湖南科技大学
金属材料专业综合实验
二〇##年六月九日
目 录
1、实验一 材料热导率的测定‥………………………………………………3
1.1实验目的…………………………………………………………………………3
1.2实验材料…………………………………………………………………………3
1.3实验仪器…………………………………………………………………………3
1.4实验原理…………………………………………………………………………3
1.5实验步骤…………………………………………………………………………4
1.6实验数据记录与分析……………………………………………………………5
2、实验二 材料热膨胀系数的测定………………………………………………5
2.1实验目的…………………………………………………………………………5
2.2实验材料…………………………………………………………………………5
2.3实验仪器…………………………………………………………………………5
2.4实验原理…………………………………………………………………………6
2.5实验步骤…………………………………………………………………………7
2.6实验数据记录与分析……………………………………………………………7
3、实验三 材料的摩擦磨损实验……………………………………………12
3.1实验目的………………………………………………………………………12
3.2实验材料………………………………………………………………………13
3.3实验仪器………………………………………………………………………13
3.4实验原理………………………………………………………………………13
3.5实验步骤………………………………………………………………………13
3.6实验数据记录与分析…………………………………………………………14
4、实验四 X射线衍射技术及物相定性分析…………………………………15
4.1实验目的………………………………………………………………………15
4.2实验材料………………………………………………………………………15
4.3实验仪器………………………………………………………………………15
4.4实验原理………………………………………………………………………15
4.5实验步骤………………………………………………………………………16
4.6实验数据记录与分析…………………………………………………………17
5、心得体会………………………………………………………………………18
实验一 材料热导率的测定
一 ：实验目的
导热系数（热导率）是反映材料导热性能的物理量。在科学实验和工程技术中对材料的热导率常用实验的方法测定。大体上分为稳态法和动态法。本实验采用稳态法测量材料热导率。通过实验可以加深对热传导规律的理解，体会使用参量转换法的设计思想，掌握用温度传感器测量的方法。
二：实验材料
环氧树脂
三：实验仪器
DRL-Ⅱ导热系数测试仪
本仪器主要测试薄的热导体、固体电绝缘材料、导热树脂、氧化铍瓷、氧化铝瓷等陶瓷导热系数测定。
主要参数：1）试样大小：Φ30mm
2）试样厚度：0.02?10mm
3）热极控制范围：室温—500.0℃
4）冷极控制范围：室温—99.0℃
5）测试范围：0.015～45W/mk
6）测试精度：优于1﹪
7）电源：220V/50Hz
8）连接上位机实际计算机自动测试，并实现数据打印输出
四：实验原理
热传导定律:如果热量沿着x方向传导，那么在x轴任意位置Xo处取一个垂直截面△S（如图），以表示在x处的温度梯度，以表示在该处传热率（单位时间通过截面△S的热量）
那么热传导定律可以表示成
式中负号表示热量从高温区向低稳区传导（即传导的方向与温度梯度的方向相反）。式中比例系数即为热导率，亦称导热系数。
本实验的关键是给样品造成一个稳定的传热状态（如图）在此状态下，温度梯度
T1、T2是样品上下表面的稳定温度，h是样品的厚度。
令样品的半径为R ,高度为h，铜盘的半径为Rp ,高度为hp，则样品的传热速率
热导率
五：实验步骤
1、用游标卡尺测量待测样品和散热盘的直径和高度。
2、安装、调整整个实验装置。安放样品时，须使插入热电偶的小孔与杜瓦瓶、数字电压表位于同一侧。调节散热盘下面的三个螺旋测微头，使待测样品的上下表面与加热盘和散热盘紧密接触。热电偶热端插入小孔底，保证热电偶热端与样品或铜盘接触良好。热电偶冷端插入杜瓦瓶中浸入冰水混合物中。
3、根据稳态法，为得到稳定的温度分布，可先将电源电压打到“高”档，几分钟后θ1=4.00mv即可将开关拨到“低”档，通过调节电热板电压“高”、“低”及“断”电档，使θ1读数在±0.03mv范围内，同时每隔30秒读θ2的数值，如果在2分钟内样品下表面温度θ2示值不变，即可认为已达到稳定状态。记录稳态时与θ1，θ2对应的T1，T2值。 加热过程中打开散热盘下面的微型轴流式风扇，以形成一个稳定的散热环境。稳态后取下一支热电偶，插入散热盘小孔，记录稳态时散热盘温度值T3 。
4、取出样品，使加热盘与散热盘直接接触，再加热。当散热盘温度比稳态时的T3高出约10℃（电压表读数约增加0.5mV）时，停止加热，并立即移去加热盘，让散热盘开始自然冷却，并马上每隔30s记录一次散热盘的温度值，直到电压表读数比稳态时低约0.5mV为止。
5、求冷却速率。
以时间为X轴温度为Y轴作出散热盘的冷却曲线，画出经过冷却曲线上T3点的切线，其斜率即为温度T3时散热盘的冷却速率。
六：实验数据记录与分析
本次实验采用的是树脂材料，仪器的设定温度为120℃。仪器显示温度分别为上热极，试样上表面，试样下表面和下热极。试样的厚度为3mm，试样的截面积706.858mm。结合分析，试样的导热系数为0.3856w/mk。
实验二 材料热膨胀系数的测定
一：实验目的
了解材料的膨胀曲线对生产的指导意义；掌握示差法测定材料热膨胀系数的原理和方法；利用材料的热膨胀曲线确定材料的特征温度，如玻璃转化温度。
二：实验材料
40%Ce0.8Sm0.2O1.9 + 60%SmBaCo2O5
三：实验仪器
ZRPY系列热膨胀系数测定仪（高温卧室膨胀仪），该仪器是用于测定在高温状态金属材料，陶瓷、釉料、耐火材料以及其它非金属材料在受热焙烧过程中的膨胀和收缩性能，也适用于GB/T3810.8-2006对陶瓷砖线性热膨胀的测定。
主要技术参数：
1、最高炉温：1400℃
2、测定变形范围：±2.5mm
3、位移传感器灵敏度0.1μm，测量精度0.5μm，自动校正量程
4、升温速度0-20度/分可调，微电脑程序控温，控温精度± 1℃
5、计算机自动计算膨胀系数、体膨胀、线性膨胀量
6、自动计算补偿系数并自动补偿，也可人工修正
7、试样尺寸：Φ6-10×50mm，10×10×50mm
8、电源：220V，2KW
9、ZRPY智能膨胀仪自动控温，记录，存储，打印数据，打印温度-膨胀系数曲线，所有试验操作均由计算机界面完成，操作方便并提供全套软件。
四：实验原理
假设物体原来的长度为L0,温度升高后长度的增加量为△L,则△L/L0=α1△T
式中α1为线膨胀系数，也就是温度每升高10C时，物体的相对伸长。
当物体的温度从T1上升到T2时，其体积也从V1变化为V2，则该物体在T1~T2的范围温度内，温度每上升一个单位，单位体积物体的平均增长量为β=（V1- V2）/ V1(T1- T2)式中β为平均体膨胀系数。
从测试技术来说，测体膨胀系数较为复杂。因此，在讨论材料的热膨胀系数时，常常采用线膨胀系数α=（L1- L2）/ L1(T1- T2)
式中α为材料的平均线膨胀系数，L1为在温度为T1时试样的长度，L2为在温度为T2时试样的长度.
α与β的关系是：β=3α+3α2*△T2+α3*△T3
上式中的第二项和第三项非常小，在实际中一般略去不计，而取β=3α
五：实验步骤
1，试样的准备
（1）取无缺陷材料作为测定膨胀系数的试样。
（2）试样尺寸依不同仪器的要求而定。一般石英膨胀仪要求试样直径为5~6mm，长为（60+0.1）mm；UBD万能膨胀仪要求试样直径为3mm，长为（50+0.1）mm；Weiss立式膨胀仪要求试样直径为12mm，长为（65+0.1）mm。
（3）把试样两端磨平，用千分卡尺精确量出长度。
2，测试操作要点
（1）被测试样和石英玻璃棒，千分表顶杆三者应先在炉外调成平直相接状态，并保持在石英玻璃管的中心轴区，以消除摩擦与偏斜影响造成的误差。
（2）试样与石英玻璃棒要紧密接触使试样的膨胀增量及时传递给千分表。在加热测定前要使千分表顶杆紧至指针转动2~3圈，确定一个初读数。
（3）升温速度不宜过快，以控制（2~3）0C/mim为宜，并使整个测试过程均为升温。
（4）热电偶的热端尽量靠近试样中部，但不应与试样接触。测试过程中不要触动仪器，也不要振动实验台桌。
3，测试步骤
（1）接好并检查电路。
（2）把石英玻璃管架在铁架上。
（3）先把准备好的待测试样小心的装入石英玻璃管内，然后装进石英玻璃棒，使石英玻璃棒紧贴试样，在支架的另一端装上千分表，使千分表的顶杆轻轻顶压在石英玻璃棒的末端，把千分表转到零位。
（4）将卧式电炉沿滑轨移动，将管状电炉的炉芯套上石英玻璃管，使试样位于电炉中心位置（即热电偶端位置）。
（5）合上电闸，接通电源。等电压稳定后，调节自耦调压器，以30C/mim的速度升温，每隔2min记一次千分表的读数和电位差计的读数，直到千分表的读数向后退为止。
六： 实验结果记录与分析
由上图可知，样品的变化量、线膨胀百分率、线膨胀系数及体膨胀系数均随温度的升高而增大，其中样品的变化量和线膨胀百分率的变化曲线趋于直线规律，而线膨胀系数和体膨胀系数在刚开始时波动较大，随后随温度的升高逐渐趋于稳定。参考其他组的实验数据及图表可知，当实验材料中钴、铁元素含量的变化较小时，材料的膨胀系数变化不大；当实验材料中钴元素含量减少、铁元素含量增大的变化较大时，材料的膨胀系数减小。
实验三 摩擦磨损实验
一：实验目的
摩擦磨损实验是测定材料抵抗磨损能力的一种材料试验。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。
二：实验材料
10N-300r-Cu-SiC
三：实验仪器
HRS-2M型往复摩擦试验机
本试验机适用于材料和零部件表面的摩擦磨损测试。载荷范围宽、滑动速度可调，能够准确地检测材料的摩擦系数、磨痕深度、表面轮廓和耐磨性，有针对性地对材料或零部件的润滑特性、表面处理及材料特性做出评估。
本实验主要参数：
1、载荷：10N
2、时间：20min
3、滑动速度：100rpm
4、滑动长度：5mm（单程）
5、摩擦系数上限：2
6、传感器规格：200N
四：实验原理
本实验中，摩擦副由上试样和下试样组成，上试样与下试样间的往复运动由电机带动偏心轮的旋转而实现。往复运动的振幅可通过偏心距进行调节。摩擦副间的压力通过砝码加载、并由压力传感器进行测量，而摩擦副间的摩擦力通过拉/压传感器进行测量。将压力、摩擦力和时间信号输入到计算机中，便可得到摩擦力、摩擦系数随时间的变化曲线。经过一定时间后，下试样表面将产生具有一定深度的磨痕。
五：实验步骤
（1）准备试样，试样表面应干净、光滑、均匀，不应有缺陷、裂痕、杂质等。
（2）将试样平稳地装卡在试验台上，并与安装上试样的卡具进行接触，保证运动过程中试样的接触情况相同。
（3）打开试验机专用测试程序，调整显示窗口上的“摩擦力1”、 “摩擦力2”、“载荷1”、 “载荷2”处于零点位置。
（4）施加试验载荷为10N，并在显示窗口上输入“试验时间”、“欲加载荷”、“试验速度”等参数。
（5）启动实验机的主电源，点击“开始”按钮，开始进行摩擦磨损实验。
（6）实验结束，首先关闭实验机的主电源，然后退出试验机专用测控程序。
六：实验数据记录与分析
磨损一般分为3个阶段：跑合阶段，稳定磨损阶段，剧烈磨损阶段。在参看其他组的实验后，一般情况下，摩擦系数随着滑动速度增加而升高，超过一极大值后，又随滑动速度的增加而减少。当速度增大时，摩擦系数通过一个最大值，当压力增大时，该最大值对应于较小的速度值。滑动速度对摩擦系数的影响，主要是摩擦引起温度的变化所致。滑动速度引起的发热和温度的变化，改变了摩擦表面层的性质和接触状况。因而摩擦系数必将随之变化。
实验四 X射线衍射技术及物相定性分析
一：实验目的
1.了解X射线衍射原理和衍射仪的操作规程。
2.掌握X射线衍射物相定性分析的原理和实验方法。
3.熟悉PDF卡片的查找方法和物相检索方法。
二：实验材料
Mo-Si-C
三：实验仪器
XD-3 X射线衍射仪，主要应用于样品的物像定性或定量分析、晶体结构分析、材料的织构分析、宏观应力或微观应力的测定、晶粒大小测定、结晶度测定等等。
XD-3 X射线衍射仪采用立式测角仪结构，放置和更换样品更加方便、直观，便于清理实验后的样品台。该衍射仪采用独特的θ-θ模式，其特点是样品台静止不动，而X射线管和探测器围绕着样品运动。此方式具有以下独特的优势：尤其适用于大块固体、粘稠、液体等样品的测试：并且便于拓展多种附件装置（结构、φ扫描、旋转样品台、高低温、各类在线分析）。
四：实验原理
1.X射线衍射仪的工作原理
图1是X射线衍射仪构成示意图。它是由高压发生器提供一个给定的高压到X射线管的两极，阴极产生的阴极电子流碰撞到阳极时产生X射线，X射线经S1，Fs后照射到样品表面，衍射经JS,S2，FSS到达石墨单色器，然后进入检测器，经放大并转换为电信号，经计算机处理后为数学信号。测量过程中，样品台载着样品按一定的步径和速度转过一定的角度θ，检测器伴随着转过衍射角2θ，这种驱动方式称为θ-2θ方式。
2.物相定性分析原理
X射线入射到金属多晶体上，产生衍射的充要条件是1）2dsinθ=nλ ；2）F(hkl)≠0。第一个公式确定了衍射方向，在一定的实验条件下衍射方向取决于晶面间距d。而d是晶胞参数的函数；第二个公式表示衍射强度与结构因子F(hkl)的关系，衍射强度正比于F(hkl)模的平方。F(hkl)的数值取决于物质的结构，即晶胞中原子的种类、数目和排列方式，因此决定X射线衍射谱中衍射方向和衍射强度的一套d和I的数值是与一个确定的晶体结构相对应的。这就是说，任何一个物相都有一套d-I特征值，两种不同物相的结构稍有差异，其衍射谱中的d和I将有区别，这就是应用X射线衍射分析和鉴定物相的依据。
若其一种物质包含有多种物相时，每个物相产生的衍射将独立存在，互不相干。该物质的衍射结果是各个单相衍射图谱的简单叠加。因此应用X射线衍射鉴别出多相样品中的每一个物相。
一种物相衍射谱中的d-I/I1(I1是衍射图谱中最强峰的强度值)的数值取决于该物质的组成与结构，其中I/I1称为相对强度。当两个样品的d-I/I1数值都对应相等时，这两个样品就是组成与结构相同的同一种物相。因此，当一未知物相的样品的衍射谱上的d-I/I1的数值与某一已知物相M的数据相合时，即可认为未知物相即是M相。由此看来，物相定性分析就是将未知物的衍射实验所得的结果，考虑各种偶然因素的影响，经过去伪存真获得一套可靠的d-I/I1数据后与已知物相的I/I1相对照，再依据晶体和衍射的理论对所属物相进行肯定与否定。目前，已测量了大约140000种物相的I/I1数据，每个已知物相的I/I1数据制作成一张PDF卡片。若未知物是在已知物相的范围之内，物相分析工作即是实际可行的。
3.PDF卡片检索方法
PDF卡片检索的发展已经历了三代，第一代是通过检索工具书来检索纸质卡片，现在已被淘汰。第二代是通过一定的检索程序，按给定的检索窗口条件对光盘卡片库进行检索（如PCPDFWin程序）。现代X射线衍射系统都配备有自动检索系统，通过图形对比方式检索多物相样品中的物相（如MDI Jade，EVA软件等）。
五：实验步骤
1.在合金铸锭，板，棒中有代表性的部位锯下一块15mm*20mm*5mm的合金块，在240号至600号的金相砂纸上研磨出一个15mm*20mm的平面作为衍射面。
2.确定真空系统正常工作（真空系统常开状态）并在10-5的真空度以下，打开循环水系统。
3.打开XG Control程序，按下Power on按钮，打开控制电源。
4.按下X ray on按钮，打开X射线。
5.打开Right Measurement System程序，按表1输入测量参数和文件名。然后单击Execuement按钮开始调量，测量结束后测量数据文件自动保存。
6.测量结束后，按下X ray off按钮，关闭X射线。
7.等待30min后，按下Power off按钮，切断控制电源，关闭循环水。
六：实验数据记录与分析
该衍射图可以看出衍射材料的大体的成分，测试样品为Mo-Si-C，对照衍射峰可以大体看出材料的成分。
五 心得体会
这一次的综合实验主要有四个实验，分别为热膨胀系数测定、材料的热导率测定、摩擦磨损系数测定、X射线衍射。虽然每个实验我们参与的也不是很多，并且由于我的身体原因，X射线衍射技术及物相定性分析实验并未能完整参加。但是从老师的讲解，上网查找资料等还是让我学会了很多。经过这次的测试技术实验,一方面加深了我对课本理论的认识,另一方面也为大四的毕业设计做准备。
这次实验是演示实验，而且每一次的实验我都有参与，所以对实验流程都有一定的了解。但是我认为我对这实验不够重视，还有就是实验安排的不够合理，以及实验的时间安排比较稀松，延续时间较长。收获最大的应该还是老师对实验原理，仪器使用原理的讲解，这在以后的实验以及工作中都能有比较大的帮助。