Úvod
Čisté železo se v materiálovém inženýrství často používá jako referenční a zkušební materiál. Díky svým dobře známým termofyzikálním a metalurgickým vlastnostem se využívá k validaci měřicích metod a ke zkoumání základních souvislostí mezi mikrostrukturou, magnetismem a tepelným chováním. Kromě teplotně závislé měrné tepelné kapacity (Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp) je předmětem zvláštního zájmu feromagneticko-paramagnetický přechod při Curieově teplotě. Tento přechod ovlivňuje termofyzikální chování materiálu a projevuje se jako charakteristický jev na křivce měrné tepelné kapacity.
Jupiter® STA 509 umožňuje simultánní sběr tepelných a gravimetrických signálů (DSC-TGA), čímž poskytuje výkonný základ pro komplexní charakterizaci materiálů. V kombinaci s magnetickým zařízením lze prostřednictvím signálu TGA jasně detekovat Curieho přechod u čistého železa a zároveň přesně stanovit měrnou tepelnou kapacitu – to vše v rámci jediného měření.
Podmínky experimentu/měření
Měření byla provedena na běžném vzorku železa pomocí přístroje STA 509 Jupiter® v argonové atmosféře. Specifická tepelná kapacita byla stanovena pomocí vyhodnoceníDSC-Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp. Souběžně s tím byl zaznamenáván signál TGA. K detekci Curieovy transformace bylo navíc použito magnetické zařízení (viz obrázek 1).
Stanovení měrné tepelné kapacity
Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.Měrná tepelná kapacita (cp) se stanovuje srovnávací metodou s použitím referenčního materiálu, jak je popsáno například v normě DIN EN ISO 11357. Tepelná kapacita se vypočítá na základě vyhodnocení tří samostatných měření: základní křivky, standardního materiálu (safíru) a samotného vzorku. Pro spolehlivé a smysluplné stanovení Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp jsou obzvláště důležitá reprodukovatelná měření referenční hodnoty a safíru, neboť tvoří základ pro následné vyhodnocení. Z těchto datových souborů lze hodnotu Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp zkoumaného materiálu určit podle uvedené rovnice.
Výsledkem vyhodnocení je teplotně závislá Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.měrná tepelná kapacita zkoumaného materiálu. To poskytuje pevný základ pro charakterizaci materiálu a může také sloužit jako vstupní parametr pro další termofyzikální výpočty.
Zároveň se měření provádí s magnetickým zařízením (viz obrázek 1). Kombinace obou signálů (TGA-DSC) umožňuje obzvláště jasnou a dobře podloženou detekci magnetické transformace.
Přehled použitých měřicích podmínek je uveden v tabulce 1.
Tabulka 1: Parametry měření STA
| Přístroj | STA 509 Jupiter® |
|---|---|
| Měřicí teplo | TGA/DSC typu S |
| Pec | Rhodium |
| Tavicí kelímek | Pt/Rh s víkem (s výstelkouz Al₂O₃ ) |
| Atmosféra | Ar s OTS® em (70 ml/min) |
| Teplotní program |
|
| Hmotnost vzorku | 121,871 mg |
| Kalibrační standard | Safír (55,203 mg) |
Výsledky a diskuze
Naměřená Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.měrná tepelná kapacita čistého železa zpočátku vykazuje očekávaný plynulý nárůst. Až do teploty přibližně 700 °C se experimentální hodnoty velmi dobře shodují s údaji z literatury. To dokládá vysokou kvalitu stanoveníměrné tepelné kapacity pomocí přístroje STA 509 a potvrzuje vhodnost tohoto systému pro přesná termofyzikální měření kovových materiálů. V oblasti Curieovy transformace vykazuje křivkaMěrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp charakteristický jev, který lze přiřadit feromagneticko-paramagnetickému přechodu železa. Dále je při teplotě 918 °C patrný transformační jev (transformace v pevném stavu, α-Fe → γ-Fe). Tento Fázové přechodyTermín fázový přechod (nebo fázová změna) se nejčastěji používá pro popis přechodů mezi pevným, kapalným a plynným skupenstvím.fázový přechod druhého řádu vede k výrazné změně křivky tepelné kapacity a umožňuje stanovit teplotu transformace.
Souběžně s měřenímMěrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp byla zaznamenána křivka TGA pomocí magnetického uspořádání. Ve feromagnetickém stavu čisté železo interaguje s přiloženým magnetickým polem. Po dosažení Curieovy teploty přechází materiál do paramagnetického stavu, což způsobuje náhlou změnu magneticky indukované síly působící na vzorek a na křivce TGA se projeví zdánlivý nárůst hmotnosti. Tento jev není způsoben skutečnou změnou hmotnosti, ale změnou magnetické síly působící na vzorek. Pod Curieovou teplotou je vzorek přitahován magnetem. Nad Curieovou teplotou železo ztrácí své feromagnetické vlastnosti. V důsledku toho již na vzorek nepůsobí žádná dodatečná síla, což se projevuje jako změna signálu na křivce TGA.
Teplota charakteristického signálu TGA vynikajícím způsobem koreluje s Curieovou transformací detekovanou v křivceMěrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp. Magnetické uspořádání tak poskytuje nezávislé potvrzení magnetického fázového přechodu. Při absenci magnetického pole by se v zkoumaném teplotním rozsahu neočekávala žádná relevantní změna hmotnosti, protože vzorek je analyzován v inertní atmosféře v plynotěsném měřicím systému, a proto nedochází k žádným procesům souvisejícím s oxidací ani k jiným procesům měnícím hmotnost.
Shrnutí
Zkoumání železa ukazuje, že pomocí přístroje STA 509 Jupiter® lze spolehlivě a přesně stanovit měrnou tepelnou kapacitu. Naměřené hodnotyMěrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp se velmi dobře shodují s údaji z literatury. Kromě toho bylo možné Curieovu transformaci detekovat nejen v křivcecp, ale také současně v křivce TGA pomocí magnetického uspořádání. Charakteristický nárůst signálu TGA při dosažení Curieovy teploty velmi dobře koreluje s efektem transformace v křivce tepelné kapacity. Tato shoda ukazuje, že přístroj STA 509 Jupiter® je schopen vizualizovat magnetickou transformaci současně na dvou různých úrovních signálu. To zvyšuje spolehlivost interpretace a dokládá všestrannost systému.
Pro charakterizaci materiálů to znamená, že s vhodným měřicím uspořádáním lze v rámci jediného experimentu zkoumat jak tepelné, tak magneticky indukované jevy v materiálu. To je zvláště zajímavé pro materiály na bázi železa a pro analýzu magnetických transformací.