Studium fázových transformací vybraných kovových systémů na bázi Fe a Fe - C

Monika Žaludová

Doctoral thesis

Study of Phase Transformations of Selected Metallic Systems Based on Fe and Fe - C

Abstract:

Uhlík a kyslík jsou obsaženy ve všech ocelích (systém Fe-C-O tvoří základ všech ocelí), přesto byl a je tento systém, v porovnání s jinými ternárními systémy, např. Fe C Cr, Fe C Ni velmi málo studován (jak teoreticky, tak experimentálně) – stále tedy existuje o ternárním systému Fe-C-O jen velmi málo údajů. Z tohoto důvodu je studium systému Fe-C-O stále aktuální téma. Jednou z možností popisu tepelného chování systémů na bázi Fe jsou metody termické analýzy – zejména diferenční termická analýza (DTA), diferenční skenovací kalorimetrie (DSC) a kalorimetrie. Těmito metodami lze získat některá termofyzikální a termodynamická data, např. teploty a latentní tepla fázových transformací, tepelné kapacity a jejich závislost na teplotě. Experimentální podmínky mohou mít značný vliv na termofyzikální a termodynamická data získávaná pomocí těchto metod. Disertační práce je zaměřena především na studium teplot fázových transformací modelových slitin na bázi Fe C O, pomocí diferenční termické analýzy (DTA). Pomocí metody DTA byly při rychlostech ohřevu 2, 4, 7, 10, 15 a 20 K/min stanoveny teploty fázových transformací slitin na bázi Fe C O. S rostoucí rychlostí ohřevu docházelo k posunu teplot fázových transformací k vyšším hodnotám. Získané teploty byly extrapolovány na „nulovou“ rychlost ohřevu. Teploty extrapolované na „nulovou“ rychlost ohřevu by měly být velmi blízké teplotám rovnovážným. Experimentálně získané teploty fázových transformací slitin Fe-C-O byly porovnány s teplotami uváděnými rovnovážným metastabilním fázovým diagramem Fe-C a rovnovážným fázovým diagramem Fe O. Modelováním termofyzikálních a termodynamických vlastností slitin na bázi Fe-C-O (pomocí metody CALPHAD) byly vypočítány teploty fázových transformací. Experimentálně získané teploty fázových transformací slitin Fe-C-O byly porovnány s vypočítanými teplotami. Dále byla provedena metodická měření vedoucí k popisu vlivu experimentálních podmínek metod DTA a DSC (velikosti vzorku a rychlosti ohřevu) na získávané hodnoty teplot a tepelných efektů fázových transformací „čistého“ železa. Z výsledků těchto měření byly získány závislosti vyjadřující vliv hmotnosti vzorku a rychlosti ohřevu na teploty a tepelné efekty fázových transformací. Na základě závislostí vyjadřujících vliv hmotnosti vzorku a rychlosti ohřevu na teploty fázových transformací lze korigovat (extrapolovat) na „nulovou“ hmotnost a „nulovou“ rychlost ohřevu teploty získané u dalších studovaných kovových systémů na bázi Fe, např. ocelí. Pro studované systémy lze takto získat teploty blízké teplotám rovnovážným bez nutnosti provádění časově náročného souboru experimentálních měření.

Abstract:

Carbon and oxygen are present in all steels (Fe-C-O system forms the basis of all steels), in spite of that this system, in comparison with other ternary systems, such as Fe C Cr, Fe C Ni, has not been sufficiently investigated (both theoretically and experimentally) - therefore still only very few data are available about the ternary Fe-C-O system. For this reason, the investigation of the Fe-C-O system is still a highly topical issue. Methods of thermal analysis - especially differential thermal analysis (DTA), differential scanning calorimetry (DSC) and calorimetry represent one of the possibilities for description of thermal behaviour of the Fe based systems. These methods make it possible to obtain some thermo-physical and thermo-dynamic data, such as temperatures and latent heats of phase transformations, heat capacities and their dependence on temperature. Experimental conditions may have a significant influence on the thermo-physical and thermo-dynamic data obtained using these methods. The dissertation is focused particularly in investigation of temperatures of phase transformations of Fe-C-O based model alloys performed by differential thermal analysis (DTA). The temperatures of phase transformations of Fe-C-O based alloys were determined using the DTA method at the heating rates of 2, 4, 7, 10, 15 and 20 K/min. The temperatures of phase transformations shifted with the increasing heating rate towards the higher values. The obtained temperatures were extrapolated to the “zero“ heating rate. The temperatures extrapolated to the “zero“ heating rate should be very close to the equilibrium temperatures. The experimentally obtained temperatures of phase transformations of the Fe-C-O based alloys were compared with the temperatures given in the equilibrium meta-stable phase diagram Fe-C and equilibrium phase diagram Fe O. Temperatures of phase transformations were calculated by modelling of thermo-physical and thermo-dynamic properties of the Fe-C-O based alloys (with use of the CALPHAD method). The experimentally obtained temperatures of phase transformations of the Fe-C-O based alloys were compared with the calculated temperatures. Methodological measurements leading to description of influence of experimental conditions for the DTA and DSC methods (sample size and heating rate) on the obtained values of temperatures and thermal effects of phase transformations of “pure“ iron were performed. Dependences expressing the influence of the sample mass and the heating rate on the temperatures and the thermal effects of phase transformations were obtained from the results of these measurements. On the basis of dependences expressing the influence of the sample mass and the heating rate on the temperatures of phase transformations it is possible to correct (to extrapolate) the heating rate obtained in other Fe-based metallic systems, such as steels, to the "zero" mass and the "zero" heating rate. It is thus possible to obtain for the investigated systems the temperatures close to the equilibrium temperatures without necessity of making set of experimental measurements, which is highly time-consuming.

Keywords

DTA, DSC, Fe-C-O, experimentální podmínky

Keywords

DTA, DSC, Fe-C-O, experimental conditions

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 23. 8. 2013

Thesis defence

• Date of defence: 9. 10. 2013
• Supervisor: Bedřich Smetana
• Reader: Ivan Imriš, Karel Michalek, Boleslav Taraba

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství

Doctoral programme / field:
Metalurgie / Chemická metalurgie