Studium reálných jakostí ocelí metodami termické analýzy

Ľubomíra Drozdová

Master's thesis

Study of real steel grades with use of thermal analysis methods

Abstract:

Jednou z najdôležitejších binárnych sústav technickej praxe je sústava Fe-C, ktorá je základom zliatin železa. Výsledky modelovania fázových diagramov, termofyzikálnych a termodynamických vlastností pre reálne akosti ocelí sa mnohokrát len blížia výsledkom experimentov. Preto je nutné naďalej experimentálne študovať systémy na báze Fe-C (ocele), spresňovať fázové diagramy, termofyzikálne a termodynamické dáta a zdokonaľovať databázy softwarov zaoberajúcich sa touto problematikou. Presné materiálové dáta sú taktiež nutné pre mnohé technologické procesy – pre ich optimálne nastavenia (napr. pre tepelné spracovanie a odlievanie). Tepelné správanie systémov na báze Fe-C je možné popísať metódami termickej analýzy, medzi ktoré patrí diferenčná termická analýza (DTA) a diferenčná skenovacia kalorimetria (DSC). Pomocou týchto metód je možné získať teploty a latentné teplá fázových transformácií, tepelné kapacity a ich závislosť na teplote. Značný vplyv na získané dáta môžu mať experimentálne podmienky, ktoré je potrebné eliminovať prostredníctvom kalibračných a metodických meraní. Diplomová práca je zameraná na štúdium teplôt a latentných tepiel fázových transformácií a tepelných kapacít (v závislosti na teplote) dvoch reálnych akostí ocelí. V nízkoteplotnej oblasti boli pozorované teploty počiatku (Tα→γ,S) a ukončenia (Tα→γ,E) fázovej transformácie α→γ a latentné teplá tejto transformácie (ΔHα→γ). Vo vysokoteplotnej oblasti boli pozorované teploty solidu (TS), likvidu (TL), peritektickej transformácie (TP) a latentné teplá topenia (ΔHtav.). Tepelné kapacity boli pozorované v rozmedzí teplôt 150 – 1320°C. Teploty a latentné teplá boli získané pomocou diferenčnej termickej analýzy (DTA) pri rýchlosti ohrevu 10°C/min. a tepelné kapacity pomocou diferenčnej skenovacej kalorimetrie (DSC) s použitím „continuous“ metódy pri rýchlosti ohrevu 5°C/min. V rámci experimentov boli prevedené kalibračné a doplňujúce metodické merania. Výsledné teploty boli aproximované na „rovnovážne podmienky“. Na základe opakovania experimentov bola prevedená základná štatistická analýza. Experimentálne získané dáta boli porovnávané a diskutované s výsledkami výpočtov SW Thermo-Calc a teplota likvidu aj s teoretickými výpočtami podľa vybraných empirických vzťahov.

Abstract:

One of the most important binary systems of engineering practise is Fe-C system, which is the base of iron alloys. Results of phase diagrams modelling, thermophysical and thermodynamical properties modelling for real steel grades is still only approaching the results of experiments. Therefore, it is necessary to study Fe-C based systems (steels), precise phase diagrams, thermophysical and thermodynamical data and so enhance the quality of SW databases and calculation relations. Proper material data are necessary for many of technological processes – for their optimal adjustment (e.g. for heat treatment and casting). Thermal behaviour of Fe-C based systems can be characterized by thermal analysis methods, such as by differential thermal analysis (DTA) and differential scanning calorimetry (DSC). Using these methods it is possible to obtain temperatures and latent heats of phase transformations, heat capacity and its temperature dependence. A significant effect on the obtained data can have the experimental conditions that should be eliminated by calibration and methodological measurements. The thesis is focused on the study of temperatures, latent heats of phase transformations and thermal capacity (in dependence on temperature) of two real steel grades. In the low-temperature region were observed temperatures of start (Tα→γ,S) and end (Tα→γ,E) of α→γ transformation and latent heats of this transformation (ΔHα→γ). In the high temperature region were observed temperatures of solidus (TS), liquidus (TL), peritectic transformation (TP) and latent heats of fusion (ΔHtav.). Heat capacities were observed in the temperature range 150 – 1320°C. Temperatures and latent heats were obtained using differential thermal analysis (DTA) by heating rate of 10°C/min and the heat capacity using differential scanning calorimetry (DSC) by heating rate of 5°C/min. and "continuous" method. Calibration and methodological experiments were performed in the frame of this work. Phase transformation temperatures were approximated to “equilibrium conditions”. Repeated experiments were performed and basic statistics was done. Experimental data were compared and discussed with calculation results using SW Thermo-Calc and liquidus temperature also with results obtained by empirical equations.

Keywords

DTA, DSC, teplota a latentné teplo fázovej transformácie, tepelná kapacita, oceľ, termodynamické modelovanie, Thermo-Calc

Keywords

DTA, DSC, temperature and latent heat of phase transformation, heat capacity, steel, thermodynamic modeling, Thermo-Calc

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 5. 5. 2016

Thesis defence

• Date of defence: 31. 5. 2016
• Supervisor: Bedřich Smetana
• Reader: Markéta Tkadlečková

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství

Master programme / field:
Procesní inženýrství / Chemické inženýrství