金属材料物理专业实验课程教学大纲.docx
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金属材料物理专业实验课程教学大纲
金属材料物理专业实验课程教学大纲
一、课程说明
（一）课程名称、所属专业、课程性质、学分；
课程名称：
金属材料物理专业实验
所属专业：
金属材料
课程性质：
专业实验课
学分：
4
（二）课程简介、目标与任务；
课程简介：
金属材料物理专业实验是专业实验教学部的重要组成部分，其前身是原物理系金属物理专业，始建于1956年，是我国第一批设置的金属物理专业，是与吉林大学、北京大学、南京大学、中山大学同期先后设置的专业，也是建国初期按照地理区域和行政区域划分的全国八大金属材料研究基地之一。
主要培养有色金属、复合材料、粉末冶金、材料热处理、材料腐蚀与防护及表面等领域从事科学研究、技术开发、工艺和设备设计、生产及经营管理等方面的人才。
本专业实用性很强，研究成果可以直接应用到现实生产，所取得的进展和人民群众的日常生活密切相关，专业就业前景广阔。
目标和任务：
从基础性的技能训练实验、综合性创新性实验和研究性科研训练等三个层次上进行实验内容、层层深入地培养与训练学生的综合实验素质及创新能力：
精选基础性实验，建设并加强综合性实验和研究创新性实验。
（三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接；
《金属物理学》《金属热处理》
（四）教材与主要参考书。
教材：
自编中
参考书：
1.《金属热处理综合实验指导书》，王志刚、刘科高主编，高等学校“十二五”实验实训规划教材，冶金工业出版社；
2.《金属材料及热处理实验教程》，周小平主编，华中科技大学出版社；
3.《金属热处理原理与工艺》，王顺兴主编，哈尔滨工业大学出版社；
4.《金属热处理工艺学》，夏立方主编，哈尔滨工业大学出版社
（五）主讲教师。
主讲：
卓仁富，闫徳
教师梯队：
王君，耿柏松，门学虎，吴志国
二、课程内容与安排
第一章金属热处理（退火、正火、淬火）
（一）教学方法与学时分配
8学时，必做实验。
先讲授，然后自己动手完成实验
（二）内容及基本要求
主要内容：
热处理是一种很重要的金属加工工艺方法，热处理的主要目的是改善钢材性能，提高工件使用寿命。
钢的热处理工艺特点是将钢加热到一定的温度，经一定时间的保温，然后以某种速度冷却下来，通过这样的工艺过程能使钢的性能发生改变。
热处理之所以能使钢的性能发生显著变化，主要是由于钢的内部组织发生了质的变化。
采用不同的热处理工艺过程，将会使钢得到不同的组织结构，从而获得所需要的性能。
普通热处理的基本操作有退火、正火、淬火及回火等。
热处理操作中，加热温度、保温时间和冷却方式是最重要的三个关键工序，也称热处理三要素。
正确选择这三种工艺参数，是热处理成功的基本保证。
Fe-FeC相图和C-曲线是制定碳钢热处理工艺的重要依据。
【重点掌握】：
含碳量、加热温度、冷却速度等因素与碳钢热处理后组织及性能的关系。
【掌握】：
熟悉碳钢的基本热处理（退火、正火、淬火）工艺方法
【难点】：
学会采用不同的热处理工艺，将会得到不同的组织结构，从而使钢的性能发生变化。
第二章金属热处理（回火）
（一）教学方法与学时分配
8学时，必做实验。
先讲授，然后自己动手完成实验
（二）内容及基本要求
主要内容：
低温回火：
保持了钢的高硬度、高强度和良好耐磨性，适当提高了韧性。
中温回火：
中温回火后共计爱你的淬火应力基本消失，钢具有高的弹性极限，较高的强度和硬度，良好的塑性和韧性。
高温回火：
习惯上将淬火和随后的高温回火相结合的热处理工艺成为调制处理。
经调制处理后，钢具有优良的综合力学性能。
【重点掌握】：
回火温度对钢性能的影响
【掌握】：
回火的工艺方法
第三章金相试样的制备
（一）教学方法与学时分配
8学时，必做实验。
先讲授，然后自己动手完成实验
（二）内容及基本要求
主要内容：
样品制备的基本步骤为取样、镶嵌、磨光、抛光、侵蚀五个步骤。
取样：
显微试样的选取应根据研究的目的，取其具有代表性的部位。
用切割机把试样截下，采用直径20mm，高15mm的圆柱体。
切取过程中不宜使试样的温度过于升高，以免引起金属组织的变化，影响分析结果。
镶样：
当试样尺寸太小时，直接用手磨制很困难，用试样镶嵌机把试样镶嵌在胶木粉中。
磨制：
分为粗磨和细磨两道工序。
粗磨：
粗磨的目的是为了获得一个平整的表面。
通常在砂轮机上进行，但在磨制时应主意：
试样对砂轮的压力不宜过大，否则会在试样表面形成很深的磨痕，增加精磨和抛光的难度；要随时用水冷却试样，以免受热引起组织变化；试样边缘的棱角若无保存表要，可先行磨圆（倒角），以免在细磨及抛光时撕破砂纸或抛光布，甚至造成试样从抛光机上飞出伤人。
细磨：
经粗磨后试样表面虽较平整，但仍还存在有较深的磨痕。
细磨的目的就是为了消除这些磨痕，以得到平整而光滑的磨面，为下一步的抛光做好准备。
细磨是在一套粗细程度不同的金相砂纸上，由粗到细一次顺序进行的。
细磨时将砂纸贴在带有旋转圆盘的预磨机上，手指紧握试样，并使磨面朝下，均匀用力向下压在砂纸上。
每更换一号砂纸时，须将试样的研磨方向调转90度。
抛光：
抛光的目的是去除细磨时遗留下来的细微磨痕而获得光亮的镜面，制备时采用机械抛光，在专用的抛光机上进行。
抛光机主要由电动机和抛光圆盘组成，抛光圆盘转速为300~500转/分。
抛光盘上铺以细帆布、呢绒、丝绸等。
抛光时在抛光盘上不断滴注抛光液。
抛光液通常采用A1203、Mg0或Cr203等细粉末（粒度约为0.3~1um）在水中的悬浮液。
机械抛光就是靠极细的抛光粉与磨面间产生相对磨削和滚压作用来消除磨痕的。
操作时将试样磨面均匀地在旋转的抛光盘上，并沿盘的边缘到中心不断作径向往复运动。
抛光时间一般为3~5分钟。
抛光结束后，试样表面看不出任何磨痕而呈光亮的镜面。
浸蚀：
经抛光后的试样若直接放在显微镜下观察，只能看到一片亮光，除某些非金属夹杂物（如MnS及石墨等）外，无法辨别出各种组成物及其形态特征。
必须使用浸蚀剂对试样表面进行“浸蚀”，才能清楚地显示出显微组织的真是情况。
钢铁材料最常用的浸蚀剂为3~4%硝酸酒精溶液。
浸蚀的方法是将试样磨面浸入浸蚀剂中，活用棉花沾上浸蚀剂擦拭表面。
浸蚀时间要适当，一般试样磨面发暗时就可停止，如果浸蚀不足可重复浸蚀。
浸蚀完毕后立即用清水冲洗，接着用酒精冲洗，最后用吹风机吹干。
这样制的金相试样即可在显微镜下进行观察和分析研究。
【掌握】：
熟悉金相试样制备过程中的取样、镶嵌、磨光、抛光四个步骤的操作方法
【了解】：
热镶嵌及冷镶嵌的差别及需要的实验用品
第四章显微镜的使用、摄影
（一）教学方法与学时分配
8学时，必做实验。
先讲授，然后自己动手完成实验
（二）内容及基本要求
主要内容：
显微分析是研究材料内部组织和缺陷的主要方法之一，它在材料研究中占有重要的地位。
利用金相显微镜将试样放大100~1500倍来研究材料内部组织的方法称为金相显微分析法，是研究金属材料微观结构最基本的一种实验技术。
显微分析可以研究材料内部的组织与其化学成分的关系；可以确定各类材料经不同加工及热处理后的显微组织；可以判别材料质量的优劣，如金属材料中诸如氧化物、硫化物等各种非金属夹杂物在显微组织中的大小、数量、分布情况及晶粒度的大小等。
在现代金相显微分析中，使用的主要仪器有光学显微镜和电子显微镜两大类。
这里主要对常用的光学金相显微镜作一般介绍。
【重点掌握】：
金相显微镜的成像原理、基本构造、各主要部件及元件的作用
【掌握】：
光学显微摄像CCD系统的运用
第五章组织观察（平衡及非平衡、不锈钢、焊接）
主要内容：
碳钢经退火、正火可得到平衡或接近平衡组织；经淬火得到的是不平衡组织。
得到不同的组织，各组织的显微特征大概包含如下：
1.索氏体（S）是铁素体与渗碳体的机械混合物，其片层比珠光体更细密，在高倍（700倍以上）显微放大时才能分辨。
2.屈氏体（T）也是铁素体与渗碳体的机械混合物，片层比索氏体还细密，在一般光学显微镜下也无法分辨，只能看到如墨菊状的黑色形态。
当其少量析出时，沿晶界分布，呈黑色网状，包围着马氏体；当析出量较多时，呈大块黑色团状，只有在电子显微镜下才能分辨其中的片层。
3.贝氏体（B）为奥氏体的中温转变产物，它也是铁素体与渗碳体的两相混合物。
在显微形态上，主要有三种形态；
（1）上贝氏体是由成束平行排列的条状铁素体和条间断续分布的渗碳体所组成的非层状组织。
（2）下贝氏体是在片状铁素体内部沉淀有碳化物的两相混合物组织。
它比淬火马氏体易受浸蚀，在显微镜下黑色针状。
在电镜下可以见到，在片状铁素体基体中分布有很细的碳化物片，它们大致与铁素体片的长轴成55~60°的角度。
（3）粒状贝氏体是最近十几年才被确认的组织。
在低、中碳合金钢中，特别是连续冷却时（如正火、热轧空冷或焊接热影响区）往往容易出现，在等温冷却时也可能形成。
它的温度范围大致在上贝氏体转变渐度区的上部，由铁素体和它所包围的小岛状组织所组成。
4.马氏体（M）是碳在αFe的过饱和固溶体。
以马氏体的形态按含碳量主要分两种，即板条状和针状。
（1）板条状马氏体一般为低碳钢或低碳合金钢的淬火组织。
其组织形态是由尺寸大致相联系贩细马氏体条定向平行排列组成马氏体束或马氏体领域。
在马氏体束之间位向差较大，一个奥氏体晶粒内可形成几个不同的马氏体领域。
板条马氏体具有较低的硬度和较好的韧性。
（2）针状马氏体是含碳量较高的钢淬火后得到的组织。
在光学显微镜下，它呈竹叶状或针状，针和针之间成一定的角度。
最先形成的马氏体较粗大，往往横穿整个奥氏体晶粒，将奥氏体加以分割，使以后形成的马氏体片的大小受到限制。
因此，针状马氏体的大小不一。
同时有些马氏体有一条中脊线，并在马氏体周围有残留奥氏体。
针状马氏体的硬度高而韧性差。
5.残余奥氏体（A残）是含碳量大小0.5%的奥氏体淬火时被保留到室温不转变的那部分奥氏体。
它不易受硝酸酒精溶液的浸蚀，在显微镜下呈白亮色，分布在马氏体之间，无固定形态。
6.钢的回火组织与性能
（1）回火马氏体。
是低温回火（150~250℃）组织。
它仍保留了原马氏体形态特征。
针状马氏体回火析出了极细的碳化物，容易受到浸蚀，在显微镜下呈黑色针状。
低温回火后马氏体针变黑，而残余奥氏体不变仍呈白亮色。
低温回火后可以部分消除淬火钢的内应力，增加韧性，同时仍能保持钢的高硬度。
（2）回火屈氏体。
是中温回火（350~500℃）线织。
回火屈氏体是铁素体与粒状渗碳体组成的极细混合物。
铁素体基体基本上保持了原马氏体的形态（条状或针状），第二相渗碳体则析出在其中，呈极细颗粒状，用光学显微镜极难分辨。
中温回火后有很好的弹性和一定的韧性。
（3）回火索氏体：
是高温回火（500~650℃）组织。
回火索氏体是铁素体与较粗的粒状渗碳体所组成的机械混合物。
碳钢回火索氏体中的铁素体已经通过再结晶，呈等轴细晶粒状。
经充分回火的索氏体已没有针的形态。
在大于500倍的光镜下，可以看到渗碳体微粒。
回火索氏体具有良好的综合机械性能。
应当指出，回火屈氏体、回火索氏体是淬火马氏体回火时的产物，它们的渗碳体是颗粒状的，且均匀地分布在铁素体基体上；而淬火索氏体和淬火屈氏体是奥氏体过冷时直接形成的，其渗碳体是呈片状。
回火组织较淬火组织在相同硬度下具有较高的塑性与韧性。
【重点掌握】：
观察并熟悉碳钢经不同热处理后的基本组织
【难点】：
碳钢几种典型热处理组织——M、T、S、M回火、S回火等组织的形态及特征。
第六章硬度实验
（一）教学方法与学时分配
8学时，必做实验，先讲授然后学生自己动手完成。
（二）内容及基本要求
主要内容：
硬度的测定是材料在力学性能研究中最简便，最常用的一种方法。
所谓硬度，是材料对一更硬物体压入其内时所表现的抵抗能力。
硬度计在生产和科研中应用十分广泛，常用的硬度测试试验方法有：
布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度，以及里氏、肖氏硬度等。
【重点掌握】：
硬度的概念，分类以及测试原理
【掌握】：
掌握洛氏、布氏以及显微硬度计的使用和维护方法
第七章热分析实验
（一）教学方法与学时分配
8学时，选做，先讲授然后学生自己动手完成。
（二）内容及基本要求
主要内容：
热分析是物理化学分析的基本方法之一。
综合热分析研究物质在加热过程中发生相变或其他物理化学变化时所伴随的能量、质量和体积等一系列的变化，可以确定其变化的实质或鉴定矿物。
热分析技术种类很多，比较常用的方法有
（1）差热法（DTA），
（2）热重法（TG）[包括微分热重（DTG）]，（3）差示扫描量热法（DSC）。
【重点掌握】：
掌握热重-差热分析原理和ZRY-1P型综合热分析仪的操作方法，了解其应用范围。
【掌握】：
对草酸钙进行热重及差热分析，测量化学分解反应过程中的分解温度
【了解】：
测量物质在加热过程中所发生的物理化学变化，绘制相应曲线，从而研究材料的反应过程。
第八章电化学腐蚀
（一）教学方法与学时分配
8学时，选做，先讲授然后学生自己动手完成。
（二）内容及基本要求
主要内容：
腐蚀广泛涉及人类生产实践活动特别是工业文明进步的各个方面，并有着巨大的反作用，可以说人类一切工业文明进步史就是与腐蚀进行顽强拼搏的斗争史。
目前，已被广泛接受的金属腐蚀的定义是：
金属与周围环境（介质）之间发生化学或电化学作用而引起的破坏或变质。
【重点掌握】：
用电化学工作站测量塔菲尔极化曲线的方法
【掌握】：
用塔菲尔极化曲线求得自腐蚀电位和腐蚀速度
【了解】：
掌握金属的自腐蚀电位和腐蚀速度的概念
【一般了解】：
塔菲尔曲线的推导过程
第九章电化学阻抗
（一）教学方法与学时分配
8学时，选做，先讲授然后学生自己动手完成。
（二）内容及基本要求
主要内容：
电化学阻抗谱（ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy，简写为EIS），早期的电化学文献中称为交流阻抗（ACImpedance）。
阻抗测量原本是电学中研究线性电路网络频率响应特性的一种方法，引用到研究电极过程，成了电化学研究中的一种实验方法。
电化学阻抗谱是在平衡电极电位附近，给电化学系统施加一个频率不同的小振幅（≤5mV）的交流正弦电势波，测量交流电势与电流信号的比值（系统的阻抗）随正弦波频率
的变化，或者是阻抗的相位角
随
的变化。
因为所施加的正弦波振幅很小，又是在平衡电极电位附近，因此电流与电极电位的关系往往可以线性化，这给动力学参数的测量和分析提供了很大的方便。
使用EIS研究必须满足三个条件，即因果性条件、线性条件和稳定性条件。
利用EIS研究一个电化学系统的基本思路是，将电化学系统看作是一个等效电路，这个等效电路是由电阻（R）、电容（C）、电感（L）等基本元件按串联或并联等不同方式组合而成，通过EIS，可以测定等效电路的构成以及各元件的大小，利用这些元件的电化学含义，来分析电化学系统的结构和电极过程的性质等。
EIS常见的表示方法有两种：
尼奎斯特图（Nyquistplot）和波特图（Bodeplot），其中，尼奎斯特图更为常见。
【重点掌握】：
掌握用电化学工作站测量电化学阻抗谱的方法
【掌握】：
掌握电化学阻抗谱的基本思路及其用途
【了解】：
了解电化学阻抗谱的拟合
第十章金属粉体筛分、密度、比表面积
（一）教学方法与学时分配
8学时，选做，先讲授然后学生自己动手完成。
（二）内容及基本要求
主要内容：
分为金属粉体的筛分、密度、比表面积三大块。
筛分：
在粉体的研究和应用中，往往要求超细粉体产品处于一定的粒度分布范围，当前制备的粉体中往往只有一部分产品达到了粒度要求，而另一部分产品却未达到粒度要求，为得到合格产品，在超细粉体生产过程中要对产品进行分级处理，使所制得的粉体粒度处于所需分布范围。
密度：
粉体振实密度相对于其松装密度增大的百分数，是粉体多种物理性能（如粉体粒度及其分布、颗粒形状及其表面粗糙度、比表面积等）的综合体现。
粉体振实密度是粉体重要的一种工艺性能，对粉体压制用模具的设计以及贮存和运输用贮罐或贮袋的设计都有指导作用。
比表面积：
低温吸附法测定固体比表面和孔径分布是依据气体在固体表面的吸附规律。
在恒定温度下，在平衡状态时，一定的气体压力，对应于固体表面一定的气体吸附量，改变压力可以改变吸附量。
平衡吸附量随压力而变化的曲线称为吸附等温线，对吸附等温线的研究与测定不仅可以获取有关吸附剂和吸附质性质的信息，还可以计算固体的比表面和孔径分布。
【重点掌握】：
粉体分级、振实密度及比表面积测试的主要方法及原理
【掌握】：
熟悉多功能振动筛、振实密度测试仪及ASAP2020型物理吸附仪的结构及原理及测试操作。
第十一章摩擦学实验
（一）教学方法与学时分配
8学时，选做，先讲授然后学生自己动手完成。
（二）内容及基本要求
主要内容：
摩擦磨损试验，测定材料抵抗磨损能力的一种材料试验。
摩擦是两个相互接触的物体在外力的作用下发生相对运动或者相对运动趋势时,在切相面见间产生切向的运动阻力,这一阻力又称为摩擦力。
磨损是任一工作表面的物质,由于表面相对运动而不断损失的现象。
通过这种试验可以比较材料的耐磨性优劣。
磨损试验比常规的材料试验要复杂。
首先需要考虑零部件的具体工作条件并确定磨损形式，然后选定合适的试验方法，以便使试验结果与实际结果较为吻合。
【重点掌握】：
摩擦学实验的基本方法，学会有关仪器设备的使用方法
【了解】：
了解不同材料配副、不同摩擦状态时摩擦系数及磨损量的变化情况
第十二章化学、物理气相沉积过程
（一）教学方法与学时分配
8学时，选做，先讲授然后学生自己动手完成。
（二）内容及基本要求
主要内容：
分为CVD/PVD两种：
化学气相沉积CVD（Chemical Vapor Deposition）是利用加热，等离子体激励或光辐射等方法，使气态或蒸汽状态的化学物质发生反应并以原子态沉积在置于适当位置的衬底上，从而形成所需要的固态薄膜或涂层的过程。
一般来说是利用气体原料在气相中通过化学反应形成基本粒子并经过成核、生长两个阶段合成薄膜、粒子、晶须或晶体等固体材料的工艺过程。
它包括5个主要阶段：
反应气体向材料表面扩散；反应气体吸附于材料的表面；在材料表面发生化学反应；生成物从材料的表面脱附；产物脱离材料表面。
目前CVD技术的工业应用有两种不同的沉积反应类型即热分解反应和化学合成反应。
它们的共同点是：
基体温度应高于气体混合物；在工件达到处理温度之前气体混合物不能被加热到分解温度以防止在气相中进行反应。
物理气相沉积（PhysicalVaporDeposition，PVD）是指把固态（液态）镀料通过高温蒸发、溅射、电子束、等离子体、离子束、激光束、电弧等能量形式产生气相原子、分子、离子（气态，等离子态）进行输运，在固态表面上沉积凝聚，生成固相薄膜的过程。
物理气相沉积的主要方法有：
真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜，及分子束外延等。
【掌握】：
掌握化学、物理气相沉积方法制备纳米材料的基本流程及注意事项。
【了解】：
了解化学、物理气相沉积制备纳米材料的基本原理
制定人：
卓仁富
审定人：
批准人：
日期：
2016.6.20
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