材料科学基础实验教学大纲

材料科学基础实验

Experiments for Fundamentals of Materials Science

课程类别

专必

课程编码

MSE211

开课单位

材料科学与工程学院

学分

1.5

学时

54

授课年级

2020

面向专业/大类

材料物理Materials Physics,材料化学Materials Chemistry,高分子材料与工程Macromolecular Materials and Engineering

课程负责人

艾斌

先修课程

《材料科学基础》

是否为一年级大类基础课程，且期末考核形式为“考试”

否

课程目的与

教学基本要求

（应与课程思政相结合，体现思政要求）

《材料科学基础实验》是与《材料科学基础》理论课相配套的实验课。该课程的主要目的是使学生巩固和加深课堂所学的《材料科学基础》的理论知识，培养学生理论联系实际，自己动手分析问题和解决问题的能力，并掌握材料科学中一些常见的样品制备、材料性能测试技术，为学生今后开展材料科学相关的实验研究打下坚实的基础。

本课程要求学生牢固掌握金相制样、金相观察、材料热处理、硬度、拉伸等力学性能测试、相图等热学性能测试的原理及方法；要求学生一般掌握电阻率、方块电阻、导热系数、介质损耗等测量原理及方法；要求学生一般了解一些通用测量技术譬如温度测量技术、硬度测量技术等。

在课程思政方面，将中山大学“德才兼备、家国情怀、领袖气质”的人才培养目标贯穿到整个实验的各个环节中，譬如，通过对实验操作的讲解提升学生的安全意识，通过实验环节的要求提高学生独立进行实验研究的能力并培养学生认真细致、一丝不苟的实验态度，通过实验内容的设计提高学生理论联系实际、学以致用的能力，通过对实验报告的要求，提高学生独立思考、严谨求实、不能弄虚作假的科学精神；通过介绍相关领域的知识背景，拓宽学生的知识面，激发学生勤奋学习、努力成才的热情。

章节次序及名称(细化至节，必填)

主要教学内容(必填)

所需学时(必填)

课程思政元素(必填)

重点、难点(选填)

周次(选填)

备注(选填)

实验内容及课程安排，实验过程及要求（包括预习要求、 实验前要求、 实验过程要求、实验报告撰写要求），

实验数据的处理（包括误差、不确定度、有效数字、列表、作图、数据处理及拟合）、实验报告及评分标准，各实验项目注意事项，

2

掌握正确的实验方法（观察实验并记录实验结果），学会对实验结果进行分析、计算实验结果的误差或不确定度，掌握一些基本的数据处理及拟合方法，为学生今后从事科学研究工作打下扎实的实验技能基础。通过对实验报告（数据处理、误差分析、实验总结与反思须体现个人独到见解）的要求、提高学生独立思考、严谨求实、不能弄虚作假的科学精神

第1 周

还会向同学们演示往届学生优秀的实验报告，此外，也会演示因误操作造成的事故现场照片。

金相试样制备实验

4

金相分析是研究材料内部组织和缺陷最重要、最基础的方法。在金相学的发展历史中，绝大部分研究工作是借助于金相分析完成的，而其中金相制样是至关重要的一个环节。通过金相试样的制备过程训练，可以提高学生们的动手能力，激发学习兴趣，培养学生工匠精神。该项实验内容的开展将会结合我国金属材料研究历史过程中的一些重要进展来进行拓展，激发学生们努力学习并学以致用的热情。

第2 周

学习金相试样的制备方法，如切割、打磨、抛光、腐蚀等工艺

铁碳合金平衡组织观察及性能分析

4

本课程将介绍金相显微镜的发展历程、操作步骤以及金相显微镜在材料研究中的重要作用和意义。金相显微镜，是材料科学领域研究金相组织的重要工具。铁碳合金是研究钢铁材料的基础，本项目内容将以钢铁材料在我们日常生活与工业中的应用为引导，启发学生们对于金属材料的组织与性能及最终应用之间的联系。这里可介绍我国钢铁行业的重要发展历程及重要贡献，如鞍山钢铁等。

第3 周

了解和掌握金相显微镜的工作原理、结构和使用方法；了解金属材料的显微组织特征

金属材料力热性能测试

4

杨氏模量是描述材料形变能力的重要物理量，是选定机械零件材料的依据之一，是工程技术设计中重要的物理参量。线膨胀系数源于材料的“热胀冷缩”特性，对于工程结构的设计，机械尤其是精密仪器的制造，材料的加工如焊接等非常重要。此实验设计材料的应用性能，这里会结合国内外具有影响力的著名事件并以此为启发，激发和培养学生严谨、一丝不苟的科学态度，引导和培养学生对待科研工作的高度责任感。

第4 周

掌握动态杨氏模量测试原理和方法；掌握线膨胀系数的定义和测试原理，学会测量金属材料的线膨胀系数

碳钢淬火、回火后的组织观察与分析

4

热处理是一种很重要的热加工工艺方法，也是充分发挥金属材料性能潜力的重要手段。热处理的主要目的是改变钢的性能，包括使用性能及工艺性能。根据材料成分利用相图来设计材料的热处理工艺，并最终获得所需的材料性能（本项目主要考察力学性能），是学生们需要掌握的重点内容，这里要求学生们学会设计相关热处理工艺。该项目可通过材料经过加热等一系列处理过程，最终获得所需要的性能并得以应用这一角度出发，引导学生思考:我们每一个人都需经过刻苦学习进而收获知识与技能，为祖国建设贡献自己的力量并最终实现个人价值。热处理一般可分为四种类型：退火、正火、淬火、回火。本项目开展其中两个热处理类型，即淬火及回火。同时课程过程中可介绍一些典型的钢铁材料的淬火及回火热处理研究过程，使学生们了解金属材料的研究与应用进展。

第5 周

利用马弗炉来对样品进行热处理；对碳钢淬火、回火后的组织观察与分析

碳钢退火、正火后的组织观察与分析

4

热处理是一种很重要的热加工工艺方法，也是充分发挥金属材料性能潜力的重要手段。热处理的主要目的是改变钢的性能，包括使用性能及工艺性能。根据材料成分利用相图来设计材料的热处理工艺，并最终获得所需的材料性能（本项目主要考察力学性能），是学生们需要掌握的重点内容，这里要求学生们学会设计相关热处理工艺。该项目可通过材料经过加热等一系列处理过程，最终获得所需要的性能并得以应用这一角度出发，引导学生思考:我们每一个人都需经过刻苦学习进而收获知识与技能，为祖国建设贡献自己的力量并最终实现个人价值。热处理一般可分为四种类型：退火、正火、淬火、回火。本项目开展其中两个热处理类型，即淬火及回火。同时课程过程中可介绍一些典型的钢铁材料的淬火及回火热处理研究过程，使学生们了解金属材料的研究与应用进展。

第6 周

对碳钢退火、正火后的组织观察与分析

材料拉伸、弯曲、压缩力学性能测量

4

拉伸试验是指在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的试验方法，在结构材料（桥梁、高层建筑、潜水艇压力外壳）筛选中的重要作用。此处可以通过关联一些典型的因力学问题而引起的事故，比如机械故障或仪表失灵引起的空难，激发学生对相关知识重要性的认知。

第7 周

掌握材料力学性能测试的原理和方法

超声波的产生、传播及测量应用

4

此处从材料缺陷的危害出发，引导学生意识到工作认真细心，一丝不苟的重要意义所在。同时通过介绍超声探伤的发展历史和重要作用，勉励学生要不断创新，开发出更多更新的材料内部缺陷表征手段。

第8 周

了解超声波探伤的原理及应用

材料磁学性能的测量

4

本实验可从磁性材料的广泛应用，当前磁性材料及磁学前沿研究现状，如巨磁电阻、磁存储，磁单极子的等，介绍我们国家科学家的努力以及当前在此方向的国际学术地位，激发学生的创新热情和爱国热情，引导学生为中华民族的伟大复兴而努力。

第9 周

铁磁材料的静态磁特性测量；磁性材料的交流磁化率测量

共晶合金相图测量

4

相图的意义及应用介绍，让学生了解到相图对于开发新材料的巨大的指导意义。通过让学生亲手测量共晶相图，激发同学们学习相图理论的热情。

第10 周

了解金属相图的测试原理和实验方法；掌握通过测量步冷曲线绘制共晶合金相图的方法

材料导热系数测试

4

导热材料的应用介绍。介绍绝热材料和导热材料在航空航天和集成电路（半导体芯片散热）等领域的重要应用，激发同学们对材料导热性能测试的热情。

第11 周

了解准稳态法测量不良导体的导热系数和比热的原理和实验方法；了解稳态平板法（平板热流计法）测量材料导热系数的原理和实验方法

四探针法测量半导体电阻率和薄层电阻

4

半导体材料的应用介绍，让同学们了解到目前我国与美国、日本等发达国家在高端半导体材料领域的巨大差距，激发同学们努力学习，积极投身于半导体材料研发的热情，并树立科技报国的理想和信念。

第12 周

了解四探针法测量半导体电阻率及薄层电阻的原理；学会使用四探针法测量半导体电阻率及薄层电阻

绝缘材料介电常数和介电损耗测试

4

绝缘材料的应用介绍，特别是在高频电场下应用时对绝缘材料提出了一些特殊要求的介绍，激发同学们学习绝缘材料性能测试的热情。

第13 周

了解Q表法测量绝缘材料介电常数和介电损耗的原理；会用Q表法测量绝缘材料的介电常数和介电损耗

学期末补做实验，期终实验报告点评

4

无

第14 周

无