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【兆恒機械】差示掃描量熱方法在金屬材料中的應用

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  • 添加日(ri)期:2021年06月28日(ri)


差示掃描量熱法(DSC)是當代六大熱分析技術之一,具有檢測速度快、精度高、適用范圍廣和樣品用量小等優點,下面將分別介紹差示掃描量熱法在金屬材料參數檢測和熱處理工藝制定中的應用。
 
1. 熔(rong)化溫度范圍的(de)測(ce)定

 定義和意義

測試參(can)考的(de)標準為(wei)(wei)GB/T 1425-1996《貴金屬(shu)及其合(he)金熔(rong)化(hua)(hua)溫度(du)(du)(du)范圍的(de)測定》,對(dui)于(yu)純金屬(shu)或單相(xiang)合(he)金來說(shuo),熔(rong)化(hua)(hua)峰(feng)可(ke)能(neng)只有(you)一(yi)個,見圖(tu)(tu)1純錫的(de)熔(rong)化(hua)(hua)峰(feng),材料(liao)的(de)純度(du)(du)(du)越(yue)高,熔(rong)程(cheng)越(yue)短(duan),反之越(yue)長;對(dui)于(yu)兩相(xiang)或多相(xiang)熔(rong)化(hua)(hua)溫度(du)(du)(du)不(bu)一(yi)致(zhi)的(de)金屬(shu)材料(liao)來說(shuo),熔(rong)化(hua)(hua)吸熱峰(feng)可(ke)能(neng)有(you)多個,圖(tu)(tu)2為(wei)(wei)80Sn-20Pb合(he)金的(de)熔(rong)化(hua)(hua)曲線,該合(he)金共有(you)兩個熔(rong)化(hua)(hua)峰(feng),第一(yi)個對(dui)應的(de)是Sn-Pb合(he)金相(xiang)圖(tu)(tu)中的(de)共晶溫度(du)(du)(du)點(dian),183℃,在此溫度(du)(du)(du)下發生:Sn+Pb →L(液體)反應,α(Pb)固溶(rong)體和部分β(Sn)固溶(rong)體同時熔(rong)化(hua)(hua)為(wei)(wei)液體,隨著溫度(du)(du)(du)的(de)升高到達204℃時,剩余的(de)β(Sn)固溶(rong)體全部熔(rong)化(hua)(hua)結束。


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圖1  純Sn熔化的DSC測試曲線

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 圖2  80Sn-20Pb合(he)金熔化的DSC測試曲(qu)線
 
2 .熔化和結晶焓值的測定

定義和意義

單位質量的樣品熔化或結晶所吸收或放出的熱量值屬于基本的熱力學參數,是評價金屬材料相變儲能材料熱能力大小的重要指標之一。

在程序控制溫度下,測量輸入到試樣與空白試樣間的熱流差隨溫度變化的曲線,根據曲線上的熔融和結晶峰面積計算得出試樣熱焓值,見圖3。

目前國內尚無測試金屬材料熱焓的國標或行標,國外關于熔化和結晶熱焓的測試標準有:美標ASTM E793-12《差示掃描量熱法測定熔化和結晶熱焓的標準試驗方法》,適用性較廣,適合測試金屬材料的熱焓。它是將試樣快速加熱至預期熔融溫度以下50℃,建立平衡。在熔融范圍內以10℃/min速率加熱試樣直至熔化吸熱峰后基線穩定。保溫2分鐘。然后以10℃/min速率進行降溫。樣品量為1~15mg,試驗前需采用標準試樣對儀器的靈敏度進行校準。
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圖3 純(chun)銦的DSC熔(rong)化融曲線
 
3.鈦合金相轉變點的測定

定義和意義

鈦合金相轉變溫度,簡寫為Tβ,相變點是制定鈦合金最佳的熱加工變形參數和熱處理參數的依據,所以精確的測定此參數對鈦及鈦合金力學性能的設計具有非常重要的意義。

原理和方法

鈦合金加熱相變時由密排六方的α相轉變為體心立方的β相發生吸熱反應,DSC測試時檢測到熱流的變化,在曲線上表現為明顯的吸熱峰或基線的遷移,對于純鈦或α型鈦合金來說,相轉變峰比較尖銳,這是由于參與反應的α相量較多,所以熱效應明顯,見圖4中的TA18鈦合金DSC曲線圖;但對于兩相或亞穩定β型鈦合金來說,由于參與相變的α相量較小,并且相轉變是一個持續的過程,峰的寬度較大導致熱效應不明顯,見圖5的TB10合金和圖6中TC4鈦合金的DSC曲線,吸熱峰較寬且不明顯,在曲線上為“臺階”類型的峰,有時會誤認為是基線,給判斷造成了一定的困難,所以標準HB6623.1中規定對相變峰不明顯的曲線,用一階微分曲線DDSC曲線的極值點(即拐點)來確定相轉變點。

目(mu)前測(ce)(ce)試(shi)的方法標準(zhun)只有(you)航標HB6623.1-92《鈦合(he)(he)金β轉(zhuan)變溫(wen)度測(ce)(ce)定(ding)方法 差熱(re)(re)分析(xi)法》。該標準(zhun)是(shi)20世紀90年代制定(ding)的標準(zhun),當時采用差熱(re)(re)儀DTA來(lai)測(ce)(ce)試(shi),但(dan)(dan)(dan)是(shi)隨(sui)著測(ce)(ce)試(shi)手段的不斷(duan)進步(bu),DTA的測(ce)(ce)試(shi)精度要低于DSC,常采用DSC來(lai)測(ce)(ce)試(shi)相轉(zhuan)變溫(wen)度。標準(zhun)規定(ding)試(shi)驗一般的升溫(wen)速(su)(su)(su)率為20K/min,對(dui)于熱(re)(re)效(xiao)應(ying)(ying)不明顯的樣(yang)品(pin),可將升溫(wen)速(su)(su)(su)率提高至40K/min,但(dan)(dan)(dan)是(shi)會(hui)(hui)導致(zhi)相變反應(ying)(ying)滯后,測(ce)(ce)試(shi)溫(wen)度將會(hui)(hui)偏(pian)高,所以還應(ying)(ying)盡量選擇(ze)較慢(man)的升溫(wen)速(su)(su)(su)率。此時可通過(guo)增加樣(yang)品(pin)量來(lai)增加熱(re)(re)效(xiao)應(ying)(ying),一般樣(yang)品(pin)量在50mg以上(shang),但(dan)(dan)(dan)試(shi)樣(yang)的厚度不應(ying)(ying)太大,否(fou)則(ze)會(hui)(hui)增加試(shi)樣(yang)內部的溫(wen)度梯度導致(zhi)相變溫(wen)度滯后;試(shi)樣(yang)形狀應(ying)(ying)為片狀,表面光潔且與坩堝底部緊(jin)密貼(tie)合(he)(he)增加熱(re)(re)傳導;選擇(ze)導熱(re)(re)性能較好(hao)的保護氣氛,如He氣;選擇(ze)導熱(re)(re)性較好(hao)的Pt坩堝。所以選擇(ze)合(he)(he)適(shi)的試(shi)驗條(tiao)件對(dui)準(zhun)確(que)測(ce)(ce)定(ding)相變溫(wen)度非常重要。


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圖4  TA18鈦合金的DSC曲線圖
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 圖(tu)5  TB10鈦合金的DSC曲線圖(tu)
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 圖(tu)6  TC4鈦合金的DSC曲線圖(tu)