Badanie dylatometryczne żeliwa w zakresie przemian fazowych

PROJEKT NR: POIG.01.03.01-12-061/08 „Badania i rozwój nowoczesnej technologii tworzyw odlewniczych odpornych na zmęczenie cieplne”
Badanie dylatometryczne żeliwa w
zakresie przemian fazowych
zachodzących w stanie stałym
Zakopane,
23-24 maja 2013 r.
ul. Zakopiańska 73
30-418 Kraków
tel. +48 12 26 18 111
fax +48 12 26 60 870
[email protected]
Autorzy:
Andrzej Gazda
Andrzej Pytel
Łukasz Boroń
www.iod.krakow.pl
1. Badania właściwości termofizycznych
Dla badanych materiałów, przeprowadzono kompleksowe badania właściwości
termofizycznych
związanych ze
zmianami wymiarowymi (metoda dylatometryczna),
przewodzeniem ciepła (metoda LFA) oraz metodą kalorymetryczną (różnicowa analiza
termiczna - DSC).
1.1. Badania dylatometryczne
Badania
przeprowadzono
w dylatometrze
DIL
402C/4/G
firmy NETZSCH,
przeznaczonym do pomiarów rozszerzalności cieplnej metali i stopów, materiałów
ceramicznych (włącznie z materiałami typu odlewniczych mas formierskich). Dylatometr
pozwala na:

identyfikację i analizę przemian fazowych zachodzących w stanie stałym, określenie
wartości temperatur,

wyznaczenie zmian wymiarowych w funkcji temperatury,

wyznaczenie współczynników rozszerzalności liniowej w stanie stałym  =  (T) oraz
m = m (T) (średni wsp. rozszerz. liniowej), z dokładnością 0,03 10-6 1/K i
powtarzalnością 0,01 10-6 1/K,

wyznaczanie zależności gęstości materiałów w stanie stałym od temperatury  =  (T).
Zgodnie z definicją gęstości (T) = m/V(T) w celu określenia tej wielkości, niezbędna
jest znajomość zmian objętości próbki w funkcji temperatury. Wyrażenie na zależność
gęstości od temperatury ma postać:
 = o / (1+mT)3 = o / (1+L/Lo)3
/1/
Badania dylatometryczne przeprowadzono w atmosferze ochronnej argonu z
szybkością nagrzewania 5 K/min w zakresie od temperatury otoczenia do 1000 C
i
szybkością studzenia 5 K/min do temperatury ok. 250 C a następnie - z wyłączonym piecem
- do temperatury otoczenia. Rysunki 1-4 przedstawiają zarejestrowane względne zmiany
rozszerzalności
dL/Lo.
Na
wykresach
zaznaczono
wartości
temperatur
przemiany
eutektoidalnej oraz obliczone współczynniki rozszerzalności cieplnej (fizyczny i średni –
techniczny). W Tab.1 zestawiono wartości temperatury przemiany eutektoidalnej Obliczone
wartości technicznego wsp. rozszerzalności liniowej i wartości końcowego przyrostu
odniesione do względnej zmiany rozszerzalności dL/Lo zamieszczono w Tab.2.
Na Rys.5. przedstawiono obliczone wg wzoru /1/ zależności gęstości stopów od
temperatury. Gęstość materiału o w temperaturze otoczenia 25 C wyznaczono metodą
wagi hydrostatycznej.
dL/Lo *10-3
T. Alpha *10-6 /K-1
Alpha *10-6 /K-1
24
[1.1]
[1.1]
[1.3]
40
16
16
[1.1]
14
20
12
752.0 °C
14
673.0 °C
10
15
0
834.0 °C
8
13
12
751.0 °C
-20
[1.4]
6
11
4
-40
10
9
2
-60
Tref.: 25.0 °C
0
100
200
300
400
500
600
Temperature /°C
700
800
900
8
1000
Rys.1. Względne wydłużenie (linie ciągłe; czerwona - nagrzewanie) i współczynniki
rozszerzalności fizyczny i średni (linia kreskowana) próbki 24
dL/Lo *10-3
T. Alpha *10-6 /K-1
Alpha *10-6 /K-1
25
14
[1.1]
[1.3]
755.2 °C
646.5 °C
12
15
30
14
20
10
13
846.9 °C
8
705.3 °C
[1.4]
614.0 °C
[1.1]
10
732.2 °C
6
12
11
0
10
4
-10
2
0
Tref.: 25.0 °C
100
200
9
8
300
400
500
600
Temperature /°C
700
800
900
1000
Rys.2. Względne wydłużenie (linie ciągłe; czerwona - nagrzewanie) i współczynniki
rozszerzalności fizyczny i średni (linia kreskowana) próbki 25
dL/Lo *10-3
T. Alpha *10-6 /K-1
Alpha *10-6 /K-1
28
[1.1]
[1.1]
[1.3]
16
40
[1.1]
14
690.0 °C
857.0 °C
757.0 °C
20
12
16
15
14
10
0
8
12
778.0 °C
[1.4]
13
-20
6
11
4
-40
2
10
9
-60
Tref.: 25.0 °C
0
100
200
300
8
400
500
600
Temperature /°C
700
800
900
1000
Rys.3. Względne wydłużenie (linie ciągłe; czerwona - nagrzewanie) i współczynniki
rozszerzalności fizyczny i średni (linia kreskowana) próbki 28
dL/Lo *10-3
T. Alpha *10-6 /K-1
Alpha *10-6 /K-1
29
[1.1]
[1.1]
[1.3]
14
[1.1]
20
14
639.0 °C
12
0
763.0 °C
10
-20
843.0 °C
[1.4]
8
757.0 °C
-40
-60
6
-80
4
-100
13
12
11
10
-120
9
2
-140
0
8
Tref.: 25.0 °C
100
200
300
400
500
600
Temperature /°C
700
800
900
1000
Rys.4. Względne wydłużenie (linie ciągłe; czerwona - nagrzewanie) i współczynniki
rozszerzalności fizyczny i średni (linia kreskowana) próbki 29
Tablica 1. Wartości temperatury przemiany eutektoidalnej
Zawartość pierwiastków stopowych
Nr
próbki
Mn
Mo
Cu
Ni
Mg
24
0,56
0,15
0,24
0,57
25
0,57
0,34
1,05
28
0,44
-
29
0,48
0,14
Temperatura przemiany
Przechłodzenie
eutektoidalnej, C
T=Ac3-Ar3
Nagrzewanie
Studzenie
Ac1
Ac3
Ar3
Ar1
0,025
752
834
751
673
83
0,85
0,018
755
847
732
647
115
-
-
0,017
757
857
778
690
79
0,58
0,49
0,019
763
843
757
639
86
Tablica 2. Wartości średniego współczynnika rozszerzalności cieplnej
Średni współczynnik rozszerzalności cieplnej x10
Nr
6
Przyrost
w zakresie temperatury, C
próbki
końcowy, L/L
25-100
25-200
25-300
25-400
25-500
25-600
25-700
25-750
24
10,3
11,8
12,4
12,93
13,4
13,64
13,8
14,1
0,3 x 10
-3
25
10,4
11,8
12,4
12,9
13,4
13,7
14,1
14,6
1,9 x 10
-3
28
11,0
12,4
12,9
13,3
13,6
13,8
13,9
14,0
0,8 x 10
-3
29
10,6
12,0
12,6
13,0
13,4
13,7
14,0
14,2
2,6 x 10
-3
Gęstość
7150
Gęstość, kg/m
3
7050
24
25
28
29
6950
6850
6750
6650
0
100
200
300
400
500
T, °C
Rys.5. Gęstość badanych stopów
600
700
800
900
1000
1.2. Badania kalorymetryczne
Badania
wykonano
kalorymetryczne
za
pomocą
wysokotemperaturowego
różnicowego kalorymetru skaningowego DSC 404 C/3/G Pegasus, który pozwala na:

pomiary ciepła właściwego cp z dokładnością  2.5% (w zakresie 50  1400 C),

pomiary ciepła (zmiany entalpii) H z dokładnością  4%
Pomiary ciepła właściwego wykonano metodą porównawczą wg normy ASTM E 1269
5, wykorzystując szafir jako wzorzec.
Rys.6 przedstawia zależności ciepła właściwego badanych stopów od temperatury.
Wykres prezentuje ciepło właściwe tylko w tym zakresie temperatury, w którym nie zachodzą
przemiany fazowe,
tzn. do ok. 750 C; fragment wysokotemperaturowy pokazuje efekty
cieplne związane z zachodzeniem przemian Curie i eutektoidalnej.
W zakresie od RT do 600 C można zaobserwować wyższe, przekraczające
niepewność
pomiarową
Wysokotemperaturowy
wartości
fragment
ciepła
właściwego
wyznaczonych
dla
krzywych
stopów
cp
24
obejmujący
i
29.
zakres
występowania przemiany eutektoidalnej (Rys.7) wskazuje na ferrytyczną strukturę osnowy
próbek 24 i 29.
Cp /(J/(g*K))
1.10
1.00
0.90
0.80
29
0.70
25
24
0.60
[4]
[1]
[3]
[2]
28
0.50
100
200
300
400
500 600 700 800
Temperature /°C
900 1000
Rys.6. Zależność ciepła właściwego badanych stopów od temperatury
Cp /(J/(g*K))
przemiana eutektoidalna
2.0
Peak: 810.5 °C
1.8
Peak: 832.4 °C
29
Peak: 817.0 °C
Peak: 790.1 °C
1.6
24
1.4
1.2
Peak: 835.4 °C
Peak: 796.6 °C
28
punkt Curie
1.0
25
0.8
[4]
[1]
[3]
[2]
0.6
700
750
800
850
900
Temperature /°C
950
Rys.7. Przemiany fazowe zarejestrowane za pomocą DSC
1.3. Badania przewodnictwa temperaturowego
Do wykonania pomiarów przewodności temperaturowej wykorzystano urządzenie
typu laser-flash LFA 427/4/G firmy Netzsch, służące do pomiaru przewodnictwa
temperaturowego. Zastosowana technika impulsowa pozwala na pomiar współczynnika
przewodzenia temperatury a w zakresie 0,001  10 m2/s, w przedziale temperatury 20 
1500C. Pomiar przewodnictwa temperaturowego jest możliwy z dokładnością 3%
a wyznaczenie przewodnictwa cieplnego z dokładnością 5% w całym zakresie pomiarowym.
Metoda pomiaru współczynnika przewodnictwa temperaturowego metodą laser-flash
w
urządzeniu
LFA
417
polega
na
ogrzaniu
czołowej
powierzchni
próbki
krótkim impulsem laserowym (laser shot) w wyniku czego następuje wzrost temperatury
próbki na przeciwległej powierzchni próbki, mierzony w funkcji czasu za pomocą detektora
podczerwieni
(IR).
Zmierzony
sygnał
pozwala
na
wyznaczenie
przewodnictwa
temperaturowego a i obliczenie przewodności cieplnej  na podstawie zależności /1/.
(T) = a(T) cp(T) T)
Dokładny
opis
urządzenia
/2/
do
pomiaru
przewodnictwa
temperaturowego
i wyznaczenia przewodnictwa cieplnego przedstawiono w pracy [1].
Pomiary współczynnika przewodnictwa temperaturowego wykonano w wysokiej próżni,
w zakresie temperatury od temperatury otoczenia do 1000 oC. Obliczenia współczynnika
przewodnictwa temperaturowego wykonano według modelu matematycznego Cape-
Lehmana. Na każdy punkt pomiarowy (wartość temperatury) składają się trzy pomiary, tzn. 3
oddane „strzały” (impulsy) laserowe.
Rys.8 i 9 przedstawiają zbiorczo uśrednione dla danej temperatury zależności
przewodnictwa temperaturowego i cieplnego od temperatury dla badanych stopów.
Przewodnictwo temperaturowe
20
a, mm2/sek
18
16
24
25
14
12
28
10
29
8
6
4
0
200
400
600
800
1000
T, °C
Rys.8. Przewodnictwo temperaturowe stopów 24, 25, 28 i 29
Przewodność cieplna
70
65
60
 , W/mK
55
24
25
50
45
28
40
29
35
obszar
przemian
fazowych
30
25
20
0
200
400
600
T, °C
Rys.9. Przewodność cieplna stopów 24, 25, 28 i 29
800
1000
1.4. Wnioski
Obserwacje:
DIL:
W próbce 25 można zaobserwować wyraźny przyrost objętości w obszarze przed przemianą
eutektoidalną spowodowany prawdopodobnie przez procesy ferrytyzacji. Ta próba wykazuje
również największe przechłodzenie i duzy przyrost końcowy.
DSC:
Krzywe DSC (liczba i proporcja intensywności pików w zakresie zachodzenia przemiany
eutektoidalnej) wskazują na strukturę ferrytyczną próbek 24 i 29 oraz perlityczno-ferrytyczną
stopu 25 i ferrytyczno-perlityczna stopu 28. Ciepło właściwe (struktura ferrytyczna) próbek 24
i 29 jest wyższe niż stopów 25 i 28.
LFA:
Najwyższe przewodnictwo temperaturowe i przewodność cieplną wykazuje stop 29;
najniższe wartości stop 28.
1.
A.Gazda, M.Homa: Określenie przewodnictwa cieplnego wybranych gatunków żeliwa
sferoidalnego za pomocą pomiaru przewodnictwa temperaturowego metodą laser-flash.
Prace Instytutu Odlewnictwa, 2009, t. XLIX, nr 2, s. 5-18