Влияние состава (чистоты) образца

На рис. 5.1 представлена кривая, полученная на модуле для сканирующего дифференциального термического анализа SDTA851e. Образец – чистый алюминий марки Ал-0000. Измерения проводились при нагреве образца (слева от вертикальной штриховой линии) и при его охлаждении (справа от штриховой линии) со скоростью 5 К/мин в температурной области 500÷750°С, включающей плавление и кристаллизацию.

При анализе кривых, получаемых практически во всех методах термического анализа, следует иметь в виду, что участки кривых, примыкающие ко времени скачкообразного изменения режима эксперимента (на рис. 5.1 выделены штриховыми овальными линиями), принимать во внимание не следует.

Из рис. 5.1 видно, что на кривой есть четкий излом (отмечен вертикальной штриховой линией) при температуре, совпадающей (в пределах погрешности эксперимента) с температурой плавления алюминия – 660 °С.

Известно[3], что плавление однокомпонентного чистого вещества происходит при постоянной температуре[4]. На термограмме СДТА этому должен соответствовать вертикальный скачок, если по оси абсцисс отложена температура. Однако на рис. 5.1 видна наклонная прямая, занимающая температурный интервал около 25 °С. Причина этого заключается в том, что в используемом приборе рабочий спай термопары не находится в непосредственном контакте с образцом, а расположен под ним. Между образцом и термопарой есть промежуток, обладающий определенным термическим сопротивлением Поэтому прибор регистрирует фактически температуру

После завершения процесс плавления температура образца достаточно быстро выравнивается с температурой печи (или эталона). В результате на кривой СДТА виден пик с прямолинейной левой частью и близкой к экспоненте правой частью. Завершению процесса плавления отвечает острая вершин пика. Плавление – процесс эндотермический, поэтому пик направлен острием вниз.

Кристаллизации материала на кривой СДТА отвечает пик, направленный острием вверх – процесс экзотермический. Пики, отвечающие плавлению и кристаллизации, практически зеркально симметричны. Однако на пике, отвечающем кристаллизации, заметен, хотя и слабо, важный с позиций кинетики фазовых превращений эффект. В начале этого пика есть небольшой, практически вертикальный участок (отмечен горизонтальным штриховым овалом), расположенный при температуре, несколько меньшей[5], чем равновесная температура кристаллизации. Этот участок соответствует эффекту, известному как переохлаждение расплава.

На рис. 5.2 показаны результаты СДТА эксперимента с порошкообразным алюминием (порошок марки ПА-4 ГОСТ 6058-73), проведенного по тому же режиму, что и эксперимент с чистым алюминием. Штриховыми прямоугольниками на этом рисунке вырезаны участки кривой, не представляющие интереса для проводимого здесь анализа. Здесь также видны пики при плавлении и кристаллизации. Главное их отличие от пиков для чистого алюминия заключается в том, что перелом кривой в начале процессов плавления и кристаллизации и острота вершин пиков сглажены, закруглены. Это означает, что агрегатные превращения в исследуемом материале начинаются и завершаются не строго при фиксированной температуре, а занимают некоторый температурный (и временной) интервал, что характерно для многокомпонентных материалов[6]. Действительно, согласно ГОСТу, в порошке ПН-4 алюминия содержится лишь около 98 %, остальное – примеси
железа, кремния и др.

 

В подтверждение сказанному приведем результаты СДТА образца материала, полученного компактированием порошков алюминия и карбида кремния в соотношении 7:3 (рис. 5.3). Здесь сглаживание пиков еще более заметно. (возможно заменить на сплав)