材料性能及测试实验

实验一  材料的静拉伸实验

一、实验目的

 1.了解万能材料试验机的构造和工作原理，掌握其操作规程及使用时的注意事项

 2.了解典型材料的拉伸曲线和应力应变曲线

 3.了解通过应力应变曲线来定义各种性能指标及其意义掌握材料拉伸性能的测试标准和测试方法

 4.分析材料成分及热处理处理工艺对材料拉伸性能的影响

二、实验设备及材料

   万能材料试验机一台、游标卡尺（最小刻度值为0.01mm）、记号笔等。

   实验材料： ZL101(铸造铝合金)、6063（变形铝合金）、7A09（高强铝合金）

   按照GB/T 228－2002“金属材料室温拉伸试验方法”制备样品。

图1 拉伸试样图

三、实验步骤

1、试样的准备

a)   了解试样的材料与热处理状态，并在试样两头端部打上编号。

b)   用游标卡尺测量试样的直径（或边长），计算横截面积；

c)   测量试样的标距长度，在试样上标出原始标距，并将试样标距范围内的部分均分为10等分，轻轻打上标点。

2、试验设备的操作

    本实验中所用的设备和仪器的构造原理和使用方法，详见实验室中准备的仪器说明书和操作指南。学生应认真听取教师针对实验所用设备和仪器的讲解和观摩示范操作，然后再动手做准备工作。

①  打开电源开关，开启控制柜上的油泵开关。开启电脑，打开Smart Test软件。

②  根据试验，选择合适的夹具和附件。

③  软件中数值清零，输入试样材质，几何尺寸。

④  关闭回油阀，打开送油阀，根据试样尺寸调节横梁的位置。

⑤  关闭送油阀，夹好试样

⑥  软件中，点击开始，开始记录。

⑦  打开送油阀，根据电脑屏幕显示的加载速度，调节送油阀的大小，使加载均匀。

⑧  等测试完毕，关闭送油阀。保存数据。

⑨  把试样取下，打开回油阀

⑩  关闭油泵，关闭电源。

3、测量步骤

   1）将试样夹持于试验机的夹头中，开动试验机，开始加载实验。

   2）测量试样拉断后的标距L1缩颈处最小直径d1，并分别计算δ及ψ。

四．实验结果

实验二 材料的冲击实验

一、实验目的

  1、了解材料冲击实验的原理和方法

  2、了解冲击试验机结构、工作原理及正确使用方法

  3、掌握常温及低温金属冲击试验方法

  4、了解冲击试样缺口专用拉床的结构和正确使用方法

二、实验设备和材料

  JB-W500型微机控制摆锤式冲击试验机、游标卡尺（最小刻度为0.02mm），

  实验材料： ZL101(铸造铝合金)、6063（变形铝合金）、7A09（高强铝合金）冲击试样

 

             图2  U、V形缺口试验（缺口深度5mm）

三．实验步骤

1. 试样的准备：领取试样，在端部打上编号。用棉纱擦净，测量试样尺寸。
2. 采用冲击试验机进行冲击试验。
3. 冲击完成后，立即刹车，并记录冲击吸收功A_ku（或A_kv），然后把指针拨回。
4. 用放大镜或体式显微镜观察断口形貌，并测量断口中纤维区或晶状区的断口百分率。

摆锤式冲击试验机操作

1. 打开试验机电源，打开电脑。
2. 打开JB－W50    0测试软件，根据摆锤大小选择量程的大小，并设置自动模式或手动模式。
3. 手动模式：在软件中设置试样尺寸参数，打开控制盒开关，点按“取摆”按钮。使用定位卡子将试样的缺口背对摆锤定位于支梁上，点按退销，点按冲击，摆锤下落，测试，在软件中点击取值，获得冲击吸收功和冲击韧性，冲击后，摆锤自动扬摆，再次测试，测试完毕，长按“放摆”，摆锤放至最低处放开按钮。
4. 自动模式：自动模式步骤与手动模式相同，只是相应的按键在软件中实现。

试验完毕，关闭试验机电源，关闭电脑。

                                 摆锤式冲击试验机

四．实验结果

①  画出冲击试样形状及尺寸，并注明材料牌号及其热处理状态。

②  整理试验数据，作出相应A_k-t曲线和断口形貌（%）温度曲线，确定其t_k值。

实验三  不同热处理制度对铝合金塑性和韧性的影响

一、实验目的

  1、学会查询资料文献，了解不同铝合金的热处理制度设计原理；

  2、了解不同热处理制度对铝合金断裂韧性与冲击韧性对的影响；

  3、学会观察断口形貌，显微组织变化与力学性能的关系，学会基本的科研方法。

二、实验主要

铝合金研制基本上沿着高强度、低韧性→高强度、高韧性→高强度、高韧性、耐腐蚀方向发展，热处理状态则是沿着T6→T73→T76→T736(T74)→T77方向发展，在合金设计方面的发展特点是合金化程度越来越高，Fe、Si等杂质含量越来越低，微量元素添加越来越合理，最终达到大幅度提高合金强度的同时保持合金具有优良的综合性能。

采取热处理制度（各位同学自己查阅资料，设计热处理实验工艺），部分工艺参考如下：

完全退火：加热390～430℃;随材料有效厚度不同,保温时间30～120min;以30～50℃/h速度随炉冷至300℃下,再空冷。

快速退火:加热350～370℃;随材料有效厚度不同,保温时间30～120min;空或水冷。

淬火和时效:淬火500～510℃,空冷;人工时效95～105℃,3h,空冷;自然时候室温120h.

3.实验的主要内容

    首先，选择热处理工艺。为确定最佳淬火温度和时效时间，先进行不同温度的淬火，并进行同一时间的时效，然后进行拉伸性能测试，从而初步确定出淬火温度。然后，在此淬火温度下，进行不同时间的时效，以便得到可提高合金性能的热处理工艺。每小组至少设计一组热处理实验方案。

    其次，通过冲击韧性和断裂韧性的实验，比较冲击韧性与断裂韧性实验数据间的关系，找出二者的联系，总结预测出铝合金冲击韧性与断裂韧性相互关系的经验公式。

    最后，对原始实验、热处理后的试样进行显微组织观察分析。最后比较各种铝合金（7A09、ADC12、A356）之间的力学性能及显微组织差异，并进行简单的机理分析。

三、实验报告要求：

1、实验目的；

2、简述实验方法、步骤及原理；

3、分析不同热处理制度对铝合金断裂韧性与冲击韧性的影响，试阐述热处理工艺设计的原理；

4、观察热处理前后断口形貌，合金的显微组织变化，对合金性能提高的原因进行分析

5、研究铝合金断裂韧性与冲击韧性间的关系；拟出冲击韧性与断裂韧性相互关系的经验公式；

6、比较不同铝合金的热处理制度差异，并通过力学性能分析各种铝合金热处理制度设计依据；

7、实验过程中的疑惑或问题，思路清晰，内容简练，字迹整洁；

第二篇：高温超导材料特性测试实验报告

高温超导材料特性测试

           

           物理学系 201211141010  安宇森

【摘要】 本次实验，我们利用液氮冷却测量了铜-康温差电偶的超导特性曲线。通过对Pt电阻温度计的特性曲线的测量，确定超导临界温度。最后，我们对磁悬浮现象以及抗磁性实验进行了观测。

【关键词】 超导 临界温度 迈斯纳效应

【Abstract】 In this experiment, we use the liquid nitrogen to cool down the temperature and then we observe the superconductivity of the materials. Through the measurement of the pt thermometers, we find the critical temperature of the superconductor. At last , we observe the resistance of the magnet in the superconductor.

【key words】 superconductivity  critical temperature  Misner effect

【引言】

超导是指某些物质在一定温度条件下（一般为较低温度）电阻降为零的性质。1911年荷兰物理学家H·卡茂林·昂内斯发现汞在温度降至4.2K附近时突然进入一种新状态，其电阻小到实际上测不出来，他把汞的这一新状态称为超导态。以后又发现许多其他金属也具有超导电性。低于某一温度出现超导电性的物质称为超导体。

1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质——当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感应强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。

为了使超导材料有实用性，人们开始了探索高温超导的历程，从1911年至1986年，超导温度由水银的4.2K提高到23.22K（0K=-273.15℃；K开尔文温标，起点为绝对零度）。1986年1月发现钡镧铜氧化物超导温度是30K，12月30日，又将这一纪录刷新为40.2K，1987年1月升至43K，不久又升至46K和53K，现了98K超导体。高温超导体取得了巨大突破，使超导技术走向大规模应用。

超导材料的零电阻特性可以用来输电和制造大型磁体。超高压输电会有很大的损耗，而利用超导体则可最大限度地降低损耗，但由于临界温度较高的超导体还未进入实用阶段，从而限制了超导输电的采用。随着技术的发展，新超导材料的不断涌现，超导输电的希望能在不久的将来得以实现。

现有的高温超导体还处于必须用液态氮来冷却的状态，但它仍旧被认为是20世纪最伟大的发现之一。

【实验原理】

2.1     超导体的基本特征

当电流、磁场及其它外部条件（如应力、辐照等）保持为零或不影响转变温度测量的足够低值时，超导体呈现超导态的量高温度，被定义为临界温度。实验上，用电阻法测定临界温度时，一般都会得以如图 1曲线，在此曲线中，通常把降温过程中电阻温度曲经开始从直线偏离处的温度称为起始转变温度T_c,onset，把临界温度T_c定义为待测样品电阻从起始转变处下降到一半时对应的温度T_cm。把电阻变化10%到90%所对应的温度区间定义为转变宽度，反应了样品的好坏程度。

1933年，Meissner通过实验发现，无论加磁场的次序如何，超导体内磁场感应强度总是等于零，即使超导体在处于外磁场中冷却到超导态，也永远没有内部磁场，它与加磁场的历史无关。这个效应被称为Meissner效应。

磁场加到超导体上之后，一定数量的磁场能量用来立屏蔽电流的磁场以抵消超导体的内部磁场。当磁场达到一定值时，它在能量上更有利于使样品返回正常态，允许有磁场穿过，即破坏了超导电性。从磁感线的模型上分析，可以认为，对于超导体，当外界磁场过强时，部分磁感线会穿过超导体，并被“禁锢”于其中，而此时超导体仍处于零电阻的超导态，此状态为超导的混合态，而此时的超导体具有一定的磁性。

2.2     电阻温度特性

对于纯金属材料，电阻产生于晶体的电子被晶格本身和晶格中的缺陷的热振动所散射。金属中，总电阻率可以表示为：

( 1)式中，表示晶格热振动对电子散射引起的电阴率，与温度有关，电阻与温度的关系决定于晶格振动散射。表示杂质和缺陷对电子的散射所引起的电阻率，在金属中杂质和缺陷散射的响一般是不依赖于温度的，而与杂质与缺陷的密度成正比。正因如此，杂质与缺陷只会改变金属电阻率的数值，而不会改变电阻率的温度系数。正因为金属电阻率中有一项十分依赖于温度的存在，所以金属可以用来作为温度计的测温元件。

对于半导体材料，本征半导体的电阻率为

电阻率由载流子浓度及迁移率决定。但由于载流子浓度随温度升高而指数上升，迁移率随温度升高而下降较慢，所以本征半导体的电阻率随温度上升而单调下降，有负的温度系数。对于杂质半导体，载流子由杂质电离及本征激发产生，其电阻率与温度的变化关系较为复杂。总体上，可以理解为：极低温度下，几乎没有自由载流子，电导为“杂质能级电导”，电阻随温度的上升而迅速下降；低温下，本征激发可以忽略，载流子主要由杂质电离产生，浓度随温度上升而上升，迁移率随温度升高而增加，温度系数为负；温度再高的饱和区，本征激发还不明显，杂质已全部电离，载流子浓度也不再变化，由声子散射，温度系数为正；其后的本征区，载流子主要由本征激发提供，浓度随温度升高而迅速增加，其温度系数又为负。

由于半导体在一定温度范围内具有负的电阻温度系数，根据半导体低温区电阻温度关系，可以用半导体制作温度计的测温元件。本实验的另一个主要目的就是为硅二极管温度计定标。

2.3     测量原理以及测量设备

为了得到从液氮的正常沸点77.4 K到室温范围内的任意温度，我们采用如图2所示的低温恒温器和杜瓦容器。电测量设备的核心是一台称为“BW2 型高温超导材料特性测试装置”的电源盒和一台灵敏度为1μV 的PZ158 型直流数字电压表

电阻测量的原理电路如图3所示。其中，Rn、Un为标准电阻及其上电压，Ux为待测样品电压。

低温物理实验装置的原则之一是必须尽可能减小室温漏热，因此测量引线又细又长，其阻值远远超过如超导样品阻值。为了减小引线和接触电阻对测量的影响，通常采用 “四引线测量法”，基本原理是：恒流源通过两根电流引线将测量电流I 提供给待测样品，数字电压表通过两根电压引线测量电流I 在样品上形成的电势差U. 由于两根电压引线与样品接点处在两根电流引线接点之间，排除了电流引线与样品之间接触电阻对测量的影响，又数字电压表输入阻抗很高，电压引线电阻以及它们与样品间的接触电阻对测量的影响可以忽略不计。另外，在低温物理实验中，即使电路中没有来自外电源的电动势，只要存在材料的不均匀性和温差，就有温差电动势存在，称为乱真电动势或寄生电动势，所以增设了电流反向开关，用以进一步确定超导电阻确已为零。铂电阻、硅二极管测量电路、超导样品测量电路、温差电偶及定点液面计的测量电路及电加热器电路分别如图4所示。

   实验开始前先把“BW2 型高温超导材料特性测试装置”(以下称“电源盒”)面板上虚线所示的待连接导线按图4所示接好，并将PZ158 型直流数字电压表与“电源盒”面板上的“外接PZ158 ”相连接。将“装置连接电缆”两端的19 芯插头分别插在低温恒温器拉杆顶端及电源盒右侧面的插座上。打开PZ158 型直流数字电压表的电源开关(将其电压量程置于200 mV 档)以及“电源盒”的总电源开关，并依次打开铂电阻、硅二极管和超导样品三个分电源开关，调节铂电阻温度计工作电流为1 mA，测量并记录其室温的电流和电压数据。

【实验过程】

1 按照指示步骤，校准仪器并测量室温下各个样品的电压。

2 液氮的灌注：用管子将液氮从储藏瓶中灌注到暖瓶中。

注意：管子在很低的温度下会变得异常坚硬，注意防止将暖瓶碰倒导致安全上的事故。同时，实验过程中需要戴手套，防止被冻伤。

3           将液氮倒入杜瓦瓶中，液氮的液面距离杜瓦瓶瓶口30cm左右比较合适。

4           将样品伸入杜瓦瓶中，同时将开关掰到液面计位置，观察液面计的变化。此举是为了防止样品被完全浸到液氮当中造成传热上的过快，使得无法观察到超导出现的状态。若将样品伸入液氮当中，需要取出烘干方可继续试验。

5           在降温过程中测量相关数据。

6           利用液氮冷却，观察磁悬浮现象。

7           测量零场冷却时超导样品的抗磁性曲线。

【数据记录】

实验一：超导体临界温度的测量

在pt电阻电流恒为1mA的状态下测量。记录各个样品的电压值，通过电流值进行电阻值的换算。利用Pt电阻随温度变化的关系，确定当Pt处于特定电阻是具体的温度的值。然后利用得到的温度的值画出各个样品随温度变化的曲线。其中如果电阻值并不在特定的值位置是，利用pt电阻的线性特征进行估算即可。

表一：数值记录表

得到的各个图像如下：

                     图5 超导样品随温度的变化

               图六：温差电偶随温度的变化

                  图七：SiD材料随温度的变化

通过观察图像可以发现超导的临界温度大概是94K左右，同时半导体材料随着温度的增加，电阻反而减小，而温差电偶的电动势随着温度的增加而增加。但是温差电偶和SiD随温度大都是一个线性变化。

实验二：磁悬浮现象的观察：

磁悬浮现象是由于超导体的完全抗磁性而产生的钉扎力造成的，会将磁铁完全束缚到一个特定的位置。与通常所说的利用磁极同性之间的排斥作用并不相同。而最终磁铁的具体位置是和初始位置相关的。本实验通过液氮冷却样品，最终观察到了磁悬浮现象。图片如下：

图八：磁悬浮现象图片

实验三：超导体零场冷却抗磁性曲线测量

图九：零场冷却抗磁性曲线

图十：零场冷却抗磁性曲线

【实验评价与不足】

本实验由于实验操作方面的影响可能会带来一定的误差与不足。具体表现如下：

1 测量过程中，可能由于样品所放位置不够合适，造成降温速度仍然很快。虽然可以观察到超导现象，但是在超导临界温度附近记录下来的数据并不是很多。造成了一定的误差和影响。

2 本实验并未考虑由乱真电动势的影响而造成的误差，因此并未在原有基础上进行一个修正，这是本实验的一个缺陷之处。

3 本实验温度的获得是测量样品的电阻与标准进行比较而得到的。由于表中给出的参考点有限。因此在比对的过程中可能会产生一定的误差。

4 在测量各个数值的时候，由于降温一直在进行，因此会造成各个读数时间不一致的问题，可能会有一定的误差。

【实验结论】

本实验通过液氮冷却的方法，测量了铜康电阻的超导特性曲线，得到了超导转变的临界温度。同时本实验是第一个接触液氮的实验，通过本次实验，学习了液氮的用法以及使用的注意事项。然后我们对磁悬浮现象以及超导体抗磁性现象的观察，也加深了我们对于超导现象背后的物理含义的更深的认识。

【参考文献】

[1] 熊俊  近代物理补充讲义

[2] 郭硕鸿  电动力学（第三版）