Wprowadzenie
Czyste żelazo jest często wykorzystywane jako materiał odniesienia i materiał badawczy w materiałoznawstwie. Jego dobrze znane właściwości termofizyczne i metalurgiczne sprawiają, że nadaje się ono do walidacji metod pomiarowych oraz do badania 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. Przemiana ta wpływa na zachowanie termofizyczne żelaza i przejawia się jako charakterystyczny efekt na krzywej ciepła właściwego.
Urządzenie STA 509 Jupiter® jednocześnie rejestruje sygnały termiczne i grawimetryczne metodą DSC-TGA. W połączeniu z układem magnetycznym umożliwia ono precyzyjne określeniePojemność 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 oraz wyraźne wykrycie przemiany Curie czystego żelaza na podstawie sygnału TGA w ramach jednego pomiaru.
Warunki eksperymentu i pomiaru
Pomiary przeprowadzono na próbce żelaza przy użyciu urządzenia STA 509 Jupiter® w atmosferze argonu. Ciepło właściwe określono na podstawie analizy DSCPojemność 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, przy czym równolegle rejestrowano sygnał TGA. Do wykrycia przemiany Curie’ego wykorzystano układ magnetyczny.
Tabela 1: Parametry pomiaru STA
| Parametr | Warunek |
|---|---|
| Urządzenie | STA 509 Jupiter® |
| Głowica pomiarowa | Typ S TGA/DSC |
| Piec | Rod |
| Tygiel | Tygiel Pt/Rh z pokrywą i wykładzinąz Al₂O₃ |
| Atmosfera | Ar z OTS®, 70 ml/min |
| Program temperaturowy |
|
| Masa próbki | 121,871 mg |
| Standard kalibracyjny | Szafir, 55,203 mg |
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. Ocena wymaga przeprowadzenia trzech oddzielnych pomiarów: pomiaru odniesienia, pomiaru materiału wzorcowego oraz pomiaru próbki.
Niezbędne jest uzyskanie powtarzalnych pomiarów wartości odniesienia oraz szafiru, ponieważ stanowią one podstawę do dalszych obliczeń. Na podstawie tych zestawów danych uzyskuje się wartośćPojemność 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 w funkcji temperatury. Wynik ten stanowi podstawę do charakterystyki materiału i może służyć jako parametr wejściowy do dalszych obliczeń termofizycznych.
Jednocześnie pomiar przeprowadza się przy użyciu układu magnetycznego. Połączenie sygnałów z analizy TGA i DSC pozwala na szczególnie wyraźne i dobrze poparte dowodami wykrycie przemiany magnetycznej.
Wyniki i dyskusja
Zmierzona 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 czystego żelaza początkowo wykazuje oczekiwany ciągły wzrost. Do temperatury około 700°C wartości eksperymentalne bardzo dobrze pokrywają się z danymi literaturowymi. Potwierdza to jakość pomiarucp oraz przydatność analizatora STA 509 Jupiter® do pomiarów termofizycznych materiałów metalowych.
W zakresie przemiany Curie'ego krzywacp wykazuje charakterystyczny efekt, który przypisuje się przejściu ferromagnetyczno-paramagnetycznemu żelaza. Temperatura szczytowa wynosi około 771°C. Kolejny efekt przemiany, przemiana w stanie stałym α-Fe → γ-Fe, jest widoczny w temperaturze 918°C. To Przejścia fazoweTermin przejście fazowe (lub zmiana fazy) jest najczęściej używany do opisania przejść między stanem stałym, ciekłym i gazowym. przejście fazowe drugiego rzędu powoduje wyraźną zmianę w krzywej pojemności cieplnej i umożliwia określenie temperatury przemiany.
Niezależne wykrywanie cząstek Curie za pomocą analizy TGA
Krzywą TGA zarejestrowano równocześnie z pomiaremcp przy użyciu układu magnetycznego. W stanie ferromagnetycznym czyste żelazo oddziałuje z przyłożonym polem magnetycznym. W temperaturze Curie’ego żelazo przechodzi w stan paramagnetyczny, a siła indukowana magnetycznie, działająca na próbkę, ulega gwałtownej zmianie. W rezultacie krzywa TGA wykazuje pozorny wzrost masy.
Sygnał ten nie wynika z rzeczywistej zmiany masy. Poniżej temperatury Curie próbka jest przyciągana przez magnes. Powyżej temperatury Curie żelazo traci swoje właściwości ferromagnetyczne; dodatkowa siła nie oddziałuje już na próbkę i jest rejestrowana jako zmiana sygnału TGA.
Temperatura charakterystycznego sygnału TGA bardzo dobrze koreluje z przemianą Curie’ego na krzywejcp. Układ magnetyczny stanowi zatem niezależne potwierdzenie magnetycznego przejścia fazowego. Bez pola magnetycznego nie należy spodziewać się istotnej zmiany masy w badanym zakresie temperatur, ponieważ pomiar próbki odbywa się w układzie gazoszczelnym w atmosferze obojętnej, co wyklucza procesy związane z utlenianiem lub inne procesy powodujące zmianę masy.
Najważniejsze wyniki pomiarów
Równoczesne sygnałycp i TGA umożliwiają pewną interpretację przemian magnetycznych i strukturalnych zachodzących w czystym żelazie.
Porozumienie w sprawie literatury
Przekształcenie Curie’ego
Przemiana w stanie stałym
Wnioski
Badania żelaza wykazały, że analizator STA 509 Jupiter® pozwala na niezawodne i dokładne określenie ciepła właściwego. Zmierzone wartościcp są bardzo zgodne z danymi literaturowymi. Ponadto przemiana Curie’ego jest wykrywana jednocześnie na krzywejcp oraz, dzięki układowi magnetycznemu, na krzywej TGA.
Charakterystyczny wzrost sygnału TGA w temperaturze Curie ściśle koreluje z efektem przemiany widocznym na krzywej pojemności cieplnej. Ta zgodność pozwala na wizualizację przemiany magnetycznej na dwóch niezależnych poziomach sygnału i zwiększa pewność interpretacji.
W przypadku charakterystyki materiałowej odpowiednia konfiguracja pomiarowa umożliwia badanie efektów termicznych i indukowanych magnetycznie w ramach jednego eksperymentu. Ma to szczególne znaczenie w przypadku materiałów na bazie żelaza oraz analizy przemian magnetycznych.
Bibliografia
[1] NETZSCH-Gerätebau GmbH: NETZSCH Proteus® oprogramowanie „cp Standard – Pure Iron”, dane referencyjne zapisane w 2006 r., dostępne pod adresem Proteus® w dniu 11 czerwca 2026 r., wersja 9.9.0, Selb, Niemcy.
Powiązane urządzenia
Zapraszamy do zapoznania się z rodziną przyrządów STA 509 Jupiter®, przeznaczonych do jednoczesnego przeprowadzania pomiarów DSC i TGA w ramach charakterystyki materiałów.
Pobierz
Prosimy pobrać notatkę aplikacyjną nr 457, w której znajdują się pełny opis pomiaru, parametry pomiarowe, krzyweCP i TGA oraz informacje referencyjne.
Publikacje dotyczące zastosowań
Zapraszamy do zapoznania się z dalszymi materiałami dotyczącymi zastosowań w zakresie równoczesnej analizy termicznej metali i stopów.
