材料性能学实验

1. 材料性能学实验

2. 实 验 说 明 • 本实验属于材料科学工程及金属材料工程专业基础课中的实验。 • 本实验是针对材料科学工程及金属材料工程专业进行的专业实验技能拓展方面的基本训练，锻炼学生在材料拉伸、材料硬度测试、材料热膨胀以及材料的光学性能等方面的实验技能和应用书本知识的能力。 • 本实验包括四个子实验。

3. 实验一：低碳钢和铸铁的拉伸、压缩实验 一、实验目的 观察试件在拉伸、压缩过程中受力和变形的相互关系。 测定材料的强度指标和塑性指标。 分析比较低碳钢和铸铁的力学性能特点与试样破坏特征。

4. 二、实验原理 在低碳钢的拉伸曲线的每一段表现出的材料力学性能截然不同。通过对低碳钢进行拉伸、压缩试验，使学生加深对材料力学性能的理解。

5. 三、实验仪器、设备及材料 1.实验设备： WDW3200耐热合金试验机（国产）。 2.实验材料：低碳钢 Q235。

6. 四、实验内容 • 低碳钢 Q235在WDW3200耐热合金试验机上进行拉伸试验。 • 低碳钢 Q235在WDW3200耐热合金试验机上进行压缩试验。

7. 五、实验步骤 （一）拉伸实验 1. 试样准备 在试样中段取一定标距，并在标距两端做标志。用游标卡尺在试样标距范围内，测量两端及中间三处直径，每处在互相垂直方向各测一次，共六次，取三处中最小一处之平均直径做为计算变形前横截面面积之用。 2. 安装试样 开动机器，先将试样安装在试验机的上夹头内，调整下夹头至适当位置，将试样下端夹紧。 3. 进行试验 设置试样参数及试验参数，联机后开始缓慢匀速加载，直至试样断裂为止。取下试样，将断裂试样对紧在一起，测量拉断后的标距，及断口(颈缩)处的直径。测端口直径时在断口处互相垂直方向各测一次，取其平均值，计算断口处截面面积。

8. （二）压缩实验 1.用游标卡尺测量试样直径，方法是在试样原始标距中点处两个相互垂直的方向上测量直径，并取其算术平均值。 2.安装试样 准确地将试样置于试验机活动平台的支承垫板中心处。 3.调整试验机夹头间距，当试样接近上支承板时，开始缓慢、均匀加载。 4.对于低碳钢试样，将试样压成鼓形即可停止试验。对于铸铁试样，加载到试样破坏时立即停止试验，以免试样进一步被压碎。

9. 六、实验结果处理 1、 低碳钢 屈服强度： 抗拉强度： 断后延伸率： 断后截面收缩率： 2、 铸铁 抗拉、抗压强度:

10. 七、思考题及讨论题 思考题： 1、试比较低碳钢和铸铁在拉伸时的力学性能。 2、为什么铸铁试样压缩时，破坏面常发生在与轴线大致成45～55度的方向上？ 3、试比较塑性材料和脆性材料在压缩时的变形及破坏形式有什么不同？ 4、低碳钢和铸铁在拉伸、压缩时，各要测得哪些数据？观察哪些现象？

11. 讨 论 题: 1. 低碳钢、中碳钢、高碳钢的主要力学性能有哪些明显不同？它们的应用领域有哪些明显不同？ 2. 淬火获得的马氏体相能否直接使用？为什么？

12. 实验二：材料的硬度实验 • 一、实验目的 • 了解硬度测定的基本原理及常用硬度实验法的应用范围 • 学会正确使用硬度计

13. 二、实验原理 • 洛氏硬度是先后依次施加载荷（初载荷P0及主载荷P1）的条件下，将标准压头（金刚石圆锥体或小钢球）压入式样表面进行的。

14. 三、实验仪器、设备及材料 • HR-150A型洛氏硬度计； • 退火的45钢； • 淬火的45钢；

15. 四、实验内容 • 使用HR-150A型洛氏硬度计测量退火的45钢的HRA硬度； • 使用HR-150A型洛氏硬度计测量淬火的45钢的HRA硬度； • 介绍显微韦氏硬度计的使用方法。

16. 五、实验步骤及方法 • 准备工作：1、选定压头及载荷。2、试验力的选择，转动手柄使所选用的试验力对准红点。 • 实验步骤：(1)将平整、无油污、无氧化物及明显加工痕迹的试样置于工作台上，旋转手轮使工作台缓慢上升，顶起压头，到小指针指着红点，，大指针旋转三圈垂直向上为止（允许相差±5个刻度，若超过5个刻度，此点应作废，重新试验）。注意试样厚度不小于压入深度的十倍。 • (2)旋转指示器外壳，使C、B之间长刻度线与大指针对正（顺时针和逆时针旋转均可）。 • (3)拉动加荷手柄，施加主试验力，指示器的的大指针按逆时针方向转动，当指针的转动显著停下来后，即可将卸荷手柄推回，卸除主试验力。 • (4)卸载后在洛氏硬度计上直接读洛氏硬度值。采用金刚石压头时，按表盘外圈的黑字读取，采用钢球压头实验时，按表盘内圈的红字读取。 • (5)转动手轮使试件下降，再移动试件，按以上过程进行新的试验。注意打硬度点处两相邻压痕离试样边缘之距不小于3mm。

17. 六、思考题 • 实际生产中，为什么零件设计图上一般是提出硬度技术要求而不是强度或塑性值？

18. 实验三：金属线膨胀系数的测定 一、实验目的 • 学会用干涉量度法测量固体试件长度的微小变化； • 测量黄铜的线膨胀系数（或称线膨胀率）。

19. 二、实验原理 固体受热后，其长度的增加称为线膨胀。 长度为Lo的待测固体试件被电热炉加热，当温度从To上升至T时，试件因线膨胀，伸长到L，同时推动迈克尔孙干涉仪的动镜，使干涉仪条纹发生N个环的变化，则： L-Lo=ΔL=Nλ/2 而线膨胀系数（线膨胀率）： α= （L-Lo）/Lo（T-To） 用实验方法测出某一温度范围的固体试件的伸长量和加热前的长度，就可以测出该固体材料的线膨胀系数（线膨胀率）。

20. 实验原理示意图

21. 三、实验仪器、设备及材料 • SGR---1型热膨胀实验装置， • 铜杆， • 游标卡尺。

22. 四、实验内容 • 借助氦氖激光器为光源，利用迈克尔逊干涉原理，测量黄铜圆杆的线膨胀系数。

23. 五、实验步骤及方法 • 采用升高温度10℃测量试件伸长量，测量前，先将温控仪选择开关置于“设定”，转动设定旋钮，直到显示出设定温度（设定温度=基础温度+温升+2.8℃，在测量范围内通常比设定温度大约低2.8℃时，加热电炉被切断）。 • 设定温度后，将选择开关置于“测量”，记录试件初始温度To，认准干涉图样中心的形态，按“加热”键，同时仔细默数干涉环的变化量。待达到预定数时，记录温度显示T，当接近和达到设定温度时，红灯亮（绿灯闪灭），加热电路自动切断。一种样品测试完毕后，直接按“暂停”键，手控停止加热。当室温低于试件的线性变化范围时，可加热至所需温度，再开始实验测量。 • 不用自动控制时，清将设定温度定在60℃以上。

24. 六、思考题 • 借助氦氖激光器测量黄铜的线膨胀系数，你对光学测量及机械测量有何感想？

25. 实验四:半导体泵浦激光器验证非线性光学现象实验四:半导体泵浦激光器验证非线性光学现象 • 一、实验目的 • 1. 了解半导体泵浦激光器的组成。 • 2. 验证非线性光学现象。

26. 二、实验原理 • 非线性光学现象的理论依据 • 在弱光领域，在线性光学范围，电极化强度P与电场强度E保持线性关系，其关系式可写成：P＝χε E，其中χ为电介质的极化率。 • 而在强光领域，在非线性光学范围，电极化强度P与场强E的关系呈现出非线性关系，其关系式可写成：P＝χ（1）ε E＋χ（2）ε E2＋χ（3）ε E3＋…。 • 可见，材料的光学非线性效应是χ和E的一次项以及χ和E更高次幂项共同起作用的结果。

27. 三、实验仪器、设备及材料 半导体泵浦激光原理实验装置 氦氖激光器

28. 四、实验内容 • 使用半导体泵浦激光器验证非线性光学现象中的倍频效应。 • 观察氦氖激光器的出光现象。 • 对这两种激光器加以比较。

29. 五、实验步骤及方法 • 观察并了解氦氖激光器。 • 观察并了解半导体泵浦激光器之每一部分的出光，并使用白纸观察光点的成像。 • 仔细观察非线性光学现象的产生过程。

30. 六、思考题 • 808nm的激光为什么呈现红色？ • 氦氖激光器和半导体泵浦激光器的激光工作物质分别是什么？ • 你如何理解光经过光学谐振腔使得激光得到过滤并放大？ • 本实验使用半导体泵浦激光器，其光学谐振腔的具体位置在哪里？