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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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  • 添加日期:2021年06月28日


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. 熔化溫度范圍的測定

 定義和意義

測試參考的標準為GB/T 1425-1996《貴金屬及其合金熔化溫度范圍的測定》,對于純金屬或單相合金來說,熔化峰可能只有一個,見圖1純錫的熔化峰,材料的純度越高,熔程越短,反之越長;對于兩相或多相熔化溫度不一致的金屬材料來說,熔化吸熱峰可能有多個,圖2為80Sn-20Pb合金的熔化曲線,該合金共有兩個熔化峰,第一個對應的是Sn-Pb合金相圖中的共晶溫度點,183℃,在此溫度下發生:Sn+Pb →L(液體)反應,α(Pb)固溶體和部分β(Sn)固溶體同時熔化為液體,隨著溫度的升高到達204℃時,剩余的β(Sn)固溶體全部熔化結束。


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圖1  純Sn熔化的DSC測試曲線

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 圖2  80Sn-20Pb合金熔化的DSC測試曲線
 
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 純銦的DSC熔化融曲線
 
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。

目前測試的方法標準只有航標HB6623.1-92《鈦合金β轉變溫度測定方法 差熱分析法》。該標準是20世紀90年代制定的標準,當時采用差熱儀DTA來測試,但是隨著測試手段的不斷進步,DTA的測試精度要低于DSC,常采用DSC來測試相轉變溫度。標準規定試驗一般的升溫速率為20K/min,對于熱效應不明顯的樣品,可將升溫速率提高至40K/min,但是會導致相變反應滯后,測試溫度將會偏高,所以還應盡量選擇較慢的升溫速率。此時可通過增加樣品量來增加熱效應,一般樣品量在50mg以上,但試樣的厚度不應太大,否則會增加試樣內部的溫度梯度導致相變溫度滯后;試樣形狀應為片狀,表面光潔且與坩堝底部緊密貼合增加熱傳導;選擇導熱性能較好的保護氣氛,如He氣;選擇導熱性較好的Pt坩堝。所以選擇合適的試驗條件對準確測定相變溫度非常重要。


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