科学、成型、新材、新科、治金专业《实验指导书》2020
科学、成型、新材、新科、冶金专业 《实 验 指 导 书》 2020
目录1观摩、组装金属晶体结构模型42金属硬度的测定.8203金相样品制备的一般方法...254铁碳相图平衡组织的观察与分析5金属凝固组织的观察与分析..306金属材料冷变形组织和性能分析，..33377金属材料退火过程的组织和性能分析.408金相显微镜的原理、结构及使用.439合金凝固组织的观察与分析，实验1燃烧热的测定...47..54实验2温度对原电池电动势的影响实验3..58乙酸乙酯皂化反应速率常数的测定.63实验4二元液系相图绘制..69实验1化学反应热效应的测定实验2...73酸碱滴定实验3电导率法测定BaSO4的溶度积常数.76.78实验4硫酸亚铁铵的制备及铁含量的测定.81实验5钢铁零件氧化发蓝处理实验六纳米铁粉的制备..84
目录 1 观摩、组装金属晶体结构模型. 4 2 金属硬度的测定. 8 3 金相样品制备的一般方法.20 4 铁碳相图平衡组织的观察与分析.25 5 金属凝固组织的观察与分析 .30 6 金属材料冷变形组织和性能分析.33 7 金属材料退火过程的组织和性能分析.37 8 金相显微镜的原理、结构及使用.40 9 合金凝固组织的观察与分析 .43 实验 1 燃烧热的测定.47 实验 2 温度对原电池电动势的影响.54 实验 3 乙酸乙酯皂化反应速率常数的测定.58 实验 4 二元液系相图绘制.63 实验 1 化学反应热效应的测定.69 实验 2 酸碱滴定.73 实验 3 电导率法测定 BaSO4的溶度积常数.76 实验 4 硫酸亚铁铵的制备及铁含量的测定 .78 实验 5 钢铁零件氧化发蓝处理.81 实验六 纳米铁粉的制备 .84
材料科学基础实验
材料科学基础实验
1观摩、组装金属晶体结构模型学时计划：2学时【实验目的】（1）理解晶体的原子堆垛模型、点阵模型和球棍模型。（2）掌握晶体点阵的类型：7大晶系、14种布拉维点阵。（3）掌握常见的几种晶体结构模型。（4）学会组装晶体结构模型。【实验原理】材料学研究的对象一一材料，大多数是晶体。晶体的结构和特性决定了它在有着极其广泛的用途。不同原子构成的晶体具有不同的性质，即使同种原子构成的晶体，由于结构不同其性质也会有很大的差别。各种不同结构的晶体具有各自不同的特性。但是，在不同的晶体之间仍存在着某些共同的特征：长程有序、解理性、晶面角守恒、各向异性、对称性等。晶体是由一种或多种原子构成的，原子的种类越多其结构就越复杂。晶体结构的复杂性并不影响晶体结构的共性存在。晶体长程有序的周期性排列使得法国天文学家、地质学家奥古斯特·布拉维（AugusteBravais）在1848年用数学方法推导出晶体空间点阵只有14种从而创立了空间点阵学说，其理论是对晶体长程有序的周期性最有效的描述。假定组成晶体的原子都是直径不变的刚球，晶体就是由这样的刚球堆垛而成，这样的模型称为原子堆垛模型或刚球模型。其优点是立体感强，很直观缺点是很难看清原子的排列和特点，不便于研究。为了便于研究晶体中原子排列的规律和特点，而将晶体内部的质点抽象为纯粹的几何点，称之为阵点。由阵点推演出的晶体模型，称为点阵模型或晶格模型。点阵模型的优点是便于用数学方法进行研究，缺点是不直观，尤其是没有反映出多原子晶体中各个原子的排列特点。采用球棍模型（Ball-and-stickmodels）可以兼顾原子堆垛模型和点阵模型的优点，克服它们的缺点。球棍模型是德国化学家奥古斯特·威廉·冯·霍夫曼（AugustWilhelmvonHofmann）用来表现化学分子的三维空间分布所作的，目的是用来讲课。本实验通过对晶体棍球模型的观摩，加深对晶体的感性认识。将拆散的模型部件重新组装还原为原来的模型，加强晶体中原子或质点排列的相互位置及规律性的理解，同时锻炼动手能力。晶体学要求在反映晶体周期性的同时，还要表述每种晶体特殊的对称性。由于晶面作有规则的排列，则晶体在外型上具有一定的对称性质。这种宏观上的对称性就是晶体内在结构上的规律性的体现，它意味着晶体可以进行对称操作，并且具有同该对称操作相联系的对称元素。由于晶格周期性的限制，晶体仅具有为数不多的对称类型。晶体学中的晶胞不仅要反映晶格的周期性，而且要反映晶体的对称性。如果在坐标系中研究晶胞的结构特点，那么，晶体可分为7大晶系，14种布拉维点阵；详见表1和图1
1 观摩、组装金属晶体结构模型 学时计划：2 学时 【实验目的】 （1）理解晶体的原子堆垛模型、点阵模型和球棍模型。 （2）掌握晶体点阵的类型：7 大晶系、14 种布拉维点阵。 （3）掌握常见的几种晶体结构模型。 （4）学会组装晶体结构模型。 【实验原理】 材料学研究的对象——材料，大多数是晶体。晶体的结构和特性决定了它在有着极其广 泛的用途。不同原子构成的晶体具有不同的性质，即使同种原子构成的晶体，由于结构不同， 其性质也会有很大的差别。各种不同结构的晶体具有各自不同的特性。但是，在不同的晶体 之间仍存在着某些共同的特征：长程有序、解理性、晶面角守恒、各向异性、对称性等。 晶体是由一种或多种原子构成的，原子的种类越多其结构就越复杂。晶体结构的复杂性 并不影响晶体结构的共性存在。晶体长程有序的周期性排列使得法国天文学家、地质学家奥 古斯特·布拉维（Auguste Bravais）在 1848 年用数学方法推导出晶体空间点阵只有 14 种， 从而创立了空间点阵学说，其理论是对晶体长程有序的周期性最有效的描述。 假定组成晶体的原子都是直径不变的刚球，晶体就是由这样的刚球堆垛而成，这样的模 型称为原子堆垛模型或刚球模型。其优点是立体感强，很直观；缺点是很难看清原子的排列 和特点，不便于研究。为了便于研究晶体中原子排列的规律和特点，而将晶体内部的质点抽 象为纯粹的几何点，称之为阵点。由阵点推演出的晶体模型，称为点阵模型或晶格模型。点 阵模型的优点是便于用数学方法进行研究；缺点是不直观，尤其是没有反映出多原子晶体中 各个原子的排列特点。采用球棍模型（Ball-and-stick models）可以兼顾原子堆垛模型和点 阵模型的优点，克服它们的缺点。球棍模型是德国化学家奥古斯特·威廉·冯·霍夫曼（August Wilhelm von Hofmann）用来表现化学分子的三维空间分布所作的，目的是用来讲课。 本实验通过对晶体棍球模型的观摩，加深对晶体的感性认识。将拆散的模型部件重新组 装还原为原来的模型，加强晶体中原子或质点排列的相互位置及规律性的理解，同时锻炼动 手能力。 晶体学要求在反映晶体周期性的同时，还要表述每种晶体特殊的对称性。由于晶面作有 规则的排列，则晶体在外型上具有一定的对称性质。这种宏观上的对称性就是晶体内在结构 上的规律性的体现，它意味着晶体可以进行对称操作，并且具有同该对称操作相联系的对称 元素。由于晶格周期性的限制，晶体仅具有为数不多的对称类型。 晶体学中的晶胞不仅要反映晶格的周期性，而且要反映晶体的对称性。如果在坐标系中 研究晶胞的结构特点，那么，晶体可分为 7 大晶系，14 种布拉维点阵；详见表 1 和图 1
表17大晶系与14种布拉维点阵符号晶族晶系晶胞点阵常数布拉维点阵阵点坐标图1abc，αβ≠简单三斜P000三斜Triclinic￥900(14)图1a*b+c;简单单斜P000(12)第一定向α=β=90°单斜+y,Monoclinic图1第二定向α==90°000,!10底心单斜c22(13)*β低级图1简单正交P000(8)图1000,111体心正交(10)222正交 (斜方)abc.α=β==900图1Orthogonal000,!10底心正交C(9)22图1000,110,101,011面心正交F(11)222222六方 (六角)图1a=b+c;P000简单六方(7)Hexagonalα=β=90°y=120g菱方（菱形、三图1a=b=c，α=β=≠角)R简单三方000900(6)中级Rhombohedral图1简单四方P000(4) 四方(正方）a=bc,α=β=Tetragonal=900图1000,111体心四方1(5) 222图1P简单立方000(1)立方 (等轴)图1a=b=c,α=β=000,111高级体心立方(2)Cubic=900222图1000,110,-0-,011面心立方Y(3)222222
表 1 7 大晶系与 14 种布拉维点阵 晶族 晶系 点阵常数 布拉维点阵 符号 阵点坐标 晶胞 低级 三斜 Triclinic a≠b≠c，α≠β≠ γ≠90º 简单三斜 P 000 图 1 （14） 单斜 Monoclinic a≠b≠c； 第一定向α=β=90º ≠γ， 第二定向α=γ=90º ≠β 简单单斜 P 000 图 1 （12） 底心单斜 C 000, 2 1 2 1 0 图 1 （13） 正交（斜方） Orthogonal a≠b≠c，α=β=γ =90º 简单正交 P 000 图 1 （8） 体心正交 I 000, 2 1 2 1 2 1 图 1 （10） 底心正交 C 000, 2 1 2 1 0 图 1 （9） 面心正交 F 000, 2 1 2 1 0, 2 1 0 2 1 ,0 2 1 2 1 图 1 （11） 中级 六方（六角） Hexagonal a=b≠c； α=β=90º，γ=120º 简单六方 P 000 图 1 （7） 菱方（菱形、三 角） Rhombohedral a=b=c，α=β=γ≠ 90º 简单三方 R 000 图 1 （6） 四方（正方） Tetragonal a=b≠c，α=β=γ =90º 简单四方 P 000 图 1 （4） 体心四方 I 000, 2 1 2 1 2 1 图 1 （5） 高级 立方（等轴） Cubic a=b=c，α=β=γ =90º 简单立方 P 000 图 1 （1） 体心立方 I 000, 2 1 2 1 2 1 图 1 （2） 面心立方 F 000, 2 1 2 1 0, 2 1 0 2 1 ,0 2 1 2 1 图 1 （3）
3图114种布拉维点阵的晶胞【实验仪器设备及材料】各种晶体结构模型，模型拆散后的部件。【实验步骤及方法】（1）教师简要讲解晶体学的基本知识。(2）学生观摩各种晶体模型，注意其特点。（3）学生把拆散的几种晶体结构模型组装好。【实验数据处理】（1）画出面心立方，标定（111）晶面、[110]晶向。（2）画出体心立方，标定（110）晶面、[111]晶向。(3）画出密排六方的晶胞，标定（100）晶面、[2i0]晶向。（4）绘出实验组装模型。思考题
图 1 14 种布拉维点阵的晶胞 【实验仪器设备及材料】 各种晶体结构模型，模型拆散后的部件。 【实验步骤及方法】 （1）教师简要讲解晶体学的基本知识。 （2）学生观摩各种晶体模型，注意其特点。 （3）学生把拆散的几种晶体结构模型组装好。 【实验数据处理】 （1）画出面心立方，标定（111）晶面、[110]晶向。 （2）画出体心立方，标定（110）晶面、[111]晶向。 （3）画出密排六方的晶胞，标定（1ī00）晶面、[ī2ī0]晶向。 （4）绘出实验组装模型。 思考题
（1）为什么晶胞的几何形状都是平行六面体。2）试从面心立方晶格中绘出体心正方晶胞，并求出它的晶格常数
（1）为什么晶胞的几何形状都是平行六面体。 （2）试从面心立方晶格中绘出体心正方晶胞，并求出它的晶格常数
2金属硬度的测定计划学时：4学时【实验目的】(1）了解硬度测定的基本原理及应用范围。（2）了解布氏、洛氏、维氏硬度实验机的主要结构。（3）掌握用布氏、洛氏、维氏硬度计测定材料硬度的方法。【实验原理】2.1概述金属的硬度可以认为是金属材料表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的一种能力。硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念。硬度值越高，表明金属抵抗塑性变形的能力越大，材料产生塑性变形就越困难。另外硬度与其他机械性能（如强度指标及塑性指标中和）之间有着一定的内在联系。所以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。测量硬度的方法很多，在机械工业中广泛采用压入法来测定硬度，压入法又分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。压入法硬度试验的主要特点是：（1）实验时应力状态最软，即最大切应力远远大于最大正应力。因而不论是塑性材料还是脆性材料均能发生塑性变形。（2）金属的硬度与强度指标之间存在如下近似关系：Ob=K+HB式中Ob—一材料的抗拉强度值；HB-——布氏硬度值K一系数。退火状态的碳钢K=0.34~0.36，合金调质钢K=0.33~0.35，有色金属合金K=0.33~0.53。（3）硬度值对材料的耐磨性、疲劳强度等性能也有一定的参考价值，通常硬度值高，这些性能也就好。在机械零件设计图纸上对机械性能的技术要求，往往只标注硬度值，其原因就在于此。（4）硬度测量后由于仅在金属表面局部体积内产生很小压痕，并不损坏零件，因而适合于成品检验。（5）设备简单，操作迅速方便
2 金属硬度的测定 计划学时：4 学时 【实验目的】 （1）了解硬度测定的基本原理及应用范围。 （2）了解布氏、洛氏、维氏硬度实验机的主要结构。 （3）掌握用布氏、洛氏、维氏硬度计测定材料硬度的方法。 【实验原理】 2.1 概述 金属的硬度可以认为是金属材料表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的一种能力。硬度 测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念。硬度值越高，表明金属抵抗塑性变形的能力越 大，材料产生塑性变形就越困难。另外硬度与其他机械性能（如强度指标σb及塑性指标ψ和 δ）之间有着一定的内在联系。所以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。 测量硬度的方法很多，在机械工业中广泛采用压入法来测定硬度，压入法又分为布氏硬 度、洛氏硬度、维氏硬度等。 压入法硬度试验的主要特点是： （1）实验时应力状态最软，即最大切应力远远大于最大正应力。因而不论是塑性材料 还是脆性材料均能发生塑性变形。 （2）金属的硬度与强度指标之间存在如下近似关系： σb=K*HB 式中：σb——材料的抗拉强度值； HB——布氏硬度值； K——系数。 退火状态的碳钢 K＝0.34～0.36，合金调质钢 K＝0.33～0.35，有色金属合金 K＝0.33～ 0.53。 （3）硬度值对材料的耐磨性、疲劳强度等性能也有一定的参考价值，通常硬度值高， 这些性能也就好。在机械零件设计图纸上对机械性能的技术要求，往往只标注硬度值，其原 因就在于此。 （4）硬度测量后由于仅在金属表面局部体积内产生很小压痕，并不损坏零件，因而适 合于成品检验。 （5）设备简单，操作迅速方便
2.2布氏硬度2.2.1布氏硬度试验的基本原理布氏硬度试验是施加一定大小的载荷P，将直径为D的钢球压入被测金属表面（如图1所示）保持一定时间，然后卸除载荷，根据钢球在金属表面上所压出的凹痕面积F凹求出平均应力值，以此作为硬度值的计量指标，并用符号HB表示。1e(a）原理图(b）h和d的关系图1布氏硬度试验原理图其计算公式如下：(1)HB= P/F m式中：HB—一布氏硬度值P载荷(kgf)：(1kgf=9.8N);F凹——凹痕面积（mm）。根据压痕面积和球面之比等于压痕深度和钢球直径之比的几何关系，可知压痕部分的球面积为：(2)Fu=元Dh式中：D—钢球直径（mm）；h——压痕深度(mm)。由于测量压痕直径d要比测定压痕深度h容易，故可将式（2）中h改换成d来表示，这可根据图1（b）中△Oab的关系求出。D-h=/(号)-()2(3)h=-(D-VD2-d2)2将式（2）和式（3）代入式（1）即得：P2P(4)HB=DhD(D-D?-d)式中只有d是变数，故只需测出压痕直径d，根据已知D和P值就可计算出HB值。在实际测量时，可由测出之压痕直径d直接查表得到HB值。由于金属材料有硬有软，所测工件有厚有薄，若只采用同一种载荷（如3000kgf）和钢球直径（如10mm）时，则对硬的金属适合，而对极软的金属就不适合，会发生整个钢球陷入金属中的现象，若对于厚的工件适合，则对于薄件会出现压透的可能，所以在测定不同材
2.2 布氏硬度 2.2.1 布氏硬度试验的基本原理 布氏硬度试验是施加一定大小的载荷 P，将直径为 D 的钢球压入被测金属表面（如图 1 所示）保持一定时间，然后卸除载荷，根据钢球在金属表面上所压出的凹痕面积 F 凹求出平 均应力值，以此作为硬度值的计量指标，并用符号 HB 表示。 图 1 布氏硬度试验原理图 其计算公式如下： HB＝P/F 凹 （1） 式中：HB——布氏硬度值； P——载荷（kgf）；（1kgf＝9.8N）； F 凹——凹痕面积（mm 2）。 根据压痕面积和球面之比等于压痕深度和钢球直径之比的几何关系，可知压痕部分的 球面积为： F凹 Dh （2） 式中：D——钢球直径（mm）； h——压痕深度（mm）。 由于测量压痕直径 d 要比测定压痕深度 h 容易，故可将式（2）中 h 改换成 d 来表示， 这可根据图 1（b）中△Oab 的关系求出。 2 2 2 2 ( ) ( ) 2 1 D d D h ( ) 2 1 2 2 h D D d （3） 将式（2）和式（3）代入式（1）即得： ( ) 2 2 2 D D D d P Dh P HB （4） 式中只有 d 是变数，故只需测出压痕直径 d，根据已知 D 和 P 值就可计算出 HB 值。在 实际测量时，可由测出之压痕直径 d 直接查表得到 HB 值。 由于金属材料有硬有软，所测工件有厚有薄，若只采用同一种载荷（如 3000kgf）和钢 球直径（如 10mm）时，则对硬的金属适合，而对极软的金属就不适合，会发生整个钢球陷 入金属中的现象；若对于厚的工件适合，则对于薄件会出现压透的可能，所以在测定不同材
料的布氏硬度值时就要求有不同的载荷P和钢球直径D。为了得到统一的、可以相互进行比较的数值，必须使P和D之间维持某一比值关系，以保证所得到的压痕形状的几何相似关系，其必要条件就是压入角保持不变。根据相似原理由图1（b）中可知d和c的关系是：Deinp_d(5)或d=Dsingsir2222以此代入式（4）得：2(6)HB=D'Ji-sin号)TP也就保持为一定值。因此对同一材料式（6）说明，当co值为常数时，为使HB值相同，D-而言，不论采用何种大小的载荷和钢球直径，只要能满足P=常数,所得的HB值是一样的。D2P比值有30、对不同材料来说，所得的HB值也是可以进行比较的。按照GB231-63规定，D210和2.5三种，具体试验数据和适用范围可参考表1。表1布氏硬度试验规范硬度范围试样厚度钢球直径载荷P载荷保持时间材料P/D2(mm)(s)(HB)D (mm)(kgf)>61030006-330575012140-65061030005610铜合金10005及镁合31.8-1406-31025030金610250铝合金6-32.5560及轴承8-3562.5合金<32.515.62.2.22布氏硬度试验机的结构和操作1布氏硬度试验机的结构
料的布氏硬度值时就要求有不同的载荷 P 和钢球直径 D。为了得到统一的、可以相互进行比 较的数值，必须使 P 和 D 之间维持某一比值关系，以保证所得到的压痕形状的几何相似关 系，其必要条件就是压入角φ保持不变。 根据相似原理由图 1（b）中可知 d 和φ的关系是： 2 sin 2 2 sin 2 d D D d 或 （5） 以此代入式（4）得： (1 1 sin ) 2 2 2 2 D P HB （6） 式（6）说明，当φ值为常数时，为使 HB 值相同， 2 D P 也就保持为一定值。因此对同一材料 而言，不论采用何种大小的载荷和钢球直径，只要能满足 2 D P =常数，所得的 HB 值是一样的。 对不同材料来说，所得的 HB 值也是可以进行比较的。按照 GB231-63 规定， 2 D P 比值有 30、 10 和 2.5 三种，具体试验数据和适用范围可参考表 1。 表 1 布氏硬度试验规范 材料 硬度范围 （HB） 试样厚度 （mm） P/D2 钢球直径 D（mm） 载荷 P （kgf） 载荷保持时间 （s） 黑色金 属 140-650 >6 30 10 3000 6-3 5 750 12 6 30 10 3000 6-3 5 750 30 6 10 10 1000 6-3 5 250 30 6 2.5 10 250 6-3 5 62.5 60 <3 2.5 15.6 2.2.2 布氏硬度试验机的结构和操作 1 布氏硬度试验机的结构