在面心立方金属中的扩散情况，在厚0.25mm 的金属薄膜的一个端面(面积1000mm m 硅的晶格常数为0.5407nm 。 2 ) 保持对应温度下 的饱和间隙原子，另一端面 3. 一块含0.1%C 的碳钢在930℃渗碳，渗到0.05cm 的地方碳的浓度达到0.45%。在t>0的全部时间，渗碳 气氛保持表面成分为1%， 4. 根据上图4-2所示实际测定lgD 与1/T 的关系图，计算单晶体银和多晶体银在低于700℃温度范围的扩散激活能，并说明两者扩散激活能差异的原因。 5. 设纯铬和纯铁组成扩散偶，扩散1小时后，Matano 平面移动了1.52×10-3cm 。已知摩尔分数C Cr =0.478时，dC/dx=126/cm ，互 扩散系数为1.43×10-9cm 2/s ，试求Matano 面的移动速度和铬、铁的本征扩散系数D Cr ，D Fe 。(实验测得Matano 面移动距离的平方与扩散时间之比为常数。D Fe =0.56×10-9(cm 2 6. 对于体积扩散和晶界扩散，假定Q /s) ) 晶界≈1/2Q 体积7. γ铁在925℃渗碳4h ，碳原子跃迁频率为1.7×10，试画出其InD 相对温度倒数1/T 的曲线，并指出约在哪个温度范围内，晶界扩散起主导作用。 9/s ，若考虑碳原子在γ铁中的八面体间隙跃迁，(a)求碳原子总迁移路程S ； (b)求碳原子总迁移的均方根位移；(c)若碳原子在20℃时跃迁频率为Γ=2.1×10-98.假定聚乙烯的聚合度为2000，键角为109.5°，求伸直链的长度为L /s ，求碳原子的总迁移路程和根均方位移。 max 与自由旋转链的均方根末端距之比值，并解释某些高分 子材料在外力作用下可产生很大变形的原因。(l=0.154nm, h 2=nl 29.已知聚乙烯的Tg=-68℃，聚甲醛的Tg=-83℃,聚二甲基硅氧烷的Tg=-128℃,试分析高分子链的柔顺性与它们的Tg 的一般规律。 ) 10.试分析高分子的分子链柔顺性和分子量对粘流温度的影响。 11.有两种激活能分别为E 1=83.7KJ/mol 和E 2=251KJ/mol 的扩散反应。观察在温度从25℃升高到600℃时对这两种扩散的影响，并 对结果作出评述。
《材料科学基础》实验指导书 （试用） 院系： 班级： 姓名： 学号： 大连理工大学 年月日
实验目录 实验一金相显微镜的使用及金相试样制备方法（2学时）实验二金属材料的硬度（2学时）实验三 Sn-Pb二元平衡相图测试（2学时）实验四金相定量分析方法（2学时）实验五 Fe-C合金平衡组织观察（2学时）实验六材料弹性及塑性变形测定（2学时）实验七碳钢试样的制备及测试综合性实验（4学时）实验八金属塑性变形及回复再结晶设计性实验（6学时）实验九金属凝固组织及缺陷的观察（2学时）
实验一金相显微镜的使用及金相试样制备方法 一、实验目的 1）了解光学显微镜的原理及构造，熟悉其零件的作用。 2）学会正确操作和使用金相显微镜。 3）掌握金相试样的制备过程和基本方法。 二、实验设备与材料 实验设备：x-1型台式光学显微镜，磨样机、抛光机、砂轮机 实验材料：碳钢标准样品 三、实验内容 1.通过本次实验使学生了解光学显微镜并熟悉光学显微镜的构造和使用方法； 2.要求每个学生会实际操作光学显微镜，观察金相样品并测定其放大倍数。 3.演示并初步认识金相试样的制备过程及方法 四、实验报告撰写 撰写实验报告格式要求： 一、实验名称 二、实验目的 三、实验内容 包括：1. 光学显微镜的构造及其零部件的作用 2. 使用光学显微镜观察标准样品的收获 3. 概述金相试样制备过程及方法 四、个人体会与建议
实验二金属材料的硬度 一．实验目的 1.了解布氏、洛氏、维氏硬度的测试原理。 2.初步掌握各种硬度计的操作方法和使用注意事项。 二．实验设备和样品 1．布氏、洛氏、维氏硬度计 2．铁碳合金试样 三．实验内容和步骤 1.通过老师讲解，熟悉布氏和洛氏硬度计的原理、构造及正确的操作方法。 2.演示测定维氏硬度值，演示测定布氏和洛氏硬度值， 注：每个样品测量压痕数，由指导老师根据学生人数确定，保证每位学生可以操作硬度计1-2次。因为实验条件限制，所以不需要严格按照多次测量取平均值的要求进行实验。 四．实验报告内容 1．简述实验目的和步骤。 2．简要叙述布氏、洛氏、维氏硬度计的测量原理和特点。 3．写出测量步骤，附上实验结果。 4．总结各种硬度计的使用注意事项和使用体会。
附件1 教学大纲编写要求与说明 一、大纲编写要求 课程教学大纲是执行专业人才培养方案、实现培养目标要求的教学指导性文件，是实施教学与考核的主要依据。课程教学大纲一般包括说明部分和本文部分，说明部分要明确课程性质、教学目标和要求，注重理论联系实际，体现科学性、思想性和实践性，贯彻“少而精”原则，做到规范与灵活相统一；本文部分是教学大纲的基本部分，分章节或单元说明（章节或单元）教学目标、教学时数、教学内容、教法建议、考核要求以及参考书目等。 凡列入培养方案的各门课程，均应由课程归属教学单位根据有关规定和要求在开课前组织教研室或任课教师制（修）订教学大纲。教学大纲应经所在教研室讨论审核，经学院批准后方可执行，并报教务处备案。各专业课程教学大纲应与人才培养方案相配套，并汇编成册。 二、文档格式要求 1．教学大纲统一用Word文档排版打印，页面设置为：A4纸型；页边距：左2.8cm、右2.5cm、上2.5cm、下2.5cm、页眉1.5cm、页脚1.0cm，标准字间距，行距1.5倍，段前段后间距均设为0，标点符号全角录入。 2．标题、正文的字体及字号要求：一级标题：（《XXXX》教学大纲）三号宋体加粗；二级标题：小四号宋体加粗；其余正文内容：小四号宋体。 三、填写内容说明 1．关于教学目标 具体参见理论课的教学目标陈述要求及参考样例，教学目标一定要反映学生的学习结果，要反映不同的知识类型和层次。 2．实验类课程中的“类型” 是指基本（演示、验证等）、综合、设计等；如是上机课程“类型”是指单项训练、综合训练等。 3．非独立设置的课内实践环节教学大纲可以参照独立设置实验课程教学大纲格式编写，课内实践教学大纲应作为理论课程教学大纲的一部分，课程编号、学分以理
实验六金属的塑性变形与再结晶 （Plastic Deformation and Recrystallization of Metals）实验学时：2 实验类型：综合 前修课程名称：《材料科学导论》 适用专业：材料科学与工程 一、实验目的 1．观察显微镜下变形孪晶与退火孪晶的特征； 2．了解金属经冷加工变形后显微组织及机械性能的变化； 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。所以孪晶变形后，由于对光的反射能力不同，在显微镜下能看到较宽的变形痕迹——孪晶带或双晶带。在密排六方结构的锌中，由于其滑移系少，则易以孪晶方式变形，在显微镜下看到变形孪晶呈发亮的竹叶状特征。（注：孪晶是材料内部晶体结构上的变化，样品制备过程不会造成孪晶的消失。） 对体心立方结构的Fe -α，在常温时变形以滑移方式进行；而在0℃以下受冲击载荷时，则以孪晶方式变形；而面心立方结构大多是以滑移方式变形的。 2．变形程度对金属组织和性能的影响
材工《材料科学基础》实验指导书湖北工业大学材料科学与工程学院 2013.3
实验1 淬冷法研究相平衡 目的意义 在实际生产过程中，材料的烧成温度范围、升降温制度，材料的热处理等工艺参数的确定经常要用到专业相图。相图的制作是一项十分严谨且非常耗时的工作。淬冷法是静态条件下研究系统状态图（相图）最常用且最准确的方法之一。掌握该方法对材料工艺过程的管理及新材料的开发非常有用。 本实验的目的： 1.从热力学角度建立系统状态（物系中相的数目，相的组成及相的含量）和热力学条件（温度，压力，时间等）以及动力学条件（冷却速率等）之间的关系。 2.掌握静态法研究相平衡的实验方法之一──淬冷法研究相平衡的实验方法及其优缺点。 3.掌握浸油试片的制作方法及显微镜的使用，验证Na2O —SiO2系统相图。 基本原理 从热力学角度来看，任何物系都有其稳定存在的热力学条件，当外界条件发生变化时，物系的状态也随之发生变化。这种变化能否发生以及能否达到对应条件下的平衡结构状态，取决于物系的结构调整速率和加热或冷却速率以及保温时间的长短。 淬冷法的主要原理是将选定的不同组成的试样长时间地在一系列预定的温度下加热保温，使它们达到对应温度下的平衡结构状态，然后迅速冷却试样，由于相变来不及进行，冷却后的试样保持了高温下的平衡结构状态。用显微镜或X-射线物相分析，就可以确定物系相的数目、组成及含量随淬冷温度而改变的关系。将测试结果记入相图中相应点的位置，就可绘制出相图。 由于绝大多数硅酸盐熔融物粘度高，结晶慢，系统很难达到平衡。采用动态方法误差较大，因此，常采用淬冷法来研究高粘度系统的相平衡。 淬冷法是用同一组成的试样在不同温度下进行试验。样品的均匀性对试验结果的准确性影响较大。将试样装入铂金装料斗中，在淬火炉内保持恒定的温度，当达到平衡后把试样以尽可能快的速度投入低温液体中（水浴，油浴或汞浴），以保持高温时的平衡结构状态，再在室温下用显微镜进行观察。若淬冷样品中全为各向同性的玻璃相，则可以断定物系原来所处的温度（T1）在液相线以上。若在温度（T2）时，淬冷样品中既有玻璃相又有晶相，则液相线温度就处于T1和T2之间。若淬冷样品全为晶相，则物系原来所处的温度（T3）在固相线以下。改变温度与组成，就可以准确地作出相图。 淬冷法测定相变温度的准确度相当高，但必须经过一系列的试验，先由温度间隔范围较宽作起，然后逐渐缩小温度间隔，从而得到精确的结果。除了同一组成的物质在不同温度下的试验外，还要以不同组成的物质在不同温度下反复进行试验，因此，测试工作量相当大。实验器材 1．相平衡测试仪 实验设备包括高温炉、温度控制器、铂装料斗及其熔断装置等，如图1-1所示。 熔断装置为把铂装料斗挂在一细铜丝上，铜丝接在连着电插头的个两铁钩之间，欲淬冷时，将电插头接触电源，使发生短路的铜丝熔断，样品掉入水浴中淬冷。 2．偏光显微镜一套，如图1-2所示。
北京工业大学2017年《材料科学基础》硕士考试大纲一、考试要求 材料科学基础考试大纲适用于北京工业大学材料科学与工程学院（0805）材 料科学与工程和（085204）材料工程（专业学位）；激光工程研究院（0803）光 学工程与（085202）光学工程（专业学位）；以及固体微结构与性能研究所（0805） 材料科学与工程学科的硕士研究生入学考试。此课程是材料科学与工程学科的重 要基础理论课，是理解并学习各种材料其结构、加工工艺与性能之间联系的基础。 材料科学基础的考试内容主要包括各类材料共性基础知识部分（原子结构与结合 键、晶体结构、晶体缺陷、相图与相平衡、材料的凝固）、金属材料基础知识部 分（金属晶体中位错、表面与界面、塑性变形与再结晶、金属晶体中扩散、固态 相变、金属材料强韧化）和无机材料基础知识部分（无机材料化学键结构与晶体 结构、无机材料的缺陷、无机材料的相图与相变过程、无机材料的基本制造加工 原理、无机材料的机械性能、无机材料的光学和电学性能），要求考生对其中的 基本概念和基础理论有深入的理解，系统掌握各类基本概念、理论及其计算和分 析的方法，具有综合运用所学知识分析和解决材料科学与工程实际问题的能力。 二、考试内容 考试内容分为材料共性知识、金属材料基础知识和无机材料基础知识三大部 分，总分150分。其中，材料共性知识部分所有学生均需作答，共105分；金属 材料基础知识部分和无机材料基础知识部分考生需根据自己的专业背景二选一 作答，不能混做，共45分。题型一般包括名词解释、填空、判断正误、问答、 计算、分析题等。 （一）材料共性知识部分 1.原子结构与结合键 (1)熟练掌握电离能、电子亲和能、电负性、金属间化合物、电子化合物等 概念，熟练掌握原子核外电子排布，理解光的波粒二象性、测不准原理、泡利不 相容原理、洪特规则、能量最低原理、电子能带结构理论； (2)熟练掌握各种结合键的概念、特点、代表材料，通过结合键及原子间作 用力和键能分析材料的物理化学性质。 2.晶体结构 (1)掌握空间点阵、晶胞、空间群等晶体学基本概念，三大晶族与七大晶系 分类，理解晶体的宏观对称性； (2)熟练掌握简单立方、体心立方、面心立方、密排六方等结构的堆积方式、 配位数、致密度、晶胞原子数、点阵常数与原子半径之间的关系，熟练掌握各种 结构中晶向指数和晶面指数的表征，晶向族、晶面族的确定，晶面间距的计算， 晶带定律的应用。 3.晶体缺陷 (1)熟练掌握晶体缺陷的分类，点缺陷的平衡浓度计算，固溶体的分类、概 念、特点、形成条件及影响因素，缺陷反应方程计算； (2)熟练掌握各类位错的定义及相关的基本概念，如滑移、滑移面、滑移方 向、滑移系、临界分切应力、全位错、不全位错、位错密度等；掌握刃位错、螺 位错的特点及其柏氏矢量的概念、确定与表征方法，掌握发生位错反应的条件及 其产物；
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。
材料科学基础综合实验指导书 （实验四） 课程名称：材料科学基础综合实验 学院：成都理工大学材料与化学化工学院 专业：材料科学与工程 指导老师：管登高，陈善华，王艳， 杨梅，张文涛，张湘辉 年月
实验四、光学金相显微镜的使用和 典型平衡组织的观察与分析实验指导书 成都理工大学材料与化学化工学院指导老师：管登高 [实验名称] 实验四、光学金相显微镜的使用和典型平衡组织的观察与分析 [实验目的] 1．了解利用金相显微镜观察金相显微组织的原理。 2．掌握金相显微镜的构造、工作原理和使用方法。 3．掌握金相组织图片的获取方法。 4. 学会观察分析碳钢平衡状态下的相和组织形貌。 [实验内容] 1．金相试样制备过程和金相分析原理 2．金相显微镜的构造和使用。 3. 金相试样金相显微组织的拍照与分析 [实验设备及材料] 1．实验主要设备：金相显微镜（型号）及其数据采集系统等。 2．实验主要材料：标准样品 （1）工业纯铁：1号样品，铁素体 （2）共析碳钢：5号样品，珠光体（铁素体+渗碳体） （可在2-6号样品中任选一个观察拍照分析） （3）共晶白口铸铁：8号样品，变态莱氏体（珠光体+渗碳体） （可在7-9号样品中任选一个观察拍照分析） [实验原理、步骤及要求] 1．结合金相显微镜实体，仔细了解显微镜的结构——光源、光阑、垂直照明器、暗场和偏光装置；目镜和物镜、物镜的标记等。 图XJP-6A型金相显微镜
金相显微镜是观察金属磨面金相组织的光学仪器，是利用物镜、目镜将金属磨面放大一定倍数，观察金相内部组织的装置。其种类和型式很多，常见的有台式、立式和卧式三类，本实验所用XJP-6A型金相显微镜是台式金相显微镜。金相显微镜是精密光学仪器，使用时要特别细心。自制的金相试样在浸蚀前与浸蚀后要分别进行观察。观察时接通电源，观察结束后，应立即关闭电源。操作时，严禁用手接触摸镜头和其它光学部件。试样要清洁、干燥，不得有残留酒精和浸蚀剂，以免腐蚀物镜。 （1）XJP-6A型金相显微镜说明 常规台式金相显微镜 全封闭光路结构，防尘防外界光干扰设计 明场，偏光，暗场等观察方式可选 同轴式机械载物台，无需压平试样 宽视野双目镜筒，具有视觉补偿功能 照明光源配备对中调节轮，图像明亮均匀 平场消色差物镜组，提供高分辨率图像 易于连接数码，135照相，视频成像 （2）XJP-6A型金相显微镜技术规格 光学系统倒置，明场，偏光，暗场（选配） 放大倍数100×-1250× 观察筒铰链式30°倾斜， 瞳距调节范围：55-75mm 目镜 平场大视野10×，12.5×，视度可调 物镜转盘4孔转盘， 平场消色差10×，20×，40×，100×（油） 载物台机械式载物台， 移动范围：X轴：85mm，Y轴：60mm 调焦低位同轴粗微调旋钮，调焦行程：向上：5mm，向下：2mm 照明系统6V30W卤钨灯，调中视场光阑和孔径光阑，灯丝对中调节 滤色片组转盘式滤色片转换器，兰色、绿色、黄色、中性循环外型尺寸530×220×260mm 2. 领会利用金相显微镜观察金相显微组织的原理，掌握金相显微镜的工作原理和使用方法，如调焦、孔径光阑和视场光阑的调节、暗场使用等。 3．通过观察金相样品，学会金相显微组织的拍照与分析方法，掌握金相组织图片的获取方法。 4．学会观察分析工业纯铁平衡状态下的相和组织形貌。 5．学会观察分析共析碳钢平衡状态下的相和组织形貌。 6．学会观察分析共晶白口铸铁平衡状态下的相和组织形貌。 [实验结果和分析] 1．用铅笔画出金相显微镜的构造图，并标出其各组成部分。 2. 简要说明金相显微镜的操作要点及必须注意的事项。 3．分析工业纯铁平衡状态下的相和组织形貌特点。 4．分析共析碳钢平衡状态下的相和组织形貌特点。 5．分析共晶白口铸铁平衡状态下的相和组织形貌特点。
材料科学基础教学大纲 材料科学基础Ⅱ－1 英文名称：Principles of Materials Science Ⅱ－1 课程编号：0003240 课程类型：学科基础必修课 学时：64 学分：4 适用对象：材料类本科 先修课程：物理化学 使用教材及参考书： 1.《材料科学基础》，徐恒钧编著，北京工业大学出版社，2001年10月 2. Materials Science and Engineering An Introduction, William D. Callister, Jr. John Wiley & Sons(ASIA) Pte Ltd, 2002 一、课程性质、目的和任务 本课程为材料科学与工程一级学科专业基础必修课，是研究材料的成分、结构与性能之间的关系及其变化规律的一门应用基础科学，是进一步学习金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料、结构材料及功能材料的基础。它将阐述各种材料的共性基础知识，从材料的组织结构出发，研究材料的结构与材料的制备方法、加工工艺以及材料性能之间的关系。 二、课程教学内容及要求 第一章原子结构与结合键 第一节原子结构：电子波函数及四个量子数[1] 第二节结合键:键型及其性质[2] 第二章材料的结构 第一节晶体学基础：点阵和晶胞[1]；晶体对称性[2]；晶面指数和晶向指数[1]；晶体投影Δ 第二节常见晶体结构：密堆积[1]；氯化铯[1]、氯化钠[1]；纤锌矿[1]；闪锌矿[1]；钙钛矿[1]；金红石[2]；萤石Δ 第三节固溶体结构[2]； 第四节金属间化合物[2]； 第五节硅酸盐结构[2]； 第六节非晶态固体[3]； 第七节准晶体[3]； 第八节能带理论初步Δ 第三章晶体结构缺陷 第一节点缺陷[1]; 第二节位错的结构[1]； 第三节位错的运动[2]； 第四节位错应力场[3]； 第五节位错与缺陷的交互作用[3]； 第六节位错的增殖、塞积与交割[3]；
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：1200303 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：52090661，E—mail: wsqwyd@https://www.doczj.com/doc/462735790.html,） 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。 4、各种耗材若干 五、考核与成绩评定 1、采用实验出勤情况、实验报告完成情况以及笔试考试情况综合考核。 2、成绩评定采用优秀、良好、中等、及格、不及格五档评定。(相应于百分制为：大于 等于90、80～89、70～79、60～69、小于60)。出勤情况占10％，实验报告占40％，笔试成绩占50%。 六、教材与参考资料 1、王仕勤、庞超明等材料科学基础实验. 南京：东南大学讲义，2006.6 2、秦鸿根编建筑材料试验指导书. 南京：东南大学讲义，2003.10 3、伍洪标主编无机非金属材料试验. 化学工业出版社，2002.6 4、硅酸盐物理化学实验指导书，南京：东南大学讲义
实验八晶体结晶过程观察及凝固条件对 铸锭组织的影响 （Observation of the crystallization process of crystalloid and the impact of solidification conditions on ingot structure） 实验学时：2 实验类型：操作 前修课程名称：《材料科学导论》 适用专业：材料科学与工程 一、实验目的 ⒈观察盐类的结晶过程： ⒉分析凝固条件对铸锭组织的影响。 二、概述 盐和金属均为晶体。由液态凝固形成晶体的过程叫结晶。不论盐的结晶，金属的结晶以及金属在固态下的重结晶都遵循生核和长大的规律。结晶的长大过程可以观察到，可是晶核的大小不能用肉眼看到，因为临界晶核的尺寸很小，而在试验中只能见到正在长大的晶粒，此刻已经不再是临界尺寸的晶核。金属和盐类晶体最常见到的是树枝状晶体。通过直接观察透明盐类（如氯化铵等）的结晶过程可以了解树枝状晶体（枝晶）的形成过程。 在玻璃片上滴上一滴接近饱和的氯化铵溶液，观察它的结晶过程。随着液体的蒸发，溶液逐渐变浓，达到饱和，由于液滴边缘最薄，因此蒸发最快，结晶过程将从边缘开始向内扩展。 结晶的第一阶段是在最外层形成一圈细小的等轴晶体，结晶的第二阶段是形成较为粗大的柱状晶体，其成长的方向是伸向液滴的中心，这是由于此时液滴的蒸发已比较慢，而且液滴的饱和顺序也是由外向里，最外层的细小等轴晶只有少数的位向有利于向中心生长，因此形成了比较粗大的、带有方向性的柱状晶。结晶的第三阶段是在液滴的中心部分形成不同位向的等轴枝晶。这是由于液滴的中心此时也变的较薄，蒸发也较快，同时溶液的补给也不足，因此可以看到明显的枝晶组织。
北京工业大学材料考研经验帖 一、简介： 材料学院考研由材料科学与工程（学硕）和材料工程（专硕）两个部分组成，两部分都由1、生态环境材料与资源循环技术，2、稀土、难熔金属等功能材料，3、先进材料加工技术，4高性能结构材料技术，5、光电信息和高效能源材料五个研究方向。学校在学硕和专硕上的培养方法方式是完全一致的，两部分的公共课（除英语外，学硕英语一，专硕英语二）、专业课考试内容等都是一样的。其差别在于专硕录取门槛稍微低一点，学硕有硕博连读的优势，当然，专硕也是有这样的机会，只是专硕的话需要加一次答辩，如果有继续深造攻读博士学位意愿的同学建议选择学硕。至于研究方向上的选择，学校的材料专业是双一流学科，研究的都是前沿科技，先进材料加工技术比较火爆，竞争当然也就大，同学可以根据自己的实力评估以及自己比较熟悉或感兴趣的方向选择。 二、参考书目： 1. 《材料科学基础》，徐恒钧主编，刘国勋主审，北京工业大学出版社，2002 年出版。 2. 《材料科学与工程基础》，郭福等译，化学工业出版社，2016 年出版，（译自于，Fundamentals of Materials Science and Engineering, 4th Edition, William D. Callister Jr., John Wiley & Sons Inc., 2013）。 3. 《金属学与热处理》，崔忠圻主编，机械工业出版社，1989 年出版（第二版为2011 年出版）。 4. 《陶瓷导论》，清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室译，高等教育出版社，2016 年出版，（译自于，Introduction to Ceramics, 2nd Edition, Kingery, W. D, John Wiley & Sons Inc., 1976）。 5、同学自己的专业书课本(听过课的书知识点比较容易吸收，所以只要相关的都可以拿来辅助学习。) 三、复习计划和准备经验： 3.1初试篇 时间安排： 本人是从2017年2月下旬开学后开始着手准备的，计划是6月份之前主攻英语和数学，7、8、9月份主攻专业课利用暑假时间跟学长在新祥旭机构集中上课，专业课讲的比较好的10月份主攻政治，11月份开始直到考前每天所有学科安排复习。每天6点半左右起床，晚上10点多图书馆关门回宿舍，该上课的时间上课，其余基本都是泡图书馆。
实验五形变和再结晶组织观察 一、实验目的 1. 了解金属冷变形后组织的变化； 2. 了解冷变形金属加热时组织发生的变化； 3. 了解冷变形金属再结晶后晶粒度与变形度关系。 二、实验内容 1. 观察纯铁不同程度冷轧变形（10%、50%、70%）的组织。 2. 观察不同变形度纯铁（10%、50%、70%）在720℃退火1h后的晶粒大小。 3. 观察70%冷变形纯铁，在450℃、530℃、600℃、720℃、1000℃退火1h组织的变化。 4. 定量测定不同变形度下退火和70%变形后600℃、720℃、1000℃退火的晶粒尺寸（mm），并作图。 三、说明 金属经塑性变形后，组织发生变化，原始等轴晶粒沿变形方向伸长，变形程度愈大，伸长愈明显，在大变形下，成为纤维状分布，变形组织必须沿变形方向观察。 冷变形金属具有畸变能，处于热力学不稳定状态，加热时要发生变化，当加热温度较低时，因空位的运动和消失，正负刃型位错对消和多边形化而发生回复过程，此时组织未发生变化，仍保持伸长晶粒。加热达到再结晶温度，通过形核长大，形成新的等轴晶粒，发生再结晶过程，再结晶不充分，新的等轴晶粒与伸长晶粒并存。再结晶完成，全部形成新的等轴晶粒，温度继续升高，晶粒长大。若金属有同素异构变化，如纯铁在912℃发生α γ转变，加热超过此温度，则不仅有再结晶后的晶粒长大，而且有相变重结晶引起的晶粒细化，结果较为复杂，需作具体分析。 再结晶后形成的晶粒度与预先变形程度有关，在一临界变形度下，开始形成少数再结晶核心，再结晶后形成粗大晶粒。临界变形度后。临界变形度后，随变形度增加，再结晶核心增多，再结晶后形成细小晶粒，低于临界变形度则不发生再结晶，纯铁的临界变形度大约在5%~6%。 四、实验报告要求 1. 画出不同变形度下纯铁的组织，说明组织特征。 2. 画出不同变形度纯铁720℃退火的晶粒，画出定量测出的晶粒尺寸与变形度关系曲线，分析晶粒大小与预先变形程度的关系。 3. 画出70%变形纯铁在不同温度退火加热后的组织图并加以分析，画出结晶后晶粒尺寸和退火温度关系曲线，并分析。
材料科学基础实验指导书 上海工程技术大学材料工程学院 中心实验室 2003.1
目录 实验一(1)金相显微镜的构造及使用———2 (2)金相试样的制备———————10 实验二铁碳合金平衡组织观察————-—17 实验一（1）金相显微镜的构造及使用一、实验目的
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及利用显微镜进行显微组织分析 二、概述 利用金相显微镜来观察金属及合金的内部组织及缺陷，是材料研究方法中最基本的实验技术。它在金相研究领域中占有很重要的地位，利用金相显微镜在专门制备的试样上放大 100～1000 倍来观察金属及合金的组织与缺陷的方法称为金属的显微分析法。显微分析方法可以大致了解金属及合金的组织与化学成份的关系；可以确定各类金属经不同的加工与热处理后的显微组织的变化与性能的关系；可鉴别金属材料中存在的缺陷，如各种非金属夹杂物——氧化物，硫化物等在组织中的数量及分布情况，晶粒度大小、裂纹的走向、各种表面组织以及焊接组织的情况等。 在进行显微分析时，使用的主要仪器是金相显微镜。金相显微镜主要是利用光线的反射将不透明物体（如金属，岩石，塑料等）放大后进行观察研究的。在讨论金 相显微镜的构造和应 用之前，需要先简要 地介绍一些有关显微 镜的基本理论。 三、显微镜理论的基 础知识图1—1放大镜的光学原理图 众所周知，放大AB—物体A’B’物象f—焦距 镜是最简单的一种光学仪器，它实际上就是一块凸透镜，利用它就可以将物体放大,其成像光学原理如图 1—1所示。当物体 ( AB ) 放在透镜与其焦点 ( F ) 之间，则经过透镜的光线就会分散开来，从放大镜后面观察，可以看到一个放大了的正虚象 ( A’ B’)，此像的长度与物体长度
实验一金相显微镜的结构与使用（2 学时） 实验学时：2 实验类型：验证 一、实验目的 通过本实验的学习，使学生了解金相显微镜的结构，掌握金相显微镜的使用方法，培养学生的动手操作技能，为今后从事材料的组织分析奠定基础。 二、实验内容 （1）观察直立式与倒立式两种金相显微镜的结构与光路； （2）操作显微镜，比较熟练地掌握聚焦方法，了解孔径光阑、视场光阑和滤光片的作用； （3）熟悉物镜、目镜上的标志并合理选配物镜和目镜； （4）分别在明场照明和暗场照明下观察同一试样，分析组织特征及成因； （5）借助物镜测微器确定目镜测微器的格值。 三、实验原理 （一）金相显微镜的结构 光学金相显微镜的结构一般包括放大系数、光路系统和机械系统三部分，其中放大系统是显微镜的关键部分。 1. 放大系统 （1）显微镜的放大成像原理 显微镜放大基本原理如图1-1 所示。由该图可见，显微镜的放大作用由物镜和目镜共同完成。物体AB 位于物镜的焦点F1 以外，经物镜放大而成为倒立的实像A i B i，这一实像恰巧落在目镜的焦点F2以内，最后由目镜再次放大为一虚像A2B2，人们在观察组织时所见到的像，就是经物镜、目镜两次放大，在距人眼约250mm 明视距离处形成的虚像。
A i B i A 2 B 2 A 2 B 2 AB A i B i AB 说明显微镜的总放大们数 M 等于物镜放大倍数和目镜放大倍数的乘积。目 前普通光学 金相显微镜最高有效放大倍数为 i600~2000倍。 另外，参照图i-i ,如果忽略AB 与F i 、A i B i 与F 2间距，依相似三角形定理 可求出： 式中，△为光学镜筒长度：f 物为物镜焦距。 因光学镜筒长度为定值，可见，物镜放大倍数越高，物镜的焦距越短，物镜 离物体越 近。 (i )透镜象差 透镜在成象过程中，由于受到本身物理条件的限制，会使 影像变形和模糊不清。这种象的缺陷称为象差。在金相显微镜的物镜、目镜以及 光路系统设计制造中，虽将象差尽量减少到很小的范围， 但依然存在。象差有多 种，其中对成象质量影响最大的是球面象差、色象差和象域弯曲三种。 i) 球面象差 由于透镜表面为球面，其中心与边缘厚度不同，因而来自一 点的单色光经过透镜折射后，靠近中心部分的光线偏折角度小， 在离透，镜较远 的位置聚焦；而靠近边缘处的光线偏折角度大， 在离透镜较近的位置聚焦，因而 必然形成沿光轴分布的一系列的象，使成象模糊不清，这种现象称为球面象差。 如图1-2所示。 物镜的放大倍数 目镜的放大倍数 M 物= M 目= A i B i AB A B 2 A i B i 将两式相乘: A i B i AB F i F 2 F i O
实验十塑性变形和再结晶 一、实验目的 1. 研究金属冷变形过程机器组织性能的变化。 2. 研究冷变形金属在加热时组织性能的变化。 3. 了解金属的再结晶温度和再结晶后晶粒大小的影响因素。 4. 初步学会测定晶粒度的方法。 二、实验内容说明 金属经冷加工变形后,其组织和性能均发生变化:原先的等轴晶组织,随着塑性变形量的增大,其晶粒沿变形方向逐渐伸长,变形度越大,则伸长也越显著;当变形度很大时,其组织呈纤维状。随着组织的变化,金属的性能也发生改变:强度硬度增高,塑性则逐渐下降,即产生了“加工硬化”。 经冷变形后的金属加热到再结晶温度时,又会发生相反转变。新的无应变的晶粒取代原先变形的晶粒,金属的性能也恢复到变形前的情况,这一过程称为再结晶。再结晶温度与金属本性、杂质含量、冷变形程度、保温时间、材料的原始晶粒度等有关。再结晶所产生的晶粒大小在很大程度上取决于冷变形程度的大小,在某一变形度变形,再经退火处理后晶粒异常粗大,该变形度称为临界变形度,它使材料性能恶化,是压力加工中切忌的问题。 本实验主要以低碳钢为对象,分析其塑性变形和再结晶过程中显微组织的变化。观察经一定冷变形后不同退火温度下低碳钢的显微组织,测定再结晶度,此外对不同冷变形度的低碳钢材料进行高温退火,测定晶粒度,从而确定临界变形度。 三、实验步骤
1. 教师讲解金属塑性变形与再结晶的组织状态,介绍用对照法、割线法测定晶粒度的方法。 2. 观察纯铁经10%,15%,20%,50%,70%变形度变形后的显微组织。描绘其组织特征。 3. 观察纯铁经70%变形度在400℃,450℃,500℃,600℃,850℃退火半小时后的试样,一组五只,从中找得再结晶后晶粒大小与退火温度之间的定性关系。 4. 观察纯铁经10%,20%,30%,50%,70%五种变形度变形后在850℃退火半小时后组织,分别用对照法和割线法测得其晶粒度,确定其临界变形度的大致范围。 5. 观察并描绘纯铁冷变形的滑移线和冲击载荷下产生的机械双晶及纯锌压延后机械双晶、黄铜的退火双晶。 6. 观察及描绘穿孔之铝片经再结晶退火后的宏观试样。 7. 观察实验室准备的冷变形及再结晶的光学和电镜照片。 四、实验报告要求 1. 分析低碳钢经不同冷变形后的显微组织。 2. 分析金属再结晶温度及再结晶后晶粒度大小的影响因素。 3. 分析冲孔铝片退火后的宏观组织特征及其形成原因。
材料科学基础 第九章 1.弹性模量：产生弹性形变时所需的应力，工程上表征材料对弹性变形的抗力。 2.滞弹性：在弹性范围内，应变落后于应力的行为称为滞弹性。 3.普弹性：陶瓷材料，金属材料及玻璃态高分子材料在较小负荷下首先发生的形变。 特征：1：应力与应变符合线性关系及胡克定律。2：加上或去除应力时，应变都能 瞬时达到平衡 4.高弹性：特点是弹性模量小、形变量大，变性具有热效应，伸长时放热，回缩时吸热，且 在一定条件下表现出明显的松弛效应。 5.内耗：由于应变滞后于应力，在适当频率的外力作用下，应力-应变曲线就变成了封闭回 线，这一过程将产生不可逆的能量消耗，回线所包围的面积就是应力循环一周所消 耗的能量，称内耗。 10.施密特定律：==式中 称为取向因子，记作。ON、OP、OT，都在同一平面上时，则有，当时=，滑移处于最有利的位置，称为软取向。当，称为硬取向。 11.临界分切应力：能引起滑移或孪生所需要的最小分切应力。 12.多系滑移：由临界分切应力定律可知，当对一个晶体施加外力时，可能会有两个以上的 滑移系上的分切应力同时满足的条件，而使各自滑移面上的位错同时启动， 这种现象称为多系滑移。 13.交滑移：螺位错因柏氏矢量与位错线平行，滑移面有无限多个。因此当螺位错在某一
面上的运动受阻时，可以离开这个面而沿另一个与原滑移面有相同滑移方向的晶 面继续滑移，由于位错的柏氏矢量不变，为错在新的滑移面上仍按照原方向运动， 这一过程就叫做交滑移。 14.主滑移系：当外力在某一滑移系上的分切应力值超过时，该滑移系开始启动，我们把 这一滑移系称作主滑移系。 15.共轭滑移系：随着一次滑移的进行，晶体的取向相对于加载轴发生着变化，滑移到一定 程度后，另一个等同的滑移系也能满足条件而参与滑移，该滑移系称为共轭滑移 系。 16.扭折带：晶体在滑移和转动时，若在某些部位受阻，位错在那里堆积，使滑移和转动只 发生在一个狭窄的带状区域，这个区域就叫做扭折带。 17.形变带：材料变形过程中出现在单个晶粒内的位向与晶粒其余部分明显不同并具有很高 位错密度的带状区域。 18.孪生：晶体在外应力作用下以产生孪晶的方式而进行的切变过程称为孪生。 19.孪晶：在晶体中形成的以共格界面相联接与晶体取向呈镜面对称的一对晶体即孪晶。 20.孪生与滑移的特点：①滑移使滑移面两侧相对滑动一个完整的平移矢量，而孪生则在孪 晶内所有的面都滑动，滑动的距离并非是完整的平移矢量，每个面的滑动量和距 孪生面的距离成正比。②滑移后整个晶体的位向没有改变，而孪晶则使孪晶部分 的位向与基体呈对称。③滑移使表面出现台阶，表面重新抛光后滑移线消失，孪 生则使表面出现浮凸，因孪晶与基体的取向不同，表面重新抛光并侵蚀后仍能看 到。④孪生变形在应力应变曲线上呈锯齿形变化，这是因为孪生可以分为形核和 扩展2个阶段，形核所需的切应力大于生长阶段，于是随着孪晶的形核和发展出 现了载荷的突然上升和下降。⑤孪生时平行于孪晶面的同层原子的位移均相同， 位移量正比于该层至孪晶面的距离。即原子位移的距离随孪晶面间距的增加而加 大。因此孪晶的长大时必然对周围基体产生较大的切应变，以发生塑性变形。如 果集体不协调的话，就会在孪晶附近产生裂纹。 21.晶界的作用：①阻碍作用：大角度晶界使滑移受阻，而不宜直接传到相邻晶粒。②取向 差作用:多晶体中不同位向晶粒滑移系取向不相同，滑移不能从一个晶粒直接延 伸到另一个晶粒中③起裂作用：多晶体塑性变形时裂纹往往起源于晶界，主要 有两方面原因。其一，晶界阻碍位错滑移造成较大应力集中，其二，材料中的杂 质和第二项往往优先分布于晶界，使晶界变脆另外由于晶界处缺陷多，原子处于 能量较高的不稳定状态，在腐蚀介质作用下，往往被优先腐蚀成微裂纹。 22.多晶体塑性变形的特点：①各晶粒变形的不同时性和不均匀性②各晶粒变形的相互协调 性③滑移的传递，必须激发相应晶粒的位错源。④多晶体的变形抗力比单晶体大， 变形更不均匀⑤属性变形时，导致一些物理、化学性质的变化。 23.霍尔佩奇方程：= d为晶粒的平均直径；为单晶体屈服强度；为 晶界对强度的影响系数。使用条件：①室温下②非纳米尺度。 24.蠕变：是在一定的温度和较小的恒定外力作用下，材料的形变随时间的增加而逐渐增大 的现象。 25.应力松弛：是指在恒定温度和形变保持不变的情况下，高分子材料内部的应力随时间增 加而逐渐衰减的现象。 26.滞后：是指高分子材料在交变应力作用下，形变落后于应力变化的现象。 27.内耗：是指回缩功和伸长功之间有一定的差额。 28.加工硬化：把金属经屈服后欲继续变形须增加应力的现象。 29.择优取向：多晶体在变形过程中，每个晶粒的变形都受其周围晶粒的制约，为保持晶体