《材料科學(xué)基礎(chǔ)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱一、課程基本情況課程代碼：1011139001課程名稱（中/英文）：材料科學(xué)基礎(chǔ)/FundamentalsofMaterialsScience課程類別：專業(yè)必修課課程性質(zhì)：必修課程類型：課程實(shí)驗(yàn)總學(xué)分：4.5總學(xué)時(shí)：72實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐學(xué)時(shí)：12適用專業(yè)：無機(jī)非金屬材料工程適用對(duì)象：本科先修課程：工程化學(xué)、物理化學(xué)、高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理。開課學(xué)院：材料科學(xué)與工程學(xué)院二、課程簡介《材料科學(xué)基礎(chǔ)》實(shí)驗(yàn)是一個(gè)重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，對(duì)理論知識(shí)的鞏固和延伸，通過晶體結(jié)構(gòu)原子模型的堆垛、差熱分析、熱重分析實(shí)驗(yàn)和淬冷法研究相平衡等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生了解材料實(shí)驗(yàn)室的基本實(shí)驗(yàn)規(guī)范；能使用手冊，工具書，查閱有關(guān)文獻(xiàn)、資料；能正確進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，取得正確可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，獲得用實(shí)驗(yàn)解決問題的動(dòng)手能力；能觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并能夠分析判斷，邏輯推理的能力；能正確記錄和處理數(shù)據(jù)，綜合表達(dá)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生了解各實(shí)驗(yàn)原理，熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備，掌握了實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作，運(yùn)用所學(xué)原來對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果進(jìn)行分析，有助于學(xué)生理解材料科學(xué)基礎(chǔ)的實(shí)質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、數(shù)據(jù)處理能力、理論聯(lián)系實(shí)際能力、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果及解決實(shí)際問題的能力等。培養(yǎng)學(xué)生不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的能力等。支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)1.4、2.3、，4.2、12.2。四、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及學(xué)時(shí)安排序號(hào)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)類型實(shí)驗(yàn)要求每組人數(shù)備注1晶體結(jié)構(gòu)原子模型的堆垛與分析2綜合性必做22差熱分析2綜合性必做23熱重分析4綜合性必做24淬冷法研究相平衡4綜合性必做2五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)一晶體結(jié)構(gòu)原子模型的堆垛與分析實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?．熟悉面心立方、體心立方和密排六方晶體結(jié)構(gòu)中常用晶面、晶向的幾何位置、原子排列和密度；2．熟悉面心立方和密排六方晶體結(jié)構(gòu)中，密排面的堆垛順序；3．熟悉三種晶體結(jié)構(gòu)中的四面體間隙和八面體間隙的位置和分布；4．進(jìn)一步練習(xí)晶面和晶向指數(shù)的確定方法。實(shí)驗(yàn)設(shè)備：1．玻璃盒、涂有凡士林油的塑鋼球或乒乓球、醫(yī)用鑷子，每人一套。2．晶體結(jié)構(gòu)模型。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟：1．仔細(xì)觀察所給的晶胞模型，熟悉三種典型金屬晶體結(jié)構(gòu)空間原子的排列方法。2．用鑷子將球一個(gè)一個(gè)放入盒內(nèi)，堆垛出面心立方和體心立方晶體的（l00）、（110）、（111）晶面上原子的排列。3．逐個(gè)分析上述所堆晶面上原子分布特征，畫出原子分布，計(jì)算晶面密度。4．確定面心立方和體心立方晶體密排面和密排方向，并進(jìn)行標(biāo)注。5．在密排面上，用小球堆垛出體心立方、面心立方和密排六方晶體結(jié)構(gòu)。6．借助晶體結(jié)構(gòu)模型，分析體心立方、面心立方間隙位置。實(shí)驗(yàn)二差熱分析實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?．了解差熱分析的基本原理及儀器裝置；2．學(xué)習(xí)使用差熱分析方法鑒定未知礦物及分析被測試樣的結(jié)構(gòu)變化等相關(guān)信息。實(shí)驗(yàn)設(shè)備：差熱分析儀1．儀器組成：差熱分析儀主要由加熱爐，試樣支撐-測量系統(tǒng)（它主要包括差熱電偶、試樣容器、均熱板（或塊）及支撐桿等部件）、信號(hào)放大系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)組成。加熱爐依據(jù)測量的溫度范圍不同有低溫型(800-1000℃以下)，中溫型1200℃以下)，高溫型(1400-1600℃以下)。差熱電偶是把材質(zhì)相同的兩個(gè)熱電偶的相同極連接在一起，另外兩個(gè)極作為差熱電偶的輸出極輸出差熱電勢。差熱分析裝置示意圖1如所示。1-加熱爐；2-試樣；3-參比物；4-測溫?zé)犭娕迹?-溫差熱電偶；6-測溫元件；7-溫控原件圖1差熱分析裝置示意圖2．差熱測量系統(tǒng)：本儀器采用啞鈴型平板式差熱電偶，它檢測到的微伏級(jí)信號(hào)送入差熱放大器進(jìn)行放大。差熱放大器為直流放大器，它將微伏級(jí)的差熱信號(hào)放大后，送入記錄儀進(jìn)行采樣測量紀(jì)錄。3．溫度測量系統(tǒng)：測溫?zé)犭娕驾敵龅臒犭妱荩冉?jīng)過熱電偶冷端補(bǔ)償器，補(bǔ)償器的熱敏電阻裝在差熱儀主機(jī)內(nèi)。經(jīng)過冷端補(bǔ)償?shù)臏y溫電偶熱點(diǎn)勢經(jīng)過放大處理后，送入記錄儀進(jìn)行采樣測量紀(jì)錄。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟：1．開啟電源及水源，整機(jī)預(yù)熱30分鐘。2．抬起爐體，裝參比物樣品及被測樣品于熱偶板上，放下爐體，開啟冷卻水注意操作時(shí)動(dòng)作要輕，以免損傷主機(jī)及支承桿。3．差熱量程置所需量程檔，一般常用±100μV檔。之后置DTA調(diào)零鍵，此時(shí)調(diào)零指示燈滅，差熱放大器進(jìn)入測量狀態(tài)。4．開啟記錄儀電源，將溫度記錄單元輸入開關(guān)置調(diào)零位置，旋轉(zhuǎn)調(diào)零旋鈕，使溫度記錄筆置于記錄紙右端線，此端線即為初始端。之后將輸入開關(guān)至于測量為止，溫度筆將向左側(cè)移一段距離（表示室溫）。旋轉(zhuǎn)差熱記錄單元調(diào)零旋鈕，設(shè)置差熱記錄筆初始位置。5．根據(jù)不同的升溫速度選擇記錄儀走紙速度。一般情況下，10℃/min的升溫速度可選6cm/h檔，可根據(jù)不同要求選擇合適的走紙速度。6．置所需調(diào)溫速度，一般情況下，選擇10℃/min的升溫速度。之后置升溫鍵，置加熱鍵，加熱指示燈亮，加熱爐開始加熱，實(shí)驗(yàn)開始。7．實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后，先抬起兩只記錄筆；關(guān)斷加熱；關(guān)斷記錄儀電源；差熱量程置±1000μV檔；置差熱調(diào)零鍵。抬起加熱爐，當(dāng)加熱爐的溫度自然降下之后可以放下加熱爐，關(guān)斷水源及電源。實(shí)驗(yàn)三熱重分析實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?．掌握熱重分析的原理及實(shí)驗(yàn)方法。2．熟悉本實(shí)驗(yàn)所用儀器設(shè)備的性能，操作方法。3．學(xué)習(xí)使用熱重分析方法分析被測物質(zhì)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備：儀器裝置如圖2所示：1-立式管狀高溫爐；2-精密扭力天平；3-變壓器；4-電位差計(jì)；5-熱電偶；6-鉑金坩堝；7-鉑金吊絲；8-補(bǔ)償導(dǎo)線；9-熱電偶冷端補(bǔ)償器；10-電流表圖2熱重分析實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟：1．用鉑金絲將坩堝懸掛于精密扭力天平鉤上，精確稱出吊絲和坩堝的重量。2．取下坩堝，加入300mg左右的試樣，再稱出其重量。3．接通電源，選擇爐子以10℃/min升溫。4．每隔5分鐘稱量一次，并記錄相應(yīng)的溫度，試樣開始失重時(shí)，每隔1分鐘記錄一次，注意記錄失重開始和失重結(jié)束時(shí)的重量及對(duì)應(yīng)的溫度。5．實(shí)驗(yàn)完畢，切斷電源，請(qǐng)教師驗(yàn)收坩堝及吊絲。實(shí)驗(yàn)四淬冷法研究相平衡實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簭臒崃W(xué)角度建立系統(tǒng)狀態(tài)（物系中相的數(shù)目，相的組成及相的含量）和熱力學(xué)條件（溫度，壓力，時(shí)間等）以及動(dòng)力學(xué)條件（冷卻速率等）之間的關(guān)系。掌握靜態(tài)法研究相平衡的實(shí)驗(yàn)方法之一-淬冷法研究相平衡的實(shí)驗(yàn)方法及其優(yōu)缺點(diǎn)。掌握浸油試片的制作方法及顯微鏡的使用，驗(yàn)證Na2O—SiO2系統(tǒng)相圖。實(shí)驗(yàn)設(shè)備：1．儀器：（1）立管式電阻爐（2）可控硅溫度控制器（3）熱電偶（4）水浴盤（5）鉑銠坩堝（6）鉑金吊絲（7）偏光顯微鏡一套2.裝置：如圖3所示。1-立式管狀高溫爐；2-溫度控制器；3-熱電偶；4-水浴盤；5-鉑銠坩堝；6-鉑金吊絲3淬冷法研究相平衡裝置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟：取少量的試樣（0.01-0.02克Na2O：SiO2=1∶2摩爾比）置入鉑銠坩堝內(nèi)，用鉑金絲懸吊于爐膛內(nèi)，上下均加蓋。水浴盤內(nèi)盛上2/3的水，放至爐底，調(diào)整好顯微鏡。接通電源，將高溫爐升溫至800℃，保溫30分鐘，使試樣充分達(dá)到平衡狀態(tài)。打開高溫爐下蓋，用鑷子取下吊絲連同坩堝一并落入水浴盤中淬冷。從鉑銠坩堝內(nèi)取出試樣，在研缽內(nèi)輕砸成粉末（注意不能研磨），制成油浸在偏光顯微鏡下觀察有無晶體析出。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式實(shí)驗(yàn)名稱（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模ǘ?shí)驗(yàn)設(shè)備（三）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟（四）結(jié)果與分析（五）問題討論七、考核方式實(shí)驗(yàn)成績考核評(píng)定方式及標(biāo)準(zhǔn)見下表。實(shí)驗(yàn)成績考核評(píng)定表考核環(huán)節(jié)考核結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估項(xiàng)目及權(quán)重優(yōu)秀（90~100分）良好（80~90分）中等（70~80分）及格（60~70分）不及格（＜60分）課堂表現(xiàn)（60）無遲到，早退、缺席現(xiàn)象，遵守實(shí)驗(yàn)室紀(jì)律；能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)步驟，實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范；能準(zhǔn)確記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或數(shù)據(jù)；能夠?qū)?shí)驗(yàn)中遇到的問題進(jìn)行分析、討論，提出個(gè)人獨(dú)特見解。無缺席現(xiàn)象，偶爾遲到，早退現(xiàn)象，遵守實(shí)驗(yàn)室紀(jì)律；能夠完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求，操作規(guī)范；能正確記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；能夠?qū)?shí)驗(yàn)中遇到的問題進(jìn)行分析、討論，提出個(gè)人意見。無缺現(xiàn)象，偶爾遲到，早退現(xiàn)象，基本能遵守實(shí)驗(yàn)室紀(jì)律；能夠完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求，操作規(guī)范；能完整記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；能夠?qū)?shí)驗(yàn)中遇到的參與問題的分析、討論。有遲到，早退或缺席現(xiàn)象，基本能遵守實(shí)驗(yàn)室紀(jì)律；能夠基本完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求，操作基本規(guī)范；能基本完整記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)有缺席，不能遵守實(shí)驗(yàn)室紀(jì)律；不能根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，不能完成實(shí)驗(yàn)操作或操作不規(guī)范；不能正確記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)報(bào)告（40分）能夠獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，內(nèi)容完整，數(shù)據(jù)處理正確，圖表準(zhǔn)確規(guī)范；能夠?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入分析、討論，并得出準(zhǔn)確結(jié)論；能夠準(zhǔn)確回答實(shí)驗(yàn)報(bào)告中提出的問題。能夠獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，內(nèi)容完整，數(shù)據(jù)處理較正確，圖表較規(guī)范；能夠?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析、討論，并得出正確結(jié)論；能夠正確