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1、W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
2、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
3、7、膨胀分析仪3台8、耗材七、实验项目与内容提要:一序+实验名称内容提要每组 人数实验 时数实验者类 别所在实验 宰一备1膨胀法测定 钢的相变温 度1. 了解膨胀测试原理及方法.2. 完成钢在加热和冷却过程中膨 胀曲线测定及相变点确定.242本科材料实 验室2钢的电学性 能测定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.242本科材料实 验室3材料光学性 能测定1. 了解材料组织的结构与光学性 能关系.2 .测定材料诱光率及发光强度242本科材料实 验室4材料磁学性 能分析1. 了解材料磁学性能及磁化曲线2. 测定
4、材料磁化强度及磁滞曲线242本科材料实 验室实验一膨胀法测定钢的相变温度和膨胀系数、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U 一已+攵 rm rn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
5、,而n在很宽的范围内变化，但总是nm。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：_V2-V1_ 1AV一V 1(7 2 - T1) V1 AT当乙T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：I)t V dT p由于体膨胀系数8值的测定比较困难。通常采用线膨胀系数a来表示材料的膨1 (dL)一_ 工，胀特性，即a =； 方 。材料在T1至T2温度区间的平均线膨胀系数为 t L ET )Pa=A 告。对于各向同性材料近似有=3aL1(T 2
6、T 1)L1 AT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，会造痴 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a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a值有突变，如图2(b)所示。因此，根据膨胀系数a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，使徼 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。
7、三、实验测试方法四、实验内容材料膨胀系数的测定取决于两个物理量一温度、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。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。材料物理性能实验报告实验名称：指导教师签名姓名班级学号成绩1、实验目的:2、实验原理:3、实验纪录:4、实验结果计算与分析:5、分析讨论实验二钢的电学性能测定一、实
8、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p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p与形状、大小无关，电阻率 p常被用来表征材料的导电性能。因为电阻率p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
9、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:匕广L ；匕广所以A两式相比可得A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
10、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10-6 1 0-4Q）。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Rn为标准电阻，Rx为待测电阻。Rx和Rn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
11、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10Q， 当调整电桥达到平衡时，通过检流计的电流I=0，C、D电位相等。根据克希霍夫第 二定则，有下列关系：I R =1 R +T R.1 1 N N 3 3I2R2=IxRx+13R4R - R2 R3 R4 （ 一 ）(IN-I3)R=I3(R3+R4)R2解此方程组得X R N 4 R + R3 + R4 R1 R2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
12、此，电桥在调平衡的过程中始终保持R = R。所以R R电桥有R =顽，R的关系。X R1 N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Rn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R = R，R值的大小对测量R R结果无关：2. Rx和Rn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10Q以上，接触电阻和接线电阻的值(10-610-4Q )与此相比是极小的，因
13、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100C-600C，每隔50C 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电炉丝的电阻串一温度关系曲线。四、实验报告1.2.3.简述实验原理和内容；列出实验数据，画出实验曲线：实验结果分析与讨论。材料物理性能实验报告实验名称：指导教师签名姓名班级学号成绩1、实验目的:2、实验原理:3、实验纪录:4、实验结果计算与分析:5、分析讨论实验三 材料光学性能测定一、实验目的1. 了
14、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o,透 射、吸收和反射光的辐射能流率分别为T,A和R，则 o=0 T+0 A+0 R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c +以 + p = 1式中：c为透射率3=中4冬0）；以为吸收率（以=中4畚0）； p为反射率（P = ORoo）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
15、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
