Одно измерение, два сигнала: определение cp и обнаружение эффекта Кюри на железе с помощью прибора STA 509 Jupiter

Введение

Чистое железо широко используется в материаловедении в качестве эталонного и испытательного материала. Благодаря своим хорошо известным термофизическим и металлургическим свойствам оно подходит для валидации методов измерения, а также для исследования взаимосвязей между микроструктурой, магнетизмом и тепловым поведением.

Помимо зависящей от температуры удельной теплоемкости (_{Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp}), особый интерес представляет ферромагнитно-парамагнитный переход при температуре Кюри. Это превращение влияет на теплофизическое поведение железа и проявляется в виде характерного эффекта на кривой теплоемкости.

Анализатор STA 509 Jupiter^® одновременно регистрирует тепловые и гравиметрические сигналы с помощью метода DSC-TGA. В сочетании с магнитной установкой он позволяет точно определять_{Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp} и четко выявлять переход Кюри чистого железа по сигналу TGA в рамках одного измерения.

Детальный вид печи STA, оснащённой магнитной установкой, используемой для определения температуры Кюри. — Печь STA с магнитной системой

Условия проведения эксперимента и измерений

Измерения проводились на образце железа с использованием прибора STA 509 Jupiter^® в атмосфере аргона. Удельная теплоемкость определялась методом DSC_{Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp} с параллельной регистрацией сигнала ТГА. Для обнаружения перехода Кюри использовалась магнитная установка.

Таблица 1: Параметры измерений на приборе STA

Параметр	Условие
Прибор	STA 509 `Jupiter^®`
Измерительная головка	Тип S TGA/DSC
Печь	Родий
Тигель	Тигель из Pt/Rh с крышкой и внутренней облицовкой_{из Al₂O₃}
Атмосфера	Ар с `OTS^®`, 70 мл/мин
Программа терморегулирования	Изотерма при 25 °C в течение 10 мин Динамический этап: от комнатной температуры до 1050 °C со скоростью 10 К/мин Изотерма при 1050 °C в течение 10 мин
Масса образца	121,871 мг
Калибровочный эталон	Сапфир, 55,203 мг

Оценка удельной теплоемкости

Удельная теплоемкость (_{Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp}) определяется сравнительным методом с использованием эталонного материала, как описано, например, в стандарте DIN EN ISO 11357. Для оценки требуются три отдельных измерения: базовое, измерение эталонного материала и измерение образца.

Воспроизводимые измерения базовой линии и сапфира имеют решающее значение, поскольку они составляют основу для последующих расчётов. На основании этих наборов данных получается значение_{Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp} исследуемого материала, зависящее от температуры. Полученный результат служит основой для определения характеристик материала и может использоваться в качестве входного параметра для дальнейших термофизических расчётов.

c_{p} = \frac{signal difference (sample - baseline)}{sample mass \cdot heating rate \cdot sensitivity}

Одновременно с этим проводится измерение с использованием магнитной установки. Сочетание сигналов ТГА и ДСК обеспечивает особенно четкое и достоверное выявление магнитных переходов.

Кривая cp чистого железа в зависимости от температуры обозначена синим цветом, литературные значения cp — красным, а кривая ТГА — зеленым, на которой видны переход Кюри и превращение альфа-железа в гамма-железо. — Кривая_cp в зависимости от температуры (синий цвет), литературные значения_cp [1] (красный цвет), кривая ТГА (зеленый цвет).

Результаты и обсуждение

Измеренная удельная теплоемкость чистого железа вначале демонстрирует ожидаемое непрерывное увеличение. В диапазоне до примерно 700 °C экспериментальные значения очень хорошо согласуются с литературными данными. Это подтверждает качество определения_{удельной теплоемкости} и пригодность системы STA 509 Jupiter^® для проведения термофизических измерений металлических материалов.

В диапазоне температур, соответствующем переходу Кюри, кривая_cp демонстрирует характерный эффект, который связывают с ферромагнитно-парамагнитным переходом железа. Температура пика составляет примерно 771 °C. Ещё один эффект превращения — твердофазное превращение α-Fe → γ-Fe — наблюдается при 918 °C. Этот фазовый переход второго порядка вызывает выраженное изменение кривой теплоемкости и позволяет определить температуру превращения.

Независимое определение активности Кюри с помощью ТГА

Кривая ТГА регистрировалась одновременно с измерением_cp с использованием магнитной установки. В ферромагнитном состоянии чистое железо взаимодействует с приложенным магнитным полем. При температуре Кюри железо переходит в парамагнитное состояние, и величина магнитно-индуцированной силы, действующей на образец, резко изменяется. В результате на кривой ТГА наблюдается кажущееся увеличение массы.

Данный сигнал не обусловлен реальным изменением массы. Ниже температуры Кюри образец притягивается магнитом. Выше температуры Кюри железо теряет свои ферромагнитные свойства; дополнительная сила перестаёт действовать на образец и регистрируется в виде изменения сигнала ТГА.

Температура характерного сигнала ТГА очень хорошо коррелирует с переходом Кюри на кривой_cp. Таким образом, магнитная установка обеспечивает независимое подтверждение магнитного фазового перехода. Без магнитного поля в исследуемом диапазоне температур не ожидается значимого изменения массы, поскольку измерения образца проводятся в газонепроницаемой системе в инертной атмосфере, что исключает процессы, связанные с окислением или иные процессы, приводящие к изменению массы.

Основные результаты измерений

Одновременные сигналы_cp и TGA позволяют с высокой степенью достоверности интерпретировать магнитные и структурные преобразования в чистом железе.

Соглашение о литературе

Полученные данные_{по конденсации} согласуются с литературными значениями в широком диапазоне температур вплоть до примерно 700 °C.

Преобразование Кюри

Ферромагнитно-парамагнитный переход регистрируется при температуре примерно 771 °C по сигналам_cp и TGA.

Твердофазное превращение

Превращение α-Fe в γ-Fe проявляется в виде выраженного_cp -эффекта при температуре 918 °C.

Заключение

Исследование железа показывает, что прибор STA 509 Jupiter^® позволяет надежно и точно определять удельную теплоемкость. Измеренные значения_cp очень хорошо согласуются с литературными данными. Кроме того, переход Кюри одновременно фиксируется на кривой_cp и, при использовании магнитной установки, на кривой ТГА.

Характерное усиление сигнала ТГА при температуре Кюри тесно коррелирует с эффектом фазового перехода на кривой теплоемкости. Такое совпадение позволяет визуализировать магнитный переход на двух независимых уровнях сигнала и укрепляет уверенность в интерпретации результатов.

Для определения характеристик материала соответствующая измерительная установка позволяет исследовать тепловые и магнитно-индуцированные эффекты в рамках одного эксперимента. Это особенно актуально для материалов на основе железа и анализа магнитных фазовых переходов.

Список литературы

[1] NETZSCH-Gerätebau GmbH: NETZSCH Программное обеспечение Proteus^®, «cp Standard – Pure Iron», справочные данные, зафиксированные в 2006 году, доступ через сайт Proteus^® 11 июня 2026 года, версия 9.9.0, Зельб, Германия.

Связанные устройства

Ознакомьтесь с семейством приборов STA 509 Jupiter^®, предназначенных для одновременного проведения измерений методами ДСК и ТГА в рамках определения характеристик материалов.

STA 509 Jupiter^® Classic
Наилучшее соотношение цены и качества
- РТ до 1600 °C
- Печь на основе SiC
- Разрешение весов: 0,1 мкг
- Дополнительный 20-позиционный ASC
STA 509 Jupiter^® Select
С учетом Ваших потребностей
- от -150 до 2400 °C
- На выбор предлагается 12 различных печей
- Разрешение весов: 0,1 мкг
- Дополнительная 20-позиционная система ASC или^вторая печь
STA 509 Jupiter^® Supreme
Прибор, обеспечивающий максимальную производительность
- от -150 °C до 2000 °C
- На выбор предлагается 9 различных печей
- Разрешение весов: 0,025 мкг
- Дополнительная опция: 20-позиционный автоподающий механизм (ASC) или^вторая печь
STA 319 Jupiter^®
Обеспечение доступа к методу одновременного термического анализа
- от комнатной температуры (10 °C) до 1025 °C/1100 °C на уровне образца
- Печь Robus с быстрым нагревом и охлаждением
- Разрешение весов: 20 нг
- Дополнительный автоподающий механизм (ASC) на 204 позиции

Скачать

Загрузите техническое руководство № 457, чтобы ознакомиться с полным описанием измерений, параметрами измерений, кривыми_CP и TGA, а также справочной информацией.