Wprowadzenie
Czyste żelazo jest często wykorzystywane jako materiał odniesienia i materiał badawczy w naukach o materiałach. Ze względu na swoje dobrze znane właściwości termofizyczne i metalurgiczne znajduje ono zastosowanie w walidacji metod pomiarowych oraz w badaniu podstawowych zależności między mikrostrukturą, magnetyzmem i zachowaniem termicznym. Oprócz zależnej od temperatury ciepła właściwego (Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp) szczególne zainteresowanie budzi Punkt przecięciaW teście reologicznym, takim jak przemiatanie częstotliwości lub przemiatanie czas/temperatura, punkt przecięcia jest wygodnym punktem odniesienia wskazującym punkt "przejścia" próbki. przejście ferromagnetyczno-paramagnetyczne zachodzące w temperaturze Curie. Punkt przecięciaW teście reologicznym, takim jak przemiatanie częstotliwości lub przemiatanie czas/temperatura, punkt przecięcia jest wygodnym punktem odniesienia wskazującym punkt "przejścia" próbki.Przejście to wpływa na zachowanie termofizyczne materiału i przejawia się jako charakterystyczny efekt na krzywej ciepła właściwego.
Urządzenie STA 509 Jupiter® umożliwia jednoczesne rejestrowanie sygnałów termicznych i grawimetrycznych (DSC-TGA), stanowiąc solidną podstawę do kompleksowej charakterystyki materiałowej. W połączeniu z układem magnetycznym transformację Curie’ego czystego żelaza można wyraźnie wykryć za pomocą sygnału TGA, a ponadto precyzyjnie określić ciepło właściwe — wszystko to w ramach jednego pomiaru.
Warunki eksperymentu/pomiaru
Pomiary przeprowadzono na typowej próbce żelaza przy użyciu analizatora STA 509 Jupiter® w atmosferze argonu. Ciepło właściwe określono na podstawie analizyDSC-Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp. Równolegle rejestrowano sygnał TGA. Dodatkowo zastosowano układ magnetyczny w celu wykrycia przemiany Curie’ego (patrz rysunek 1).
Ocena ciepła właściwego
Ciepło właściwe (Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp) określa się metodą porównawczą z wykorzystaniem materiału odniesienia, zgodnie z opisem zawartym na przykład w normie DIN EN ISO 11357. Ciepło właściwe oblicza się na podstawie analizy trzech oddzielnych pomiarów: linii bazowej, materiału wzorcowego (szafiru) oraz samej próbki. Dla uzyskania wiarygodnego i miarodajnego wyniku pomiaru Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp szczególnie ważne są powtarzalne pomiary wartości odniesienia i szafiru, ponieważ stanowią one podstawę do dalszej analizy. Na podstawie tych zestawów danych można określić wartość Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp badanego materiału zgodnie z podanym równaniem.
Wynikiem oceny jest zależna od temperatury Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki. pojemność cieplna właściwa badanego materiału. Stanowi to solidną podstawę do charakterystyki materiału i może również służyć jako parametr wejściowy do dalszych obliczeń termofizycznych.
Jednocześnie pomiar przeprowadza się przy użyciu układu magnetycznego (patrz rysunek 1). Połączenie obu sygnałów (TGA-DSC) umożliwia szczególnie wyraźne i dobrze poparte dowodami wykrycie przemiany magnetycznej.
Przegląd zastosowanych warunków pomiarowych przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1: Parametry pomiarowe STA
| Urządzenie | STA 509 Jupiter® |
|---|---|
| Ciepło pomiarowe | TGA/DSC typu S |
| Piec | Rod |
| Tygiel | Pt/Rh z pokrywą (z wykładzinąz Al₂O₃ ) |
| Atmosfera | Ar z OTS® em (70 ml/min) |
| Program temperaturowy |
|
| Masa próbki | 121,871 mg |
| Standard kalibracyjny | Szafir (55,203 mg) |
Wyniki i dyskusja
Zmierzona ciepło właściwe czystego żelaza początkowo wykazuje oczekiwany ciągły wzrost. Do temperatury około 700°C wartości eksperymentalne są w bardzo dobrej zgodności z danymi literaturowymi. Świadczy to o wysokiej jakości pomiaruciepła właściwego przy użyciu urządzenia STA 509 oraz potwierdza przydatność tego systemu do precyzyjnych pomiarów termofizycznych materiałów metalowych. W zakresie przemiany Curie’ego krzywaPojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp wykazuje charakterystyczny efekt, który można przypisać przejściu ferromagnetyczno-paramagnetycznemu żelaza. Ponadto w temperaturze 918°C widoczny jest efekt przemiany (przemiana w stanie stałym, α-Fe → γ-Fe). To Przejścia fazoweTermin przejście fazowe (lub zmiana fazy) jest najczęściej używany do opisania przejść między stanem stałym, ciekłym i gazowym. przejście fazowe drugiego rzędu prowadzi do wyraźnej zmiany krzywej pojemności cieplnej i umożliwia określenie temperatury przemiany.
Równolegle z pomiaremPojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp zarejestrowano krzywą TGA przy użyciu układu magnetycznego. W stanie ferromagnetycznym czyste żelazo oddziałuje z przyłożonym polem magnetycznym. Po osiągnięciu temperatury Curie’ego materiał przechodzi w stan paramagnetyczny, co powoduje gwałtowną zmianę siły indukowanej magnetycznie działającej na próbkę, a krzywa TGA wykazuje pozorny wzrost masy. Efekt ten nie wynika z rzeczywistej zmiany masy, lecz ze zmiany siły magnetycznej działającej na próbkę. Poniżej temperatury Curie próbka jest przyciągana przez magnes. Powyżej temperatury Curie żelazo traci swoje właściwości ferromagnetyczne. W rezultacie dodatkowa siła nie oddziałuje już na próbkę, co rejestrowane jest jako zmiana sygnału na krzywej TGA.
Temperatura charakterystycznego sygnału TGA doskonale koreluje z przemianą Curie’ego wykrytą na krzywejPojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp. Układ magnetyczny stanowi zatem niezależne potwierdzenie magnetycznego przejścia fazowego. W przypadku braku pola magnetycznego nie należałoby oczekiwać żadnej istotnej zmiany masy w badanym zakresie temperatur, ponieważ próbka jest analizowana w atmosferze obojętnej w gazoszczelnym układzie pomiarowym, a zatem nie zachodzą żadne procesy związane z utlenianiem ani inne procesy powodujące zmianę masy.
Podsumowanie
Badania żelaza wykazały, że za pomocą analizatora STA 509 Jupiter® można wiarygodnie i dokładnie określić ciepło właściwe. Zmierzone wartościcp są bardzo zgodne z danymi literaturowymi. Ponadto przemianę Curie’ego udało się wykryć nie tylko na krzywejcp, ale również jednocześnie na krzywej TGA przy użyciu układu magnetycznego. Charakterystyczny wzrost sygnału TGA po osiągnięciu temperatury Curie'ego bardzo dobrze koreluje z efektem przemiany widocznym na krzywej pojemności cieplnej. Ta zgodność wskazuje, że urządzenie STA 509 Jupiter® jest w stanie wizualizować przemianę magnetyczną jednocześnie na dwóch różnych poziomach sygnału. Zwiększa to pewność interpretacji wyników i świadczy o wszechstronności systemu.
W kontekście charakterystyki materiałów oznacza to, że przy odpowiedniej konfiguracji pomiarowej w ramach jednego eksperymentu można badać zarówno efekty termiczne, jak i indukowane magnetycznie. Ma to szczególne znaczenie w przypadku materiałów na bazie żelaza oraz w analizie przemian magnetycznych.