Studium termofyzikálních a termodynamických vlastností systémů na bázi Fe-C-O-X(Y),(X, Y = Cr, Ni) v pevné a kapalné fázi

Ľubomíra Drozdová

Doctoral thesis

Study of thermophysical and thermodynamic properties of systems based on Fe-C-O-X(Y),(X, Y = Cr, Ni) in solid and liquid phase

Abstract:

Chróm a nikel patria medzi významné legovacie prvky ocelí. Znalosť jednoduchších systémov ako napr. Fe C Cr, Fe C Ni a Fe C Cr Ni je nevyhnutná pre správny termodynamický a termofyzikálny popis polykomponentných systémov (ocelí) a podobných zliatin využívaných v praxi. V tejto oblasti je stále nedostatok presných experimentálnych výsledkov, ktoré môžu slúžiť ako vstupné dáta pre tvorbu a spresnenie databáz na báze Fe (napr. pre SW JMatPro a Thermo Calc) a taktiež môžu byť využité v simulačných softvéroch (napr. SW Procast). Z týchto dôvodov je štúdium systémov na báze Fe C Cr, Fe C Ni a Fe C Cr Ni stále aktuálnou témou. Tepelné správanie systémov na báze Fe C je možné okrem iného popísať metódami termickej analýzy, medzi ktoré patrí diferenčná termická analýza (DTA), diferenčná skenovacia kalorimetria (DSC), dilatometria a ďalšie. Pomocou týchto metód je možné získať teploty a teplá fázových transformácií, tepelné kapacity, zmenu entalpie, koeficient teplotnej rozťažnosti, hustotu a ich závislosť na teplote. Pre získanie presných dát je nevyhnutné eliminovať experimentálne vplyvy prostredníctvom kalibračných a metodických meraní. V rámci riešenia dizertačnej práce boli získané cenné pôvodné fundamentálne dáta a poznatky o študovaných systémoch. Dizertačná práca je zameraná na štúdium teplôt a tepiel fázových transformácií, tepelných kapacít, zmeny entalpie, koeficientu teplotnej rozťažnosti a hustoty (v závislosti od teploty) zliatin na báze Fe C O Cr, Fe C O Ni a Fe C O Cr Ni. V nízkoteplotnej oblasti boli študované teploty počiatku (Tα→γ,S) a ukončenia (Tα→γ,E) fázovej transformácie α→γ a teplá tejto transformácie. Vo vysokoteplotnej oblasti boli študované teploty solidu (TS), liquidu (TL), počiatku (TP,S) a ukončenia (TP,E) peritektickej transformácie a teplá topenia. Tepelné kapacity a zmena entalpie boli získané v rozmedzí teplôt 30 – 1580 °C. Koeficient teplotnej rozťažnosti a hustota boli študované v rozsahu 200 – 1600 °C. Teploty fázových transformácií boli získané pomocou troch metód a to diferenčnej termickej analýzy (DTA), diferenčnej skenovacej kalorimetrie (DSC) a dilatometrie. Tepelné kapacity, z ktorých bola následne vypočítaná zmena entalpie, boli získané pomocou diferenčnej skenovacej kalorimetrie (DSC) s použitím „continuous“ metódy. Dilatometrické krivky, z ktorých bol vypočítaný koeficient teplotnej rozťažnosti a hustota, boli získané pomocou dilatometrie. V rámci experimentov boli realizované kalibračné a doplňujúce metodické merania. Výsledné teploty boli aproximované na „rovnovážne podmienky“. Na základe opakovania experimentov bola uskutočnená základná štatistická analýza. Experimentálne získané dáta boli porovnávané a diskutované s výsledkami výpočtov SW Thermo Calc, JMatPro a IDS a s hodnotami dostupnými v literatúre. Vybrané študované zliatiny boli podrobené štruktúrnej a fázovej analýze. Na základe získaných výsledkov boli vyvodené zodpovedajúce závery. Ďalej boli tiež pomocou lineárnej regresie z výsledkov týchto meraní doplnených o ďalšie výsledky nadobudnuté v rámci projektu GAČR reg. č. 17 18668S získané nové modely pre výpočet teploty liquidu, tepelnej kapacity a zmeny entalpie zohľadňujúce vplyv chemického zloženia, predovšetkým chrómu a niklu, a teploty na študované termofyzikálne vlastnosti vo forme empirických vzťahov.

Abstract:

Chromium and nickel are important alloying elements for steels. Knowledge of simpler systems such as Fe C Cr, Fe C Ni and Fe C Cr Ni are necessary for the accurate thermodynamic and thermophysical description of polycomponent systems (steels) and similar alloys used in practice. There is still a lack of accurate experimental results in this area, which can serve as input data for the creation and refinement of Fe-based databases (for e.g. SW JMatPro and Thermo Calc) and can also be used in simulation software (e.g. SW Procast). For these reasons, the study of systems based on Fe C Cr, Fe C Ni and Fe C Cr Ni is still an actual topic. The thermal behaviour of Fe C based systems can be among other things described by thermal analysis methods, which include differential thermal analysis (DTA), differential scanning calorimetry (DSC), dilatometry and others. Using these methods, it is possible to obtain temperatures and heats of phase transformations, heat capacity, enthalpy change, coefficient of thermal expansion, density and their dependence on temperature. In order to obtain accurate data, it is necessary to eliminate experimental conditions through calibration and methodological measurements. Within the solution of the dissertation, valuable original fundamental data and knowledge about the studied systems were obtained. The dissertation is focused on the study of temperatures and heats of phase transformations, heat capacities, enthalpy change, coefficient of thermal expansion and density (depending on temperature) of alloys based on Fe C O Cr, Fe C O Ni and Fe C O Cr Ni. In the low-temperature area, the start (Tα→γ,S) and end (Tα→γ,E) temperatures of the phase transformation α→γ and the heats of this transformation were studied. Solidus (TS), liquidus (TL), start (TP,S) and end (TP,E) of peritectic transformation temperatures and heats of melting were studied in the high temperature region. Heat capacities and enthalpy change were obtained in the temperature range 30 – 1580 °C. The coefficient of thermal expansion and density were studied in the range of 200 – 1600 °C. Phase transformation temperatures were obtained using three methods: differential thermal analysis (DTA), differential scanning calorimetry (DSC) and dilatometry. The heat capacities from which the enthalpy change was subsequently calculated were obtained by differential scanning calorimetry (DSC) using the "continuous" method. Dilatometric curves, from which the coefficient of thermal expansion and density were calculated, were obtained by dilatometry. Within the experiments, calibration and additional methodological measurements were performed. The resulting temperatures were approximated to the "equilibrium conditions". Based on the repetition of the experiments, a basic statistical analysis was performed. The experimentally obtained data were compared and discussed with the results of SW calculations Thermo Calc, JMatPro and IDS and with the values available in the literature. Selected studied alloys were subjected to structural and phase analysis. Based on the obtained results, corresponding conclusions were drawn. Furthermore, by means of a linear regression from the results of these measurements, they were supplemented by other results obtained within the GAČR project reg. no. 17 18668S obtained new models for calculating liquidus temperature, heat capacity and enthalpy change taking into account the influence of chemical composition, especially chromium and nickel, and temperature on the studied thermophysical properties in the form of empirical relationships.

Keywords

systémy na báze Fe-C-O-X(Y), (X, Y=Cr, Ni), teploty fázových transformácií, tepelná kapacita, zmena entalpie, teplo fázových transformácií, koeficient teplotnej rozťažnosti, hustota, termická analýza, JMatPro, Thermo Calc, IDS, lineárna regresia

Keywords

Fe-C-O-X(Y), (X, Y=Cr, Ni) based systems, temperatures of phase transformations, heat capacity, enthalpy change, heat of phase transformations, coefficient of thermal expansion, density, thermal analysis, JMatPro, Thermo-Calc, IDS, linear regression

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 8. 4. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 15. 6. 2021
• Supervisor: Bedřich Smetana
• Reader: Jiří Kameníček, Boleslav Taraba, Petr Lichý

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta materiálově-technologická

Doctoral programme / field:
Metalurgie / Chemická metalurgie