材料物理性能实验指导书.docx
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材料物理性能实验指导书
材料物理性能实验指导书
西南交通大学
二零零五年三月
课程需称：
材料物理性能英文名称：
PhysicalPropertiesofMaterials
实验指导书名称：
材料物理性能实验指导书编者：
朱徳贵
一、学时学分
总学时：
48总学分：
3实验时数：
8实验学分：
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盯。
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、方式、表征方式等的理解，培冇学生物性测试设备的利用能力，培育正确选用物性测试手腕的能力。
三、大体原理及课程简介
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大体原理、物理概念、大体测试原理测试方式。
实验课以介绍大体原理及实验测试大体方式，使学生学会正确选用测试手腕，明确每一物理性能的本质及应用。
四、实脸方式与大体要求
1.由指导教师讲淸实验的大体原理、要求、实验设备利用方式、实验目的及注意事项:
2.实验每组24人，每一个实验时刻2h,由学生独立操作完成实验：
3.了解实验原理、设备工作原理，及测试方式，并弄淸每一性能测试与材料组织转变的彼此关系。
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：
1、电子电位差计1台
二、电阻箱
3、电桥3台
4、分光光度计
五、光强测试仪
2台
六、磁性测试仪
7、膨胀分析仪
3台
八、耗材
七、实验项目与内容提要：
一序号
实验名称
内容提要
每组人数
实验时数
实验者类别
所在实验室
备注
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.
2-4
2
本科
材料实验室
9
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匸艺及组织结构关系.
3・测定不同处理工艺的材料的电阻及电阻与温度关系.
2-4
9
本科
材料实验室
3
材料光学性能测定
1.r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
2-4
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.测定材料磁化强度及磁滞曲线
2-4
9
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
一、实验目的
1.了解膨胀测试原理及方式。
2.测定钢在加热和冷却进程中膨胀曲线并肯泄起英相变点。
二、实验原理
热容理论以为：
晶体中，原子用绕其平衡位垃作简谐振动，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，如此无法解释热膨胀现象。
因为作简谐振动的原子不论英振幅多大，英振动中心不能产生位移。
既然热膨胀的存在肯定无疑，显然表明原子振动是非简谐振动。
依照格律乃森的经验公式，相邻两原子的位能
式中a、b为常数：
r为原子：
m和n別离表示引力和斥力的幕指数。
对于金属材料，m约等于3,而n在很宽的范用内转变，但老是n>m。
正是由于这种位能的不对称转变引发了固体的热膨胀。
当材料的温度从T1转变到T2时，材料的体积由VI变到V2,则该材料的平均体膨胀系数为：
V2-V1_1AV
卩_V1（72-T1）_VTZf
当AT趋近于零时，上式的极限值（在压力P恒泄的情形下）概念为微分体膨胀系数，即该材料在温度T时的体膨胀系数：
由于体膨胀系数B值的测左比较困难。
通常采用线膨胀系数u来表示材料的膨胀特性，
即J。
材料在T1至T2温度区间的平均线膨胀系数为
L\dTD
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的转变曲线如图1所示。
由于温度转变所引发的材料内部组织结构的改变，会造成随温度T的转变曲线的改变。
例如，当温度达到发生第一类相变的温度时，现在由于存在体枳的突然改变，使u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，按照膨胀系数a随温度T的转变曲线上所产生的附加转变，能够分析材料的组织结构转变。
这是研究材料相变的重要方式之一。
列外，由于温度的提高，造成材料内部晶体缺点的增多，使得u随温度T的转变曲线在髙温段有别于比热容随温度的转变。
三、实验测试方式
材料膨胀系数的测泄取决于两个物理量一温度、位移的准确测量。
一般情形下，温度的测眾利用热电偶。
位移的测泄能够利用千分表法、光学法、可变变压器法等。
无论采用何种方式•其大体原理如图3所示。
4.实验内容
本实验利用Forma3to卜D全自动膨胀仪，测左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，肯定材料的临界温度，计算其膨胀系数：
3・误差分析及讨论。
材料物理性能实验报岸
实验名称：
|指导教！
;帀签名
姓名|班级|学号|成绩
1、实验目的：
2、实验原理:
3、实验纪录:
4、实验结果讣算与分析:
5、分析讨论
实验二钢的电学性能测定
一、实验目的
1.了解电阻测疑方式。
2.了解电阻与材料处置工艺及组织结构关系。
3.测左不同处置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是由成份、组织状态及温度等因素决左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，专门是基础理论的研究中被普遍地采用，成为分析研究相图、组织转变进程等的重要手腕。
测量电阻的方式很多，如伏安法、欧姆表法、桥式电路法等。
通常按照被测电阻值的大小来选左。
在金属材料的研究中，常常碰到的是测量小电阻值（电阻的转变）。
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，用导线将瓦连成封锁的四边形：
在A、C端接电源E和开关K1,在B、D端之间接以灵敏度较髙的检流计G和开关K2,组成"桥”：
将R—、R二、RN和Rx称为“桥臂”，如图1所示。
rE
图1
一般情形下，当K—、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。
现在，电桥电路中B、D两点的电位相等，则有下列关系：
所以
两式相较可得
按照此式，若已知RN和调节平衡后的两臂的电阻值R1和R2即可求得Rx0
必需注意，由此法所测得的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10-6-10-4Q）o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，它们就会引入专门大的误差。
因此，单电桥只适用于测疑较大电阻。
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和际各有一对“电流接头”Cxi、Cx2和Cnl、Cn2,和一对“电位接头”Pxl、Px2和Pnl.Pn2°
为了排除和减小接线电阻和接触电阻对测量结果的彫响，在接线时必然要使电流的引出线之间只包括待测电阻Rx。
因此，一般电流接头均接在电位接头的外侧。
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，别离与桥臂电阻Rl、R二、R3、R4连接，各桥臂的电阻值应不低于100,当调整电桥达到平衡时，通过检流计的电流I尸0,C、D电位相等。
按照克希霍夫第二泄则，有下列关系：
I]R]=InRn+I3R?
I2R2TXRX+I3R4
（In・I3）R=I3（Rm+R4）
解此方程组得Rx=—A
R\
RR2（竺_臂
R+R3+R4R1R2
因为在电桥的制谴时，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.因此，电桥在调平衡的进程中始终维持爵等所以电桥有
DO
Rx=背.弘的关系。
由上而的叙述可知，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R、之间的接线电阻和接触电阻Cn.Cx2都被包括在含有电阻R
的支路内，能够为是R的一部份，由于保证学=字,R值的大小对测量结果无关：
2.Rx和Rn与电源连接线的电阻和接触电阻，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别离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（10-6~10化2）与此相较是极小的，因此影响很小。
三、实验内容
1.将65Mn试样（共12根）加热至800-.820'（2淬火，并别离在不同的温度进行回火处置（回火温度从IOO'C-600'C,每隔50~C—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Fe-Cr-Al电炉线的电阻串一温度关系曲线。
四、实验报告
1.简述实验原理和内容：
2.列出实验数据，画出实验曲线：
3.实验结果分析与讨论。
材料物理性能实验报告
实验名称：
|指导教少签名
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，一部份透过介质，一部份被吸收，还有一部份在两种介质的界而上被反射。
设入射到固体表而的光辐射能流率为①o,透射、吸收和反射光的辐射能流率别离为CT,CA和6R,贝IJ
光辐射能流率的单位为Wnr2,表示单位时刻内通过单位面积（与光线传播方向垂直）的能量。
上式也可写成
t+a+p=\
式中：
册透射率为吸收率=为反射率（。
二①%。
）。
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。
在纯髙聚物（不加添加剂和填料）中，非晶态均相髙聚物应该是透明的，而结晶高聚物一般是半透明乃至是不透明的。
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、离子或电子之间彼此
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呈:
。
在可见光频率范围内，电场分虽与传播进程中碰到的每一个原子都发生彼此作用，引发电子极化，即造成电子云和原子核的电荷中心发生相对位移。
其结果，当光线通过介质时，一部份能量被吸收，同光阴波速度减小。
后者致使折射。
（2）电子能态转变
电磁波的吸收和发射包括电子从一种能态转变到另一种能态的进程。
某个原子吸收了光子的能量后，可能将低能级上的电子激发到较髙的空能级上去，电子发生的能量转变AE与
电磁波的频率有关：
AE=hv
式中：
h为普朗克常数：
v为光子振动频率。
在这里必需明确几个槪念：
第一，原子中电子的能级是分立的，能级之间只有特左的AE值。
因此，只有能星:
为4E的光子才能被原子通过能态转变而吸收，而且在每一次激发中，每一个光子的能量将全数被吸收。
第二，受激电子不可能无穷长时刻地维持在激发状态，通过一个短时期后，它又会衰变回基态，同时发射出电磁波。
衰变的途径不同，发射岀的电磁波的频率就不同。
1.能带结构和光学性能
在金属的电子能带结构中，费密能级以上存在许多空能级。
因此，当金属受到光线照射时，比较容易吸收入射光线的光子能量，将价带中的电子激发到费密能级以上的空能级中去。
实际上，只要金属箔的厚度为0.1pm就可能吸收全数光能。
大部份被金属材料吸收的光又会从表面上以一样波长的光被反射出来，表现为反射光（图1）0大多数金属的反射率为0.9-0.95。
还有一小部份能量以热的形式损失掉了。
肉眼看到的金属颜色是由反射光的波长决泄的。
图1金属材料吸收电磁波（光子）后能态的转变
（a）电子受激跃迁（b）受激电子返回基态，发射出光子
对于非金属材料，由于英能带中存在禁带Eg,在大多数情形下对可见光是透明的。
只有入射光子的能量，大于禁带宽度，才有可能通过电子激发被吸收（图2）。
每一种非金属材料对特左波长以下的电磁波不透明，具体波长取决于Eg。
例如，金刚石的Eg=5.6eV,因此对波长小于0.22Llm的电磁波是不透明的（Eg=hc/X）o
禁带较宽的介电材料也可能吸收光波，不过机制不是激发电子从价带进入导带，而是因为杂质或其他带电缺点在禁带中引进了能级（施主能级或受主能级），使电子能够在吸收光子能量后实现从价带一＞禁带或从禁带一＞导带的转移（图3）。
电子受激时吸收的能量一泄会以某种方式释放岀来。
释放的机理有几种。
对于通过电子从价带＞导带所吸收的能量，可能会通过电子与空穴的从头结合而释放岀来，也可能通过禁带中的杂质能级而发生电子的多级转移，从而发射岀两个光子。
一个光子的能量等于电子从导带回到杂质能级所释放出来的能量：
另一个光子的能量等于电子从杂质能级回到基态时释放出来的能量。
另外，还可能在电子的多级转移中发出一个电子和一个光子。
UM
图2非金属材料吸收光子后能态的转变
（a）受激电子越过禁带，并产生一个空穴
（b）
电子返回价带并与空穴复合发射出一个光子
3介电材料吸收光子后电子能态的转变
（a）禁带中杂质能级电子吸收光子后激发进入导带
（b）电子从导带衰变到杂质能级，发射岀一个光子：
再从杂质能级返回到基态，又发射出一个光子
（c）电子从导带衰变到杂质能级，发射岀一个声子：
再从杂质能级返回到基态，又发射出一个光子
介质净吸收的光波能虽:
不仅与介质特性有关，还有光程有关。
透射光的辐射能流率随光程X的增加而减小：
①丁=式中①0=6。
—①即入射光中的非反射辐射能流率；B为吸收系数，单位为（mm）」,是材料的特征常数：
x是光线在介质中通过的距藹。
2.发光现象
发光是辐射能量以可见光的形式出现。
若是辐射或其他任何形式的能量，激发电子从价带进入导带，则当该电子返回价带时，便发射出光子（能量为1.8eV-3.leV）o若是这些光子的波长在可见光范囤内，那么，便产生发光现象。
与热辐射发光相区别，称这种发光为冷光。
按照材料从吸收能量到发光之间延迟时刻的长短，把冷光分为荧光«10-8s）和磷光（＞10ss）o能发出荧光和磷光的材料有某些硫化物、氧化物、铸酸盐和一些有机物。
纯物质一般不会发光，必需加进适当的杂质后才能诱导动身光现象。
图4是夜光材料SrAl2O4.x：
Eli,Dy的余晖特性曲线。
图4夜光材料SrAHOwEu,Dy的余晖特性
发光现象有许多重要的实际应用。
如荧光灯的发光，电视显示屏、显示器，示波器、雷达监视屏，发光二极管，夜光表等。
三、测试方式
用分光光度计测量不同材料的透光率曲线，肯左材料的禁带能级宽度。
用紫外可见光检测仪激发材料发光，用光强计测量长余晖夜光材料的余晖特性。
四、实验内容
测立有机玻璃的透光率曲线，肯左禁带宽度；测泄ITO薄膜的透光率曲线。
测泄长余晖夜光材料SrAl2O4.x：
Eu,Dy的余晖特性。
五、实验报告
1.简述实验目的零1原理：
2.整理实验数据，肯泄材料的禁带宽度：
3・误差分析及讨论。
材料物理性能实验报単
实验名称：
|指导教！
;帀签名
姓名|班级|学号|成绩
1、实验目的：
2、实验原理:
3、实验纪录:
4、实验结果讣算与分析:
5、分析讨论
实验四材料磁学性能分析
一、实验目的
1.了解材料磁学性能及磁化曲线
2.测定材料磁化强度及磁滞曲线
二、实验原理
磁介质可分为顺磁体、抗磁体、铁磁体、亚铁磁体和反铁磁体。
对于顺磁体和抗磁体来讲，它们的相对磁导率M接近于1。
而对于英他磁性材料的相对磁导率M专门大（">>1）,磁性材料具有一系列特性，如M不是一个常数，能保留剩余磁性，并具有一个临界温度（居里温度Tc）,达到该温度以上磁性物质转化为顺磁体等。
任何铁磁体和亚铁磁体，在温度低于居里温度Tc时，都是由磁畴组成的。
磁畴是自发磁化到饱和（即英中的磁矩均朝一个方向排列）的小区域。
相邻磁畴之间的界限叫磁畴壁（图1）。
在一块未经外磁场磁化的样品中，磁畴的取向是无序的，故磁畴的向量之和为零，因此,整块磁体对外不显示磁性。
图1铁磁体和亚铁磁体的磁畴和磁畴壁结构示用意
铁磁体和亚铁磁体在外磁场作用下，磁感应强度B和磁场强度H间不是简单的线形比例关系。
假设样品在一开始已经退磁化，那么磁感应强度B随H的转变如图2所示。
曲线自原点开始，H增加时，B也增加。
一开始B的增加比较缓慢，后来增加较快.最后又减慢并达到平衡值Bso
磁性材料磁化的本质是磁畴结构的转变进程。
图2给岀了B-H曲线上某些点所对应的磁畴结构示意图。
一开始，在已经退磁化的样品中磁畴的驭向是无序的，因此无净磁感应强度。
施加外磁场后，那些磁畴顺排方向与外磁场方向大体一致的磁畴长人，而〕〔它方向的磁畴减小。
随着磁场强度的增加，这一进程不断地进行，直到整个样品变成单畴。
继续增大外磁场时，该单畴通过转动达到与外磁场方向完全一致，这时样品就达到了饱和磁化。
图2铁磁体和亚铁磁体磁化进程中的B-H曲线和磁滞回线
若是将样品磁化到饱和点以后，慢慢地减小H,则B也减小。
那个进程叫退磁化进程。
现在B的转变并非是按磁化曲线的原路程返回，而是按另一条曲线，即图中的SR段曲线转变。
当H减小到零时，B=Br,称为剩余磁感应强度（简称剩磁），表示材料在无外加磁场时仍维持了必然程度的磁化。
若是要使B=0,则必需加上一反向磁场He,He称为矫顽力。
从这里能够看出，退磁进程中B的转变掉队于H的转变。
这种现象称为磁滞现象，其本质是磁畴壁在运动中受到阻力。
当反向H继续增加时，最后又可达到反向饱和点。
若是沿正方向增加H,则又通过另一条曲线达到正向饱和点。
可见在交变磁场的每一周期内，B-H曲线组成一个封锁回路，那个回路曲线称为磁滞回线。
磁滞回线所包用的而积表征磁化一周时以热的形式所消耗的功（J.nW）。
描述磁滞的另一个物理量是最大的磁能积（BH）inax，它是磁滞回线在第二象限内磁感应强度和磁场强度乘积的最大值。
磁性材料按磁滞特性可分为软磁材料和硬磁材料两大类。
1.软磁材料
软磁材料具有较高的磁导率，较髙的饱和磁感应强度，较小的娇顽力和较低的磁滞损耗。
这种材料超级容易磁化和退磁，磁滞回线很窄。
软磁材料主要用于制造磁导体，例如变压器、继电器的磁芯（铁芯）、电动机转子和定子.磁路中的连接元件、磁极头、磁屏材料、感应圈铁芯、电子运算机开关元件：
和存储元件等。
表1给出了几种常常利用软磁材料及苴性能。
2.硬磁材料
硬磁材料又称永磁材料，是指那些难于磁化，又难于退磁的材料。
它具有较大
表1几种常常利用软磁材料的性能
材料
组成/%
初始相对磁导率Ui
Bs/
T
每周的磁滞损耗
/J.mJ
电阻率P/
Q.m
工业纯铁
150
270
1.0*107
铁-硅合金（定向）
97Fe-3Si
1400
40
4.7*107
45坡莫合金
55Fe-45Ni
2500
1・6
120
4.5*107
立方铁氧体
48MnFe204-52ZnFe2O4
1400
0・33
-40
2000
铁基非晶态合金
Fe6vColoB14Si
1・80
60HzJ.4T
钻基非晶态合金
C067Ni3Fe4M02B12Sil2
0・72
20kHz,0.2T
43mW.cm-3
135*108
的娇顽力，典型的He叫0'〜106A（m”，剩磁也高，磁滞回线又髙又宽，具有较大的最大磁能枳。
硬磁材料主要用于制造各类永磁体，以便提供磁场空间。
可用于各类电表和电话、录音机、电视机中和利用磁性牵引力的举重器、分料28和选矿器中。
表2给出了几种常常利用硬磁材料及英大体性能。
表2几种常常利用硬磁材料的大体性能
材料
组成/%
He
A.m"
Bs/T
（BH）max/
TC/
•C
电阻率P/
Q.m
马氏体低碳钢
-0.9C
4000
0・95
1600
一
一
铜-镰-铁永磁合金
20Fe-20Ni-60
Cu
44000
0・95
12000
410
1.8*10-7
铁张氧化物烧结永磁铁
BaO-6Fe203
240000
0・32
20000
450
-104
稀土钻永磁合金
SmCo5
640
0・87
144000
720
——
稀土铁基永磁合金
Nd2Fei4B
684600
1・48
407600
310
一
三、实验内容和方式
用CL6-1型直流磁特性测量装置测量软磁材料（工业纯铁、铁氧体软磁材料）和駛磁材料（钱铁硼磁体）的磁化曲线和磁滞回线。
1.闭磁路样品的测量
闭磁蹄样品是具有闭合磁路的样品，它是用螺旋环来磁化的。
由于螺旋环产生的磁场不强（最多为lOU.nr1数虽:
级），因此闭磁路样品主如果软磁材料。
由于螺旋环产生的磁场能够通过测量磁化电流计算出来。
H=nl==——巴——A.nr}或H=—————lii—A.m~l
2冰7t{R\+R2）2兀（R2—R1）R1
这里I是滋化线圈的电流，N是线圈匝数，R2和R1是环的外半径和内半径尺寸）。
因此，测戢闭磁路样品的磁化曲线和磁滞回线就归结为测量各磁化电流下的磁感应强度B。
2.开磁路样品的测量
开磁路样品是指正电磁铁或螺线管中测疑的样品，主如果永磁材料。
冲击法是测量永磁材料静态磁性的标准方式。
3.电子积分法
电子积分器是用电子学方式对测量线圈的感应电动势直接积分，输出电压与即与△。
成正比。
由于它能对电压进行瞬时积分，因此能够测量随时刻转变的磁通量.只要在输出端配合记录仪或数字电压表，即能够实现自动测量。
电子枳分器法不仅能够用来测量磁场，还能够用来进行静态、动态磁性的测量。
电
子积分器法不仅克服了冲击法的原理误差，而且便于测量自动化.
图3和图4別离为软磁和永磁材料的静态磁性测疑原理图。
四、实验报告
1.简述实验目的和原理：
2.整理实验数据，肯定材料的饱和磁感应强度，剩余磁感应强度和娇顽力；
3.误差分析及讨论。
样品
在样品上绕上初级线圈N1和次级线圈N2
在初级线圈中通电
图3软磁材料的静态磁性测*原理图
曲4永磁材料的静态隐性测戏原理
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