任杰课程设计样本

1、攀枝花学院学生课程设计（论文）题 目：Ti-Fe合金二元相图测定方法的设计 学生 姓名： 任杰 学号：200911102047所在院(系)： 材料工程学院 专 业： 材料科学与工程 班 级： 2009级科学与工程一班 指导 教师： 邹建新 职称： 教授 2011年 12 月 12 日攀枝花学院教务处制 攀枝花学院本科学生课程设计任务书题目Ti-Fe合金二元相图测定方法的设计1、课程设计的目的学会通过实验绘制相图的基本方法。2、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）实际工业中，广泛使用合金。针对二元合金，要研究合金的性能，必须要知道合金的二元相图，在测定相图前，准确选择、设计

2、合理的测定方法非常重要。现有一Ti-Fe合金，请设计一个合适的二元相图的测定方法。具体内容包括：编制相图的原理，方法的选择，测定步骤，预计相图的草图及解释说明，等等。3、主要参考文献材料科学基础（张晓燕）第4章，P97-1004、课程设计工作进度计划课程设计工作进度计划：第15周周一，布置题目，提出设计内容要求，初步讲解撰写格式；周三周五，辅导答疑，学生撰写初稿，第16周上半周，学生撰写设计内容，下半周，辅导，检查报告的格式。17周，学生完成课程设计，上交作业。指导教师（签字）邹建新日期2011年 11 月 25 日教研室意见： 同意。 崔晏2011年12月 1 日学生（签字）： 接受任务时间

3、： 2011年12 月 12 日注：任务书由指导教师填写。 课程设计（论文）指导教师成绩评定表题目名称Ti-Fe合金二元相图测定方法的设计评分项目分值得分评价内涵工作表现20%01学习态度6遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。02科学实践、调研7通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。03课题工作量7按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。能力水平35%04综合运用知识的能力10能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。05应用文献的能力5能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课

4、题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。06设计（实验）能力，方案的设计能力5能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、操作等实验工作，数据正确、可靠；研究思路清晰、完整。07计算及计算机应用能力5具有较强的数据运算与处理能力；能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。08对计算或实验结果的分析能力（综合分析能力、技术经济分析能力）10具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。成果质量45%09插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度5符合本专业相关规范或规定要求；规范化符合本文件第五条要求。10设计说明书（论文）质量30综述简练完整，有见解；立论正确，论述充

5、分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。11创新10对前人工作有改进或突破，或有独特见解。成绩指导教师评语指导教师签名： 年月日攀枝花学院 本科课程设计Ti-Fe合金二元相图测定方法的设计学生姓名： 任 杰 学生学号： 200911102047 院（系）： 材料工程学院 年级专业：2009级材料科学与工程指导教师： 邹建新 教授 助理指导教师： 二一一年十二月攀枝花学院本科课程设计（论文） 摘要摘 要 相图是多相(二相或二相相以上)体系处于相平衡状态时体系的某物理性质(如温度)对体系的某一自变量(如组成)作图所得的图形，图中能反映出相平衡情况(相的数目及性质等)，故称为相图。二元或多元体系的

6、相图常以组成为自变量，其物理性质则大多取温度。由于相图能反映出多相平衡体系在不同自变量条什下的相平衡情况，因此，研究多相体系的性质，以及多相体系相平衡情况的演变，都要用到相图。实际工业生产中广泛使用合金，针对二元合金，要研究合金的性能，必须要知道其合金的二元相图，在测定相图前，准确选择、设计合理的测定方法非常重要。建立相图的方法有试验测定和理论计算两种，本文采用试验测定的方法建立相图，首先配置一系列成分不同的Ti-Fe合金，然后利用热分析法测定这一系列Ti-Fe合金的相变临界点（温度），根据实验室中测得的大量实验数据，用Microsoft graph软件分别绘制出冷却曲线和温度组成图。关键词

7、Ti-Fe合金，二元相图，测定方法，相图绘制攀枝花学院本科课程设计（论文） ABSTRACTABSTRACT hase II or phase II phase diagram is above the system when the system is in equilibrium State of a physical properties such as temperature on system consists of a variable such as mapping of the graphic, figure reflected in the number and nature

8、 of the equilibrium phase, it is called a phase diagram，phase diagram of binary or multiple system usually consists of arguments, most of its physical properties are temperature. Due to the system in phase equilibrium phase diagrams reflect multi - phase equilibrium under different arguments, theref

9、ore, study on the heterogeneous nature of the system, as well as the evolution of the phase equilibrium of multiphase systems, phase diagrams are used. Actual widely used alloys in industrial production, for a binary alloy, to examine the properties of alloys must know its binary alloy phase diagram

10、, prior to the determination of phase diagrams, accurate determination method of selection, design is important. Build phase diagram method of test and theoretical calculation of two kinds, using test method for determination of phase diagrams in this article, first configure a series of components

11、of TI-Fe alloys, and then using thermal analysis method for the determination of the phase transition point of a series of TI-Fe alloy ( temperature ), based on a large number of experimental data measured in the laboratory, with Microsoft Graph software drawing up of cooling curves and temperature

12、- map respectively.Key words Ti-Fe alloys, binary phase diagram, determination method, the phase diagram drawing.攀枝花学院本科课程设计（论文） 目录目 录摘 要ABSTRACT1 绪论21.1 课题背景21.1.1合金21.1.2 钛合金22 绘制二元合金相图的原理32.1 相图的概念32.2 相图测定的基本方法3 2.3 绘制相图的原理33 Ti-Fe合金的简介43.1 纯钛43.2钛铁合金44 Ti-Fe合金相图的绘制54.1合金的配制64.2 步冷曲线的绘制74.3 热电偶工

13、作原理84.4 Ti-Fe合金相图的绘制84.4.1 绘制热电偶工作曲线94.4.2 绘制相图95 结论10参考文献11 致 谢121攀枝花学院本科课程设计（论文） 绪论1绪 论1.1 课题背景1.1.1合金合金是一种金属元素和一种或几种其它元素（金属或者非金属均可）熔合后而组成的具有金属特性的物质。组成合金最基本的、能独立存在的物质称为组元，简称元。绝大多数情况下，组元即是构成合金的元素。根据组元的数量，可分为二元合金、三元合金或多元合金。如简单黄铜是由铜和锌两种元素组成的二元合金；硬铝是由铝、铜、镁三种元素组成的三元合金。1.1.2 钛合金 钛是周期表中第B类元素，外观似钢，熔点达1 67

14、2 ，属难熔金属。钛在地壳中含量较丰富，远高于Cu、Zn、Sn、Pb等常见金属。我国钛的资源极为丰富，仅四川攀枝花地区发现的特大型钒钛磁铁矿中，伴生钛金属储量约达4.2亿吨，接近国外探明钛储量的总和。先进材料钛及钛合金的应用与前沿技术的发展一直是当前材料领域的热点研究课题之一。本文从钛合金的应用与前沿发展为基点出发，列举了钛合金的研究和应用在国内外取得的重大进步，并试图阐述钛合金最近一些前沿技术与中国现代化科技强国目标、西部大开发的关系，分析其优势与局限性，并展望发展趋势。纯钛机械性能强，可塑性好，易于加工，如有杂质，特别是0、N、C等元素存在，会提高钛的强度和硬度，但会降低其塑性，增加脆性。

15、钛是容易钝化的金属，且在含氧环境中，其钝化膜在受到破坏后还能自行愈合。因此，钛对空气、水和若干腐蚀介质都是稳定的。钛和钛合金有优异的耐蚀性，只能被氢氟酸和中等浓度的强碱溶液所侵蚀。特别是钛对海水很稳定，将钛或钛合金放入海水中数年，取出后，仍光亮如初，远优于不锈钢。钛的另一重要特性是密度小。其强度是不锈钢的3.5倍，铝合金的1.3倍，是目前所有工业金属材料中最高的。液态的钛几乎能溶解所有的金属，形成固溶体或金属化合物等各种合金。合金元素如A1、V、Zr、Sn、Si、Mo和Mn等的加入，可改善钛的性能，以适应不同部门的需要。例如，Ti-A1-Sn合金有很高的热稳定性，可在相当高的温度下长时间工作；

16、以Ti-Al-V合金为代表的超塑性合金，可以50150地伸长加工成型，其最大伸长可达到2 000。而一般合金的塑性加工的伸长率最大不超过30。由于上述优异性能，钛享有“未来的金属”的美称，钛合金已广泛用于国民经济各部门，它是火箭、导弹和航天飞机不可缺少的材料。2攀枝花学院本科课程设计（论文） 编制二元合金相图原理2 编制二元合金相图的原理2.1相图的概念 相图（phase diagram），也称相态图、相平衡状态图，是用来表示相平衡1系统的组成与一些参数（如温度、压力）之间关系的一种图。它在物理化学、矿物学和材料科学中具有很重要的地位。广义定义，相图是在给定条件下体系中各相之间建立平衡后热力学

17、变量强度变量的轨迹的稽核表达，相图表达的是平衡态，严格说是相平衡图。采用的热力学变量不同构成不同的相图。材料学工作者最关心的是凝聚态。相图不能说明平衡过程的动力学，不能判断体系可能出现的亚稳相。对于多相体系，各相间的相互转化，新相的形成，旧相的消失与温度，压力，组成有关。根据实验数据给出固态不互溶系统的相图（低共熔混合物）的表示相变规律的各种几何图形称为相图。从这种几何图形上，可以直观看出多相体系中各种聚集状态和它们所处的条件（温度，压力，组成）。金属及其他工程材料的性能决定于其内部的组织、结构，金属等材料的组织又由基本的相所组成。由一个相所组成的组织叫单相组织，两个或两个以上的相组成的叫两相

18、或多相组织。相图就是用来表示材料相的状态和温度及成分关系的综合图形，其所表示的相的状态是平衡状态。表达混合材料性质的一种很简便的方式就是相图。二元相图可以看作是标示出两种材料混合物稳定相区域的一种图，这些相区域是组成百分比和温度的函数。相图也可能依赖于气压。2.2 相图测定的基本方法建立相图的方法有试验测定和理论计算两种，但目前所用的相图大部分都是根据试验方法建立起来的1。通过试验测定相图时，首先要配制一系列成分不同的合金，然后再测定这些合金的相变临界点（温度），如液相固相转变的临界点（结晶温度），固态相变临界点，最后把这些点标在温度成分坐标图上，把各相同意义的点联结成线，这些线就在坐标图中划

19、分出一些区域，这些区域即称为相区，将各相区所存在的相的名称标出来，相图的建立工作完成。测定临界点的方法有很多，如热分析法，金相法，膨胀法，磁性法，电阻法，X射线结构分析法等2。除金相法及X射线结构分析法外，其他方法都是利用合金的状态发生变化时，将引起合金某些性质的突变来测定其临界点的。为了精确地测定相图，应配制多数目的合金，采用高纯度金属和先进的试验设备，并同时采用几种不同3攀枝花学院本科课程设计（论文） 编制二元合金相图原理的方法进行测定2。2.3 绘制相图的原理 热分析法是绘制相图最常用的基本方法之一3。其基本原理是，当体系缓慢而均匀地冷却时，如果体系内不发生相变化，则温度将随时间而均匀地

20、改变，当体系内有相的变化发生时，由于相变潜热的出现，所以，温度时间图上就会出现转折点（表示温度随时间的变化率发生了变化）或水平段（温度不随时间而变化）。通常的做法是先将体系全部熔化，然后让其在一定的环境中自行冷却，并每隔一定的时间记录一次温度，以温度为纵坐标，时间为横坐标，绘制步冷曲线。如图，当体系均匀冷却时，如果体系不发生相变，则体系的温度随时间的变化是均匀的，冷却也较快（如图中ab线段）。若在冷却过程中发生了相变化，由于在相变过程中伴随有热效应，所以体系随时间的变化速度将发生改变，体系的冷却速度减慢，步冷曲线出现转折点（如图中b点）。当熔液继续冷却到某一点时（如图中c点），由于此时熔液的组

21、成已达到最低共熔混合物的组成，故有最低共熔混合物析出，在最低共熔混合物完全凝固以前，体系温度保持不变，因此步冷曲线出现平台（如图中cd段）。当熔液完全凝固后，温度才迅速下降（如图中de段）3。由此可知，对组成一定的二组分低共熔混合物体系来说，可以根据它的步冷曲线，判断有固体析出时的温度和最低共熔点的温度，如果作出一系列组成不同的体系的步冷曲线，从中找出对应各转折点，即能画出二组分体系的温度组成图。4攀枝花学院本科课程设计（论文） Ti-Fe合金简介3 Ti-Fe合金的简介3.1 纯钛 钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属4。含一定量的氧、氮、碳、硅、铁及其他元素杂质的相钛。具有优良

22、的冲压工艺性能，好的焊接性能，对热处理及组织类型不敏感，在令人满意的塑性条件下具有一定的强度。工业纯钛是按照杂质元素的含量划分等级的。它的强度主要取决于间隙元素氧、氮的含量。它在海水中具有高的抗腐蚀性能，但在无机酸中较差。一般用于制造在-253350温度下工作的、受力不大的各种板材零件或锻件，也可制造铆钉线材和管材。3.2 钛铁合金钛与铁的中间合金。用作钢铁的纯化剂4。高碳钛铁含17钛、7碳，余量铁用于净化钢的钢水包添加剂。低碳钛铁合金含钛2025、碳0.10、硅4、铅3.5，余为铁，用作还原剂，均采用钛铁矿在电炉中炼制。在铁钢中加入各种金属和非金属元素，能创造出各种不同性能，钛比重低，仅为4

23、.5克/毫升，熔点又高，为1690，又易氧化，在钢液面上被氧化烧掉很多，损失太大，又不易控制含量，并且单体金属制取工艺复杂，生产成本高，价格昂贵等等，因此不适合以纯金属和非金属单体状态在炼钢时直接加入钢液中。为此冶金工作者们研究制出了这些元素和铁的合金，就叫做“铁合金”，钛元素和铁的合金熔点和钢接近，比重和钢差不多，又不易氧化，其生产工艺又比生产该纯金属和非金属简单，生产成本比纯的单体金属和非金属低的多，价格低，特别适合于炼钢和生产各种高科技材料中使用。因此铁合金成为炼钢和新材料工业中的重要材料。目前的铁合金品种有二元的和多元的铁合金数十种，其中钛铁属于用量最大的二元铁合金之一5。4 Ti-F

24、e合金相图的绘制4.1合金的配制 用台秤分别配制含Ti10、20、30、40、50、60、70、80和90的Ti-Fe混合物各60克，以及纯Ti、纯Fe各50克，将以上5个样品分别装入样品管中，再各加入少许石墨粉（减缓金属氧化），最后将带橡皮塞的玻璃套管插入样品管，待用。4.2 步冷曲线的绘制 对于二组分固态不互溶凝聚系统（A-B系统），其典型冷却曲线形状大致有三种形态，见图41所示。5攀枝花学院本科课程设计（论文） Ti-Fe合金相图绘制图41图41(a)体系是单组分体系。在冷却过程中，在aa1段是单相区，只有液相，没有相变发生，温度下降速度较均匀，曲线平滑。冷却到a1时，达到物质的凝固点，

25、有固相开始析出，两相共存，自由度为零，温度保持不变，冷却曲线出现平台（温度不随时间而改变）。当到达a1点液相完全消失，系统成为单一固相，自由度为1，此后随着冷却，温度不断下降。图41(b)体系是一般二元混合物。在冷却过程中，在bb1段是单相区，只有液相，没有相变发生，温度下降速度较均匀，曲线平滑。冷却到b1时，开始析出A(s),体系发生部分相变，相变潜热部分补偿环境吸收的热量，从而减慢了体系温度下降速度，步冷曲线出现转折点（拐点），即b1b2段。继续冷却，固体A不断析出，与之平衡的液相中B的含量不断增加，温度不断下降。达到b2点时，液相不仅对固体A而且对固相B也达到饱和，所以两固相开始同时析出

26、，三相共存，自由度为0，温度保持不变，冷却曲线出现平台。当到达b2点液相完全消失，系统成为两固相，自由度为1，此后随着冷却，温度不断下降。图41(c)体系是低共融体系。在冷却过程中，在cc1段是液相区，没有相变发生，温度下降速度较均匀，曲线平滑。达到c1点时，液相对固相A和固相B同时达到饱和，所以两固相同时析出，三相共存，自由度为零，温度保持不变，冷却曲线出现平台。c1后面和图41(b)体系b2点以后的过程相同。我们不清楚钛铁合金步冷曲线属于以上哪一种，只能通过测得的实验数据来进行分析，操作步骤如下：由于本实验使用的热电偶在温差较大时，其输出的温差电势超过了记录仪的最大量程5mV，因此必须在热

27、电偶与记录仪之间接入分压器，适当调整分压器，也就是把温差产生的电势差按特定比例打个折，可使整个测量数据在记录仪的有效显示量程范围内。分压器调整的具体做法是：开启记录仪电源，将热电偶的热端插入烧瓶玻璃套管内，注意要使热电偶的端头位于瓶内水面处，用电热套加热烧瓶内的水，待水沸腾后，关闭电热套电源，将分压器紧靠在记录仪铁板墙边或某处进行调节，使记录仪笔尖恰好位于1.00mV处（也就是记录纸上20小格的位置）即可。注意：分压器调好后，整个实验过程就不可再调整、挪动它，也不要关闭电源，以免100度的温差电势6差分压标准发生变化。将盛有纯Fe、30Ti、57Ti、70或80Ti及纯Ti的被测样品管放入坩埚

28、电炉中加热熔化（头批一般2030分钟，后面循环使用时一般10分钟左右），待金属完全熔化后，用样品管内的玻璃套管轻轻搅拌金属熔液，使其均匀，然后将样品管取出-哪个好了就取哪个，迅速放入已升温过的保温冷却台中（保温冷却台的加热电压一开始可以是100V，35分钟后应降低到25 V以下），将热电偶热端插入样品管的玻璃套管内（注意要插到底），开启记录仪的走纸记录开关-走纸速度事先调好，不要变动，开始记录其冷却曲线。一直记录到样品的最后一个相变点出现后再降低0.3mV左右，即告测定完毕。从记录纸上准确读取并记录各拐点的mV值（精确到0.05mV）6。 金属熔化后，切勿将样品横置，以防金属熔液流出烫伤人体。

29、另外，取热样品管时一定要戴手套，且不能从别人的头上或肩上的空中移过，以防样品管突然破裂而烫伤人体。在测定当前样品冷却曲线的同时，可将下一个样品放入坩埚电炉里加热熔化，以节省时间，但应注意样品加热时间不可太长，温度不能过高，否则样品容易被氧化。测定70或80Ti样品时，当温度降至约250以后，需要转动玻璃套管以轻轻搅动熔液，直至第一拐点出现为止。公用的坩锅电炉的电压和控制器由老师依气候和实验进程设定。某些时候，我们会发现冷却曲线的拐点处为一回沟形状(见图42)，即温度下降到相变点以下，而后又回升上来，这种现象叫过冷现象6。图42将取出的炽热样刚放入保温冷却台中时，记录的曲线降得比较急，而后显著变

30、缓，好像有个拐点。其实这是样品管的温度与保温冷却台的温度相差过大、对流传热以及传导传热起初过快的原因，应注意识别。严格地讲，应始终使二者的温差保持一个较小的恒定值，但实际很难做到。有时，我们发现纯Ti的相变点的温度明显高于正常值，这是因为样品的使用次数过多，组分有部分被氧化的缘故，使7攀枝花学院本科课程设计（论文） Ti-Fe合金相图绘制得数据有偏差。要完全克服这个问题，技术上有点难度。4.3 热电偶工作原理 由上可知，只要读取冷却曲线上各相应的相变开始点-也叫拐点7 (即斜率变化点)的温度值，以及样品的组成，就可以方便地绘出冷却曲线，进而得到相图来。本实验采用热电偶测定温度7。热电偶将温度转

31、换成电压信号（温差电势），通过自动平衡记录仪或X-Y多通道数据采集仪连续采集体系的温度，从而得到所需的冷却曲线。通过数条冷却曲线，即可绘出二元相图。在一定温度范围内，铜康铜热电偶输出的温差电势与其热端和冷端的温度差成近似线性关系，为此只要绘制出热电偶的工作曲线（电势差温差曲线），即可通过它的线性关系较方便地查到各mV值所对应的温度。热电偶工作曲线的绘制办法是，固定热电偶冷端的温度0，取三个温度点（沸水、纯锡凝固点、纯秘凝固点）的温度为横坐标，其对应的温差电势为纵坐标，三点连线，作电势差温差曲线图。当然，在仪器的系统误差很小的前提下，也可不做热点偶工作曲线，而是按照仪器读取的电势差值;铜康铜热电

32、偶值分度表，得出对应的温度来。4.4 Ti-Fe合金相图的绘制4.4.1 绘制热电偶工作曲线以水的沸点（100），纯Ti的熔点（271）和纯Fe的熔点（232）为横坐标，以它们在冷却曲线上相应拐点的温差电势（mV）为纵坐标，作热电偶工作曲线9 ，于水军等 用Microsoft Graph绘制二元合金相图 化学教育2008年第03期.。也可不绘制热电偶工作曲线，而直接使用热电偶分度值表查出对应的拐点温度。前提是全套仪器的误差很小，相变过程明显而且均匀。 4.4.2 绘制相图从热电偶工作曲线上分别查出各样品拐点处温差电势（mV）所对应的温度，以温度为纵坐标，合金组成（以Ti含量计）为横坐标，绘制出Ti-Fe二元合金的简化相图8。3.数据记录参考格式室内气压：KPa合 mmHg以铜康铜热电偶传输温差信号样品水（沸点）纯Fe30 %Ti57 %Ti% Ti纯TimVmVmVmVmVmVmV第一拐点100232271第二拐点无无无无8攀枝花学院本科课程设计（论文） Ti-Fe合金相图绘制将实验测得的数据导入Microsoft graph10，可以绘制出以下Ti-Fe合金相图。 由Microsoft graph导出的相图，我们可以对其进行分析，由图可知，Ti-Fe合金在1660以上为液相，随着温度的降低，在含钛量为7%-8%的区间内，结晶出铁，随着温度的继续降低，在