Studium termofyzikálních a termodynamických vlastností kvaternárních systémů na bázi Fe C O X(Y), (X, Y = Cr, Ni) metodami termické analýzy

Svetlana Sorokina

Disertační práce

Study of thermophysical and thermodynamical properties of quaternary systems based on Fe-C-O-X(Y), (X, Y = Cr, Ni) with use of thermal analysis methods

Anotace:

Studium systémů na bázi Fe je v současné době stále velmi aktuální téma. Předmětem studia jsou komplexní systémy jako jsou oceli a také jednoduché slitiny s obsahem uhlíku a dalších jednotlivých legujících či přimíšených prvků. Velmi často bývají součástí komplexního i jednoduššího složení těchto slitin legující prvky jako chróm, nikl a také přimíšené prvky, jako např. kyslík a síra. V disertační práci je studium zaměřeno na systémy Fe–C–Cr, Fe–C–Ni, Fe–C–Cr–Ni s minoritním obsahem dalších prvků, např. kyslíku. Předmětem studia byla příprava a následná charakterizace připravených ternárních a kvaternárních systémů s odstupňovaným složením zastoupených klíčových prvků (C, Cr a Ni). Cílem disertační práce bylo zejména postihnutí vztahu mezi chemickým složením a výslednými vlastnostmi. Pro zpracování disertační práce byly připraveny modelové slitiny s odstupňovaným množstvím jednotlivých prvků: C (0,120 až 1,563 hm. %), Cr (0,011 až 4,835 hm. %) a Ni (0,001 až 4,495 hm. %). V práci byly aktivity zaměřeny na studium termofyzikálních a termodynamických vlastností a chování. Znalost této klíčové oblasti (údaje o chování při ohřevu/ochlazování) a další údaje lze získat často s využitím modelování, ale výsledky bývají často v mnoha směrech zavádějící. V rámci disertační práce byly využity zejména experimentální techniky vedoucí k získání klíčových termofyzikálních a termodynamických údajů, výše uváděných systémů, jako jsou tepelné kapacity, entalpie a jejich závislosti na teplotě, tepla fázových transformací a teploty fázových transformací, a to jak v nízkoteplotní, tak ve vysokoteplotní oblasti (25 až 1580 °C, bylo provedeno studium pevné i kapalné fáze – taveniny). Pro experimentální část práce byly využity metody termické analýzy a kalorimetrie DTA (Diferenční Termická Analýza, zařízení Setaram SETSYS 18TM) a DSC (Diferenční Skenovací Kalorimetrie, zařízení Setaram MHTC 96 Line a Setaram Sensys Evo TG/3D DSC/HP). Experimentální výsledky byly porovnány, konfrontovány a diskutovány s výsledky termodynamického modelování s využitím termodynamického SW Thermo–Calc a termodynamicko–kinetického SW JMatPro. Studovaná oblast je významná jak z fundamentálního hlediska (postihnutí primárních/základních znalostí) a také s ohledem na aplikační oblast (pro procesy ohřevu/ochlazování, lití, tepelného a mechanického zpracování) a také v oblasti modelování těchto procesů prostřednictvím implementace údajů do simulačních SW. Získané údaje jsou také důležité z důvodu možného doplnění termodynamických a kinetických databází simulačních SW a tvorbu vlastní databáze.

Abstract:

The study of Fe-based systems is currently still a very relevant topic. The subject of study are complex systems such as steels and also simple alloys containing carbon and other individual alloying or admixed elements. Alloying elements such as chromium, nickel and also admixed elements such as oxygen and sulfur are very often part of the complex and simple composition of these alloys. In the dissertation, the study is focused on Fe–C–Cr, Fe–C–Ni, Fe–C–Cr–Ni systems with a minor content of other elements, e.g. oxygen. The subject of the study was the preparation and subsequent characterization of the prepared ternary and quaternary systems with a graded composition of the key elements represented (C, Cr and Ni). The aim of the dissertation was mainly to investigate the relationship between the chemical composition and the resulting properties. Model alloys with graded amounts of individual elements were prepared for the dissertation: C (0,120 to 1,563 wt. %), Cr (0,011 to 4,835 wt. %) and Ni (0,001 to 4,495 wt. %). In the work, the activities were focused on the study of thermophysical and thermodynamic properties and behavior. Knowledge of this key area (heating/cooling behavior data) and other data can often be obtained using modelling, but the results are often misleading in many ways. As part of the dissertation, experimental techniques leading to the acquisition of key thermophysical and thermodynamic data of the above-mentioned systems were used, such as heat capacities, enthalpies and their dependence on temperature, heat of phase transformations and temperature of phase transformations, both in low-temperature and in high-temperature region (25 to 1580 °C, both solid and liquid phase - melt) were studied. The methods of thermal analysis and calorimetry DTA (Differential Thermal Analysis, Setaram SETSYS 18TM device) and DSC (Differential Scanning Calorimetry, Setaram MHTC 96 Line and Setaram Sensys Evo TG/3D DSC/HP devices) were used for the experimental part of the work. The experimental results were compared, confronted and discussed with the results of thermodynamic modeling using thermodynamic SW Thermo–Calc and thermodynamic–kinetic SW JMatPro. The studied area is significant both from a fundamental point of view (impairment of primary/basic knowledge) and also with regard to the application area (for heating/cooling processes, casting, thermal and mechanical processing) and also in the area of modeling these processes through the implementation of data into simulation software. The obtained data are also important for the possible addition of thermodynamic and kinetic databases of SW simulations and the creation of an own database.

Klíčová slova

slitiny, železo, uhlík, chrom, nikl, tepelná kapacita, entalpie, teplo fázové přeměny, teploty fázových transformací, termická analýza, DTA, DSC, 3D DSC, Thermo–Calc, JMatPro

Keywords

alloys, iron, carbon, chromium, nickel, heat capacity, enthalpy, heat of phase transformation, phase transformation temperatures, thermal analysis, DTA, DSC, 3D DSC, Thermo–Calc, JMatPro

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 16. 10. 2024

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: Bedřich Smetana

VŠB – Technická univerzita Ostrava

Fakulta materiálově-technologická

Doktorský studijní program / obor:
Metalurgie / Chemická metalurgie