Einleitung
Reineisen dient häufig als Referenz- und Untersuchungsmaterial in der Werkstoffwissenschaft. Aufgrund seiner gut bekannten thermophysikalischen und metallurgischen Eigenschaften wird es zur Validierung von Messverfahren sowie zur Untersuchung grundlegender Zusammenhänge zwischen Mikrostruktur, Magnetismus und thermischem Verhalten eingesetzt. Neben der temperaturabhängigen spezifischen Wärmekapazität ist insbesondere die ferromagnetisch-paramagnetische Umwandlung bei der Curie-Temperatur von großem Interesse. Diese Umwandlung beeinflusst das thermophysikalische Verhalten des Materials und ist in der Wärmekapazitätskurve als charakteristischer Effekt sichtbar.
Die STA 509 Jupiter® ermöglicht die simultane Erfassung thermischer und gravimetrischer Signale (DSC-TG) und bietet damit eine leistungsstarke Grundlage für die umfassende Charakterisierung von Werkstoffen. In Verbindung mit einem Magnetaufbau lässt sich an Reineisen neben der präzisen Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität (cp) auch die Curie-Umwandlung eindeutig über das TG-Signal nachweisen – und das in nur einer Messung.
Experiment/Messbedingungen
Die Messungen wurden an einer gewöhnlichen Eisenprobe mit der STA 509 Jupiter® unter Argon durchgeführt. Die Spezifische Wärmekapazität (cp)Die spezifische Wärmekapazität oder Wärmekapazität ist eine messbare physikalische Größe, die dem Verhältnis der einem Objekt zugeführten Wärme zur resultierenden Temperaturänderung entspricht.spezifische Wärmekapazität wurde mittels DSC-cp-Auswertung bestimmt. Parallel wurde das TG-Signal aufgezeichnet. Für die Detektion der Curie-Umwandlung kam ein Magnetaufbau zum Einsatz (siehe Abbildung 1).
Auswertung der spezifischen Wärmekapazität
Die Spezifische Wärmekapazität (cp)Die spezifische Wärmekapazität oder Wärmekapazität ist eine messbare physikalische Größe, die dem Verhältnis der einem Objekt zugeführten Wärme zur resultierenden Temperaturänderung entspricht.spezifische Wärmekapazität (cp) wird mithilfe eines Vergleichsverfahrens unter Einsatz eines Referenzmaterials bestimmt, wie es beispielsweise in der DIN EN ISO 11357 beschrieben ist. Die Berechnung der Wärmekapazität erfolgt durch die Auswertung von drei separaten Messungen – der Basislinie, eines Standards (Saphir) sowie der Probe selbst. Für eine zuverlässige und aussagekräftige cp-Bestimmung ist dabei entscheidend, dass insbesondere die Basislinien- und Saphirmessungen reproduzierbar sind, da sie die Grundlage für die anschließende Auswertung bilden. Aus diesen Datensätzen lässt sich der cp-Wert des untersuchten Materials gemäß der angegebenen Gleichung bestimmen.
Das Ergebnis der Auswertung ist die temperaturabhängige spezifische Wärmekapazität des untersuchten Materials. Diese liefert eine fundierte Grundlage für die Materialcharakterisierung und kann zugleich als Eingangsgröße für weiterführende thermophysikalische Berechnungen dienen.
Gleichzeitig wird die Messung mit einem Magnetaufbau durchgeführt (siehe Abbildung 1). Die Kombination beider Signale (TG-DSC) ermöglicht damit eine besonders anschauliche und abgesicherte Detektion der magnetischen Umwandlung.
Eine Übersicht der verwendeten Messbedingungen ist Tabelle 1 zu entnehmen.
Tabelle 1: STA-Messparameter
| Gerät | STA 509 Jupiter® |
|---|---|
| Messkopf | TG/DSC, Typ S |
| Ofen | Rhodium |
| Tiegel | Pt/Rh mit Tiegel und Deckel (mit Al2O3-Liner) |
| Atmosphäre | Ar mit OTS® (70 ml/min) |
| Temperaturprogramm |
|
| Probenmasse | 121,871 mg |
| Kalibrierstandard | Saphir (55,203 mg) |
Results and Discussion
Ergebnisse und Diskussion
Die gemessene spezifische Wärmekapazität von Eisen in Abbildung 2 zeigt zunächst den erwarteten kontinuierlichen Anstieg. Bis etwa 700 °C stimmen die experimentellen Werte sehr gut mit Literaturdaten überein. Dies belegt die hohe Qualität der cp-Bestimmung mit der STA 509 und bestätigt die Eignung des Systems für präzise thermophysikalische Messungen an metallischen Werkstoffen. Im Bereich der Curie-Umwandlung zeigt die cp-Kurve einen charakteristischen Effekt, der der ferromagnetisch-paramagnetischen Umwandlung von Eisen zugeordnet werden kann. Des Weiteren ist ein Umwandlungseffekt (Festkörperumwandlung, α-Fe → γ-Fe) bei 918 °C sichtbar. Dieser Phasenübergang zweiter Ordnung führt zu einer deutlichen Änderung im Wärmekapazitätsverlauf und erlaubt die Bestimmung der Umwandlungstemperatur.
Zeitgleich zur cp-Messung wurde die TG-Kurve unter Verwendung eines Magnetaufbaus aufgenommen. Im ferromagnetischen Zustand wechselwirkt die Eisenprobe mit dem angelegten Magnetfeld. Beim Erreichen der Curie-Temperatur geht das Material in den paramagnetischen Zustand über, wodurch sich die magnetisch verursachte Kraft auf die Probe abrupt ändert und die TG-Kurve einen scheinbaren Massenanstieg zeigt. Dieser Effekt wird nicht durch eine reale Massenänderung verursacht, sondern durch die Änderung der magnetischen Kraftwirkung auf die Probe. Unterhalb der Curie-Temperatur wird die Probe durch den Magneten angezogen. Oberhalb der Curie-Temperatur verliert Eisen seine ferromagnetischen Eigenschaften. Dadurch entfällt die zusätzliche Kraftwirkung, was als Signaländerung in der TG-Kurve registriert wird.
Die Temperatur des charakteristischen TG-Signals korreliert hervorragend mit der in der cp-Kurve detektierten Curie-Transformation. Der Magnetaufbau ermöglicht also eine unabhängige Bestätigung der magnetischen Phasenumwandlung / PhasenänderungDer Begriff Phasenumwandlung (oder Phasenänderung) wird am häufigsten verwendet, um Übergänge zwischen dem festen, flüssigen und gasförmigen Zustand zu beschreiben. Eine Phase eines thermodynamischen Systems und die Zustände haben einheitliche physikalische Eigenschaften.Phasenumwandlung. In Abwesenheit des Magnetfeldes wäre im untersuchten Temperaturbereich keine relevante Massenänderung zu erwarten, da die Probe unter inerter Atmosphäre in einem gasdichten Messsystem untersucht wird und somit keine oxidationsbedingten oder anderweitigen masseverändernden Prozesse stattfinden.
Zusammenfassung
Die Untersuchung von Eisen mit der STA 509 Jupiter® zeigt, dass sich die spezifische Wärmekapazität zuverlässig und mit hoher Genauigkeit bestimmen lässt. Die gemessenen cp-Werte stimmen sehr gut mit Literaturdaten überein. Darüber hinaus konnte die Curie-Umwandlung nicht nur in der cp-Kurve, sondern gleichzeitig auch in der TG-Kurve mit Magnetaufbau nachgewiesen werden. Der charakteristische Anstieg des TG-Signals beim Erreichen der Curie-Temperatur korreliert sehr gut mit dem Umwandlungseffekt in der Wärmekapazitätskurve. Diese Übereinstimmung zeigt, dass die STA 509 Jupiter® in der Lage ist, die magnetische Umwandlung simultan auf zwei unterschiedlichen Signalebenen sichtbar zu machen. Das erhöht die Sicherheit der Interpretation und demonstriert die Vielseitigkeit des Systems.
Für die Werkstoffcharakterisierung bedeutet dies, dass mit einer geeigneten Messanordnung sowohl thermische als auch magnetisch bedingte Materialeffekte in einem einzigen Experiment untersucht werden können. Dies ist insbesondere für eisenbasierte Werkstoffe und für die Analyse magnetischer Umwandlungen von großem Interesse.