Studium vybraných termodynamických vlastností kovových systémů metodami termické analýzy

Aleš Kalup

Doctoral thesis

Study of Selected Thermodynamic Properties of Metallic Systems with use of Thermal Analysis Methods

Abstract:

Oceli jsou studované již mnoho desetiletí, přesto existuje velmi málo přesných experimentálních dat dostupných pro konkrétní chemické složení reálné oceli. Pro studium ocelí lze využít data dostupné pro významné ternární (např. Fe-C-Cr, Fe-C-Ni) nebo vyšší systémy (např. Fe-C-Cr-Ni). Tyto systémy ovšem představují pouze přiblížení komplexnímu chování reálných ocelí, proto jsou vlastnosti těchto systémů a reálných ocelí často velmi odlišné. Z tohoto důvodu je studium vlastností reálných ocelí stále aktuální téma. Mnoho termofyzikálních a termodynamických vlastností reálných ocelí lze získat pomocí metod termické analýzy, např. s využitím diferenční termické analýzy (DTA), diferenční skenovací kalorimetrie (DSC), termomechanické analýzy (TMA). Pomocí těchto (a dalších) metod lze získat mnohá termofyzikální a termodynamická data, např. teploty a latentní tepla fázových přeměn, tepelnou kapacitu, lineární koeficient teplotní roztažnosti, hustotu a jejich teplotní závislosti v pevné i kapalné fázi. Tato disertační práce je zaměřena především na experimentální a teoretické studium termofyzikálních a termodynamických vlastností reálných ocelí metodami termické analýzy a závislost těchto vlastností na teplotě. U tří reálných, nízkolegovaných ocelí s obsahem uhlíku od 0,077 hm. % do 0,290 hm. % byly studovány teploty fázových přeměn (počátek eutektoidní transformace, Curieho teplota, ukončení αγ přeměny, teplota solidu, teplota peritektické transformace a teplota likvidu) a latentní tepla s těmito fázovými přeměnami spojená. Dále byla stanovena tepelná kapacita ocelí v teplotním intervalu 200 – 1600 °C, tedy nejen v pevné fázi, ale i v tavenině. V teplotním intervalu 200 – 1400 °C byly určeny lineární koeficient teplotní roztažnosti a hustota. Také bylo v teplotním intervalu 1540 – 1600 °C studováno povrchové napětí taveniny. Výše uvedené termofyzikální a termodynamické vlastnosti reálných ocelí byly teoreticky stanoveny za pomocí programů IDS a Thermo-Calc a získané teoretické hodnoty byly porovnány a diskutovány s experimentálními výsledky. Chemické složení studovaných ocelí se liší především množstvím uhlíku, proto byla mimo jiné ověřena závislost studovaných termofyzikálních a termodynamických vlastností reálných jakostí ocelí na množství tohoto prvku.

Abstract:

Steel are studied for many decades, despite it there are very little accurate data available for exact chemical composition of the real steel grades. For studying steels can be used data available for important ternary systems (i.e. Fe-C-Cr, Fe-C-Ni) or higher systems (i.e. Fe-C-Cr-Ni). However, these systems represent only approach to the complex behaviour of real steel grades, so properties of these systems and real steel grades are often very different. For this reason, the investigation of the properties of real steel grades is still a highly topical issue. Many thermophysical and thermodynamical properties of real steel grades can be obtained by thermal analysis methods, i.e. using the differential thermal analysis (DTA), differential scanning calorimetry (DSC), thermomechanical analysis (TMA). Using these (and other) methods can be obtained many thermophysical and thermodynamical data, i.e. temperatures and latent heats of phase transformations, density, heat capacity and their temperature dependence. This dissertation is focused onto experimental and theoretical study of thermophysical and thermodynamical properties of real steel grades using thermal analysis methods and dependence of these properties on temperature. For three real steel grades, temperatures of phase transformations (start of eutectoid transformation, Curie temperature, end of αγ transformation, temperature of solidus, temperature of peritectic transformation and temperature of liquidus) and corresponding latent heats were studied. Moreover, heat capacity of steels was determined in the temperature interval from 200 to 1600 °C, thus not only in the solid state, but also in the melt. Linear coefficient of thermal expansion and density were determined in the temperature region from 200 to 1400 °C. Also, surface tension of steel melts was determined in the temperature region from 1540 to 1600 °C. All the above mentioned thermophysical and thermodynamical properties of real steel grades were theoretically determined using Thermo-Calc software and obtained theoretical values were compared and discussed with experimental results. Chemical composition of real steel grades differs mainly in the carbon content, so that possibility of dependence of thermophysical and thermodynamical properties of real steel grades to the amount of this element was verified.

Keywords

Ocel, teploty fázových transformací, latentní teplo, tepelná kapacita, koeficient teplotní roztažnosti, hustota, povrchové napětí, IDS, Thermo-Calc

Keywords

Steel, temperatures of phase transformations, latent heat, heat capacity, thermal expansion coefficient, density, surface tension, IDS, Thermo-Calc

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 9. 11. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 30. 11. 2017
• Supervisor: Bedřich Smetana
• Reader: Markéta Tkadlečková, Jiří Kameníček, Boleslav Taraba

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství

Doctoral programme / field:
Metalurgie / Chemická metalurgie