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1、 材料科学与工程基本技能实验课程是材料 科学与工程专业学生必修的一个实践教学环节， 属实验方法课。它是学生修完物理化学、工程力 学、金工实习后独立设置的实验入门课程。 1、实验教学的性质实验教学的性质 课程介绍课程介绍 课程目的课程目的：在学习专业基础理论课程的基础上，对材在学习专业基础理论课程的基础上，对材料实验技术有一个基本了解，初步掌握材料实验样品的制料实验技术有一个基本了解，初步掌握材料实验样品的制备、观察与分析方法；材料性能的检测手段；热加工设备备、观察与分析方法；材料性能的检测手段；热加工设备的操作等实验基本技能。的操作等实验基本技能。 （1 1）初步掌握材料实验的基本技能和一定的
2、科研能初步掌握材料实验的基本技能和一定的科研能力，加深对力，加深对本本专业的认识，提高分析专业的认识，提高分析、解决问题的能力；解决问题的能力； （2 2）在实验教学中，培养实事求是在实验教学中，培养实事求是的工作态度的工作态度和严和严谨的科谨的科研研作风及良好的实验习惯，为后续作风及良好的实验习惯，为后续专业专业课奠定基础。课奠定基础。 2、实验教学的实验教学的目的与目的与任务任务 结构材料：结构材料： （强度、塑性、韧性等（强度、塑性、韧性等 力学性能）力学性能） 功能材料：功能材料： （电、磁、光、热等（电、磁、光、热等 物理性能）物理性能） 金属材料金属材料 (metals) 陶瓷材料
3、陶瓷材料 (ceramics) 高分子材料高分子材料 (polymers) 复合材料复合材料 (composites) 1、 材料的分类材料的分类 按使用性能分：按使用性能分： 按组成分：按组成分： 2 、材料科学与工程的四个要素、材料科学与工程的四个要素 制备合成制备合成 /加工工艺加工工艺 processing 成分成分/组织结构组织结构 composition /structure 材料固有性能材料固有性能 properties 材料使用性能材料使用性能 performance 材料的成分材料的成分：是指组成材料的元素种类及其：是指组成材料的元素种类及其 含量，通常用质量分数含量，通常用
4、质量分数 (wt%)(wt%)表示。表示。 如：如：4545、40Cr40Cr、W18Cr4VW18Cr4V 材料的组织材料的组织：在显微镜下观察到的图像：在显微镜下观察到的图像（如图）（如图） 材料的成分材料的成分：是指组成材料的元素种类及其：是指组成材料的元素种类及其 含量，通常用质量分数含量，通常用质量分数 (wt%)(wt%)表示。表示。 材料的组织材料的组织：在显微镜下观察到的图像：在显微镜下观察到的图像（如图）（如图） 材料的材料的固有性能：固有性能： 物理性能：电、磁、光、热物理性能：电、磁、光、热 化学性能：耐腐蚀性能、抗氧化性能化学性能：耐腐蚀性能、抗氧化性能 力学性能：强度
5、、硬度、塑性、韧性力学性能：强度、硬度、塑性、韧性 力学性能指标：力学性能指标： 强度：强度：材料抵抗塑性变形或断裂的能力。材料抵抗塑性变形或断裂的能力。 硬度：硬度：衡量金属软硬程度的一种性能指标。指材料衡量金属软硬程度的一种性能指标。指材料表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的能力。表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的能力。 塑性：塑性：断裂前金属发生塑性变形的能力。断裂前金属发生塑性变形的能力。 韧性：韧性：材料断裂时单位体积所吸收的变形功、断裂材料断裂时单位体积所吸收的变形功、断裂功。功。 若测定强度、塑性、韧性必须加工试样。若测定强度、塑性、韧性必须加工试样。 材料的材料的使用性能：使用性
6、能： 指材料在服役条件下所表现出来的特性指材料在服役条件下所表现出来的特性， 它是材料的固有性能与服役条件、产品设计它是材料的固有性能与服役条件、产品设计 及加工融合在一起所决定的因素。及加工融合在一起所决定的因素。 举例：举例： 普通碳钢：普通碳钢： 高温条件、高温条件、 腐蚀介质腐蚀介质 材料的材料的使用性能：使用性能： 指材料在服役条件下所表现出来的特性指材料在服役条件下所表现出来的特性， 它是材料的固有性能与服役条件、产品设计它是材料的固有性能与服役条件、产品设计 及加工融合在一起所决定的因素。及加工融合在一起所决定的因素。 举例：举例： 河南第一工具厂生产的河南第一工具厂生产的W4M
7、o3Cr4VSi钻头钻头 同一批材料，同一种工艺，处理后硬度正常同一批材料，同一种工艺，处理后硬度正常 但因钻头大小结构（但因钻头大小结构（10mm、 12mm）不同，）不同， 最终性能（耐磨性）不同。最终性能（耐磨性）不同。 成分决定性能成分决定性能。成分不成分不 同同，性能不同性能不同。如碳钢如碳钢 组织结构直接决定性能组织结构直接决定性能 改变成分也会改变组织改变成分也会改变组织 结构结构,从而改变其性能。从而改变其性能。 （组织图）（组织图） 制备合成加工过程主要是制备合成加工过程主要是 通过改变组织结构而影响通过改变组织结构而影响 其性能。其性能。如如45钢退火、正火、淬钢退火、正火
8、、淬 火火 材料的固有性能直接决材料的固有性能直接决 定材料的使用性能定材料的使用性能。 制备合成制备合成 /加工工艺加工工艺 成分成分/组织结构组织结构 材料固有材料固有 性能性能 材料使用材料使用 性能性能 材料科学与工程的四个要素材料科学与工程的四个要素 组织结构是核心组织结构是核心，性能是性能是 材料研究工作的落脚点材料研究工作的落脚点 3、金属的凝固、金属的凝固 凝固与结晶凝固与结晶 (凝固过程视频） 结晶过程：结晶过程：形核形核与与长大长大过程过程 晶核：晶核：结晶时形成的很多核心（有序原子团）。结晶时形成的很多核心（有序原子团）。 晶粒：晶粒：在晶体中，如果某一小区域内原子排列规
9、律相同，在晶体中，如果某一小区域内原子排列规律相同， 位向一致，则该小区域为一个晶粒。位向一致，则该小区域为一个晶粒。 晶界：晶界：晶粒与晶粒间的分界面。晶粒与晶粒间的分界面。 单晶体：单晶体：仅由一个晶粒组成的晶体，如金刚石。仅由一个晶粒组成的晶体，如金刚石。 多晶体：多晶体：很多晶粒组成。很多晶粒组成。 八级标准晶粒图八级标准晶粒图 凝固与结晶凝固与结晶 凝固与结晶凝固与结晶 凝固与结晶凝固与结晶 钢锭中的树枝状晶体钢锭中的树枝状晶体 凝固与结晶凝固与结晶 Ni-Ta-Mn-Cr合金的树枝状界面合金的树枝状界面 组织的显示与观察？组织的显示与观察？ 金相试样的制备：金相试样的制备：取样取样
10、 - - 磨制磨制 - - 抛光抛光 - - 腐蚀腐蚀- - 观察观察 组织：组织：各种晶粒的组合特征，即晶粒的相对量、大各种晶粒的组合特征，即晶粒的相对量、大 小、形状及分布特征等。小、形状及分布特征等。 宏观组织：宏观组织：用肉眼或放大镜观察到的组织。用肉眼或放大镜观察到的组织。 显微组织：显微组织：光学显微镜或电子显微镜下观察到的内部光学显微镜或电子显微镜下观察到的内部 组织组织（又称金相组织）。（又称金相组织）。 母材：母材：Q235 -B，厚度，厚度10 mm 焊接方法：焊接方法： 手工电弧双面多层多道焊手工电弧双面多层多道焊 （c）焊接接头形状及尺寸示意图焊接接头形状及尺寸示意图
11、（a）焊缝的宏观组织焊缝的宏观组织 5 5 （b）焊缝示意图焊缝示意图 珠光体电化学腐蚀示意图珠光体电化学腐蚀示意图 浸蚀法组织显示原理浸蚀法组织显示原理 a）晶界处光线的散射）晶界处光线的散射 b）直射光反映为亮色晶粒）直射光反映为亮色晶粒 a） b） 浸蚀法组织显示原理浸蚀法组织显示原理 工业纯铁室温组织图（工业纯铁室温组织图（200200） 浸湿法组织显示原理浸湿法组织显示原理 灰铸铁等离子喷焊钴基合金涂层组织灰铸铁等离子喷焊钴基合金涂层组织 灰铸铁等离子喷焊钴基合金涂层组织灰铸铁等离子喷焊钴基合金涂层组织 合金：合金：指两种或两种以上的金属或金属与非金属指两种或两种以上的金属或金属与非
12、金属 经熔炼、烧结或用其它方法组合而成的具有金属特经熔炼、烧结或用其它方法组合而成的具有金属特 性的物质。性的物质。如：铜镍合金、碳钢、合金钢、铸铁如：铜镍合金、碳钢、合金钢、铸铁 组元：组元：组成合金的最基本的、独立的物质。组成合金的最基本的、独立的物质。 如：如：CuCu- -NiNi合金，合金，FeFe- -FeSFeS合金合金 二元合金：二元合金：如：如：FeFe- -C C二元系合金二元系合金 三元合金：三元合金：如：如：FeFe- -C C- -CrCr三元系合金三元系合金 多元合金多元合金 3.3.相相：合金中结构相同、化学成分相同或允许在一合金中结构相同、化学成分相同或允许在一
13、 定范围内变化的一类晶粒的组成部分。定范围内变化的一类晶粒的组成部分。 单相合金：单相合金：如：单相不锈钢（如：单相不锈钢（A A）、单相黄铜）、单相黄铜 双相合金：双相合金：如：双相不锈钢（如：双相不锈钢（A+FA+F）、双相黄铜）、双相黄铜 单相组织：单相组织：具有单一相的组织。纯铁、纯铝具有单一相的组织。纯铁、纯铝 多相组织：多相组织：具有两种或两种以上的相的组织。具有两种或两种以上的相的组织。 1Cr18Ni9Ti 王水浸蚀，王水浸蚀， 800 1050固溶处理，基体为奥氏体，部分晶粒呈孪晶固溶处理，基体为奥氏体，部分晶粒呈孪晶 4 4、材料的性能指标及测试方法、材料的性能指标及测试方
14、法 强度：材料抵抗塑性变形或断裂的能力。强度：材料抵抗塑性变形或断裂的能力。 硬度：衡量金属软硬程度的一种性能指标。指材料表硬度：衡量金属软硬程度的一种性能指标。指材料表 面在接触应力作用下抵抗塑性变形的能力。面在接触应力作用下抵抗塑性变形的能力。 塑性：断裂前金属发生塑性变形的能力。塑性：断裂前金属发生塑性变形的能力。 韧性：材料断裂时单位体积所吸收的变形功、断裂功。韧性：材料断裂时单位体积所吸收的变形功、断裂功。 若测定强度、塑性、韧性必须加工试样。若测定强度、塑性、韧性必须加工试样。 为什么将硬度作为衡量材料机械性能的指标？为什么将硬度作为衡量材料机械性能的指标？ 硬度与硬度与 b b、
15、塑性指标、塑性指标 和和 有内在联系有内在联系 b b=K*HB=K*HB 硬度与耐磨性、疲劳强度等性能有一关系硬度与耐磨性、疲劳强度等性能有一关系 硬度硬度，耐磨性，耐磨性，疲劳强度，疲劳强度 在机械零件设计图纸上对机械性能的技术要求，往在机械零件设计图纸上对机械性能的技术要求，往 往只标注往只标注硬度硬度，其原因就在于此。，其原因就在于此。 从某种意义上说硬度的大小对于机械零件或工具的从某种意义上说硬度的大小对于机械零件或工具的 使用性能及寿命具有决定性意义。使用性能及寿命具有决定性意义。 硬度测量后产生很小压痕，不损坏零件，适合于硬度测量后产生很小压痕，不损坏零件，适合于 成品检验。成品检验。 设备简单，操作迅速方便。设备简单，操作迅速方便。 金属硬度实验 洛氏硬度计（洛氏硬度计（HRCHRC）：淬火后或渗碳后，表面硬度高时）：淬火后或渗碳后，表面硬度高时 布氏硬度计（布氏硬度计（HBHB）：调质后、有色金属合金、铸铁）：调质后、有色金属合金、铸铁 维氏硬度计（维氏硬度计（HVHV）：硬化层薄，如渗氮、电镀）：硬化层薄，如渗氮、电镀 显微硬度
