书名：材料科学与工程实践教程pdf/doc/txt格式电子书下载

推荐语：材料专业实践实训一本通

作者：赵明娟,李德英,赵龙志等编

出版社：化学工业出版社

出版时间：2020-05-01

书籍编号：30617927

ISBN：9787122358486

正文语种：中文

字数：292154

版次：

所属分类：教材教辅-大学

内容提要

　本书以工程教育认证思想为指导，配合材料相关专业培养方案，设计了配合理论教学的实践环节教学内容，具有很强的针对性、时代性和行业特征。内容主要包括材料微观结构表征、材料性能测试、材料表面强化、材料成型加工、材料成型加工设计及实训、专业实习、专业毕业设计等，同时引入了近年来全国组织的相关专业竞赛的典型案例，时代感很强。每个部分分别设计了有代表性的实践环节，目的是通过这些实践环节使学生加深对理论知识的理解，熟悉相关设备的操作，加强实践和动手能力的培养，培养学生综合运用所学知识解决复杂工程问题的能力，培养具有创新能力的高素质应用型人才。

本书可作为高等院校材料成型及控制工程、高分子材料与工程、无机非金属材料工程等专业的教材，也可供相关技术人员参考。

版权页

书名：材料科学与工程实践教程

作者：赵明娟，李德英，赵龙志主编

CIP号：第278308号

ISBN：978-7-122-35848-6

责任编辑：韩庆利

出版发行：化学工业出版社（北京市东城区青年湖南街13号 100011）

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前言

材料类专业实践性很强，要求培养的学生既要有扎实的基础理论知识，同时又要具备一定的实践能力。材料科学与工程实践环节不仅是对材料科学理论知识的验证、补充和扩展，还是培养该专业学生创新能力、实践动手能力和发现并解决实际问题能力的重要途径。通过实践环节的学习，对于激发学生学习兴趣、促进学生将知识转化为能力、逐步完成由学习者到实践者的转化具有重要的作用。

本实践教程是根据华东交通大学材料科学与工程学院多年来开设的与材料科学有关的实践内容进行编写的。本书以工程教育认证思想为指导，配合材料相关专业培养方案，设计了配合理论教学的实践环节教学内容，内容具有很强的针对性、时代性和行业特征，具有很强的操作可行性。主要包括材料微观结构表征、材料性能测试、材料表面强化、材料成型加工、材料成型加工设计及实训、专业实习、专业毕业设计等内容，同时引入了近年来全国组织的相关专业竞赛的典型案例，时代感很强。每个部分分别设计了有代表性的实践环节，目的是通过这些实践环节使学生加深对理论知识的理解，熟悉相关设备的操作，加强实践和动手能力的培养，培养学生综合运用所学知识解决复杂工程问题的能力，培养具有创新能力的高素质应用型人才。

本书由华东交通大学材料科学与工程学院赵明娟、李德英和赵龙志主编，王少会、胡勇、刘德佳副主编，本书第一、四章由李德英编写，第二章由王少会编写，第三、五、六章由赵明娟编写，第七、九、十章由赵龙志编写，第八章由胡勇编写，附录由刘德佳编写。在编写过程中，材料工程系和高分子材料系教师提出了大量中肯的修改意见，同时杨海超、刘学林、周颖、皮黎飞、黄阳和王怀等多名研究生对本书的图表加工做了大量工作，在此向他们表示衷心感谢。本书中参考和引用了一些学者的书籍资料，列于参考文献，在此向他们表示最诚挚的感谢。

由于编者水平有限，书中难免存在不当之处，敬请读者批评指正。

编者

第一篇　实验篇

第一章　材料微观结构分析

材料是人类进步的阶梯，是人类发展的里程碑。材料的存在使得各种设计、构造和图纸转化为客观存在的现实，因此研究材料具有重要的意义。材料是用来制造构件、器件、工具的物质，它是通过物理或化学方法加工成金属、无机非金属、有机高分子和复合材料的固体物质。无论什么材料在使用过程中都应用到材料的某种性能，材料的性能主要取决于材料自身的微观结构，因此对材料的微观结构进行分析具有重要的应用价值。

实验一　金相显微镜的构造及使用

材料的性能决定于材料内部的组织结构，要研究材料的内部结构必须借助于金相显微镜。金相显微镜是用于观察金属内部组织结构的重要工具，将制备好的金属试样放在金相显微镜下进行观察，可以研究金属化学成分、组织、性能之间的关系；确定各类金属经不同加工和热处理后的显微组织；鉴别金属材料质量的优劣等。因此利用金相显微镜来观察金属的内部组织与缺陷是研究金属材料的一种基本实验技术。

一、实验目的

（1）了解金相显微镜的基本原理和构造。

（2）掌握金相显微镜维护的基本知识。

（3）初步掌握金相显微镜的使用方法。

二、实验设备及材料

（1）金相显微镜。

（2）制备好的金相样品若干。

三、实验原理

金相显微镜是利用光线的反射将金属材料放大后进行观察的，其基本原理、构造及使用方法如下所述。

1.金相显微镜的基本原理

（1）金相显微镜的放大倍数　金相显微镜是基于光学的反射原理而设计的。它装有两组放大透镜，靠近物体的一组透镜为物镜，靠近观察的一组透镜为目镜，借助物镜和目镜的两次放大，从而得到较高的放大倍数。

金相显微镜及放大成像原理如图1-1所示。被观察物体AB置于物镜前焦点F₁略远处，形成一个倒立、放大的实像A\'B\'，位于目镜焦点F₂之内；当实像A\'B\'通过目镜放大后成为一个正立放大的虚像A″B″。因此最后的映像A″B″是经过物镜、目镜两次放大后所得到的，其放大倍数应为物镜放大倍数和目镜放大倍数的乘积。

经物镜放大倍数为：

M_物=A\'B\'/AB=（Δ+f\'₁）/f₁　　（1-1）

式中，f₁、f\'₁分别为物镜前焦距与后焦距；Δ为显微镜的光学镜筒长。

与Δ相比，物镜的焦距f\'₁很短，可忽略，所以

M_物≈Δ/f₁　　（1-2）

经目镜放大倍数为：

M_目=A″B″/A\'B\'≈D/f₂　　（1-3）

式中，f₂为目镜的前焦距；D为人眼明视距离，D≈250mm。

显微镜总放大倍数为：

M=M_物M_目=（Δ/f₁）×（D/f₂）　　（1-4）

有的显微镜为避免镜筒过长，从而缩短了物镜与目镜间的距离。因此，显微镜的放大倍数应乘以一个镜筒系数C，即M=M_物M_目C，C值一般标注在金相显微镜上。例如德国的Zeiss公司的立式显微镜，其镜筒系数C为0.63。

图1-1　金相显微镜及放大成像原理

（2）显微镜的鉴别率　显微镜的鉴别率是指它能清晰地分辨试样上两点间最小距离d的能力，d值越小，鉴别率越高，鉴别率可由下式计算：

　　（1-5）

式中，λ为入射光线的波长；A为物镜的数值孔径，它表示物镜的聚光能力；n为物镜与试样之间介质的折射率；φ为物镜孔径角的一半，如图1-2所示。

由式（1-5）可见，显微镜的鉴别率取决于使用光线的波长和物镜的数值孔径，波长越短，数值孔径越大，则显微镜的鉴别率越高。对于一定波长的入射光，可通过变化数值孔径A来调节显微镜的鉴别率。

（3）放大倍数、数值孔径、鉴别率之间的关系　显微镜的同一放大倍数可以由不同倍数的物镜和目镜来组合。对于同一放大倍数，应先确定物镜。在选用物镜时，必须使显微镜的放大倍数处于有效放大倍数范围之内，即M=500A～1000A。若M<500A，则不能充分发挥物镜的鉴别率；假如M>1000A，将会造成“虚放大”，仍不能显示超出物镜鉴别能力的微细结构。待物镜确定后，再根据所需的放大倍数选用目镜。

图1-2　物镜的孔径角

2.金相显微镜的构造

金相显微镜的种类和形式很多，但较为常见的分为台式、立式及卧式三种类型。虽然型号很多，但基本构造类似，通常由照明系统、光学系统和机械系统三大部分组成。

（1）金相显微镜的照明系统　照明系统由光源、聚光镜、滤光片、光栏、毛玻璃和垂直照明器等组成。

①光源。金相显微镜一般采用人工光源装置，要求光的强度不仅大而且均匀，并在一定范围内可任意调节，发热程度不宜过高，常用的光源有钨丝灯泡、碳弧灯、碘弧灯、钨弧灯、水银灯、氙灯等。使用时一般要将220V电源通过变压器降至6～8V的电压，发出白色光。

②聚光镜。其作用是使来自光源的散射光变为平行光束。

③滤光片。其作用是降低色差，增加组织衬度，考虑到人眼的舒适反应，观察时一般选择黄、绿色滤光片。

④光栏。孔径光栏相当于照相机上的光圈，其作用是控制光束的大小，减少光线在镜筒内漫反射，提高映像的清晰度。视场光栏用来改变观察视域的大小，减少镜筒的反射与眩光以提高映像的衬度而不影响物镜的分辨能力。

⑤垂直照明器。其作用是把光源的光束反射到试样表面上。金相显微镜的光源，一般装在镜筒的侧面，与主光轴呈正交。要使光线经过主光轴到达试样表面，必须在两光轴交点处安装一个反射面，使光束垂直转向，从而使光源的光束反射到试样表面上，这种结构称为垂直照明器。

（2）金相显微镜的光学系统　光学系统是金相显微镜的核心部分，主要是物镜和目镜。照明系统入射的光束在金相试样表面反射后，经过物镜、目镜等即可将试样表面的显微组织放大，并在目镜内成像以供观察。

①物镜。是显微镜最主要的部件，它是由许多种类的玻璃制成的不同形状的透镜所构成的。物镜有消色差物镜、平面消色差物镜、复消色差物镜和平面复消色差物镜等几种，有多种不同放大倍数的物镜可更换使用。

②目镜。由两个凸透镜组成，主要用来对物镜已放大的图像进行再次放大。常用的目镜有普通目镜、补偿目镜、投影目镜和测微目镜等，其类型及放大倍数等均刻在目镜的金属外壳上。目镜也有多种不同放大倍数的镜头，可更换使用。例如：XJB-1型金相显微镜备有5×、10×、15×三个目镜。金相显微镜使用时，可根据所需放大倍数选择合适的物镜和目镜（见表1-1）。

表1-1　金相显微镜放大倍数　　

3.金相显微镜使用步骤及注意事项

金相显微镜属于精密光学仪器，使用时必须细心谨慎，严格遵守操作规程和必要的规定。

（1）金相显微镜的使用步骤

①根据观察要求选择适当放大倍数的物镜和目镜，并安装到位。

②将试样放在载物台中心，观察面朝下，如需固定，应使用载物台上的固定装置进行固定。

③观察样品，要进行聚焦。调焦时先转动粗调螺旋，使物镜上升，保证样品尽量靠近物镜但不能接触，然后从目镜中观察，用手缓慢调节粗调螺旋，待看到组织后，再调节微调螺旋进一步精确调焦，直到图像清晰为止。

④使用完毕后，试样放回原处，立即关闭电源并盖好防护罩。

（2）使用金相显微镜时的注意事项

①金相试样要保持干净并且不能含有水和酒精，金相试样的观察面严禁用手抚摸，同时为防止划伤观察面，也不要随意挪动试样。

②镜头擦拭一定要用擦镜头试纸，严禁用任何异物进行清理。

③旋转调焦手轮时一定要缓慢进行，碰到极限位置时应立即停止操作，不得强行转动。

④使用过程中操作要细心，动作不能粗暴和剧烈，更不能随便拆卸显微镜部件，以免影响显微镜的使用精度或损坏显微镜。

⑤使用过程中若出现故障，应向指导老师报告，不得自行拆修。

四、实验内容

（1）理解金相显微镜的基本光学原理图。

（2）明确金相显微镜的构造及使用方法，要求学会利用机械系统来调整焦距，利用照明系统来调节和控制光线等。

（3）实际操作金相显微镜，并绘出所观察金相样品的显微组织示意图，标明相应的放大倍数。

五、实验报告要求

（1）简述金相显微镜的操作过程和注意事项。

（2）简述金相显微镜的基本原理和主要结构。

（3）简要说明金相显微镜的使用方法和注意事项。

（4）画出所观察的显微组织示意图，并注明放大倍数。

实验二　金相试样制备

在科研和实验中，人们经常借助于金相显微镜对金属材料进行显微分析和检测，从而控制金属材料的组织和性能。为了在金相显微镜下能够正确有效地观察试样显微组织，首先必须制备金相试样，如果试样制备不当，就不能看到真实的组织，影响分析结果。

一、实验目的

（1）掌握金相试样制备的基本方法。

（2）了解侵蚀的基本原理，并熟悉其基本操作。

（3）学会利用金相显微镜进行显微组织观察。

二、实验设备及材料

（1）不同粗细的金相砂纸一套（200#、400#、600#、800#、1000#）。

（2）砂轮机。

（3）平板玻璃、吹风机。

（4）抛光机、Al₂O₃抛光粉。

（5）侵蚀剂（4%硝酸酒精溶液）、镊子。

（6）金相显微镜。

（7）待制备的金相试样。

三、实验原理

金相试样的制备过程包括取样、研磨、抛光和侵蚀四个步骤。

1.取样

取样是金相试样制备的第一道工序，其截取部位取决于研究的目的和要求，应选取具有代表性的部位。例如研究零件的失效原因，应在失效的部位截取，并在完好部位取样，以便比较和分析；对于一般热处理后的零件，由于金相组织比较均匀，因而可在任一截面上截取试样。

材料性能不同，取样方法也不一样。对于软材料，可用锯、车、铣或刨等来截取；对于硬材料可用金相切割机或线切割机截取，取样时

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