Wydział Mechaniczny
Instytut Informatyki i ZarzÄ…dzania ProdukcjÄ…
Zakład In\
ynierii Jakości
Temat: Podstawy metody analizy termiczno 
derywacyjnej (ATD)
Autorzy:
Dr hab. in\
. J. Mutwil
Mgr in\
. K. Kujawa
Zielona Góra, 2006
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z praktyczną realizacją próby ATD, stosowanej
zarówno do kontroli jakości ciekłych metali i stopów, jak i badań naukowych nad ich
krystalizacjÄ….
2. Wprowadzenie  teoretyczne podstawy metody analizy termiczno-
derywacyjnej
Analiza termiczno derywacyjna (ATD) jest najczęściej stosowaną metodą kontroli produkcji
stopów. Metoda analizy termiczno derywacyjnej stanowi rozwinięcie metody termicznej,
polegającej na ciągłej rejestracji temperatury krzepnącego metalu. W metodzie ATD oprócz
rejestrowanej temperatury liczona jest jej pochodna po czasie.
AnalizÄ™ termiczno derywacyjnÄ… przeprowadza siÄ™ poprzez wlanie badanego metalu do
próbnika wykonanego z masy skorupowej, w którym znajduje się termoelement do pomiaru
temperatury. Termoelement ten podłączony jest do aparatury rejestrująco - przetwarzającej.
Powszechnie stosowany w Polsce jest opracowany pod kierunkiem prof. S. Jury [9] aparat
Crystaldigraph (rys. 1a) i odpowiadający mu próbnik ATD-10 (rys. 1b).
a) b)
Rys. 1. Przykładowy schemat stanowiska pomiarowo  rejestrującego wykorzystywanego w metodzie
ATD (a) oraz próbnik ATD-10 (b) [2]
Typowy wykres ATD (rys. 2) ilustruje dwie krzywe: stygnięcia T(t) i krystalizacji T (t).
Krzywa stygnięcia jest wykresem funkcji zmian temperatury w czasie trwania procesu
chłodzenia metalu. Widoczne są na niej dwa  przystanki temperaturowe . Pierwszy powstaje
przy osiągnięciu temperatury początku krystalizacji (likwidus), a drugi przy osiągnięciu
temperatury końca krzepnięcia (solidus). Dla czystych metali występuje tylko jeden
 przystanek , bo temperatura likwidus jest równa temperaturze solidus (TL=TS).
2
Rys. 2. Wykres analizy termiczno-derywacyjnej procesu stygnięcia stopu AlSi7 [2]
Rys. 3. Fragment układu równowagi fazowej stopu Al-Si [8]
Dla przybli\
enia i zrozumienia tego procesu na rysunku 3 przedstawiono wykres
równowagi fazowej stopu Al-Si. Przekrój fazowy stopu AlSi7 zaznaczono linią przerywaną.
Stygnięcie przebiega wzdłu\
tej linii, a więc przez stan ciekły od punktu P do punktu L czyli
początku krystalizacji fazy ą. Dalsze stygnięcie i krystalizacja fazy przebiega do punktu S
czyli początku krystalizacji eutektyki. Następnie stop krzepnie do całkowitego wyczerpania
cieczy eutektycznej. Na wykresie stygnięcia (rys. 2) nie mo\
na w sposób jednoznaczny
3
wyznaczyć temperatury końca krzepnięcia TF. Niekiedy przemiany fazowe są tak nisko
energetyczne, \
e przystanki temperaturowe mogą być niewidoczne. W takich przypadkach
pomocna okazuje się krzywa krystalizacji, będąca pochodną funkcji stygnięcia, gdy\
na niej
du\
o bardziej widoczne sÄ… nawet najmniejsze efekty cieplne. Wyra\
a siÄ™ ona wzorem:
dT(t)= f 2 (t) (1)
2
T (t)=
dt
Krzywą dT/dt wyznacza się w sposób numeryczny. Obliczenia te dokonywane są
równocześnie z pomiarem temperatury. Krzywa T (krystalizacji) stanowi odzwierciedlenie
procesu krystalizacji badanego stopu i ustala wiele charakterystycznych punktów. Najbardziej
charakterystycznymi w powiązaniu z krzywą stygnięcia są jej przecięcia z osią zerową. Są to
punkty Pk, B, C, E. Punkty te odniesione na krzywą stygnięcia wyznaczają charakterystyczne
temperatury TPk= TLmin, TB= TLmax, TC=TSmin, TE=TSmax. Temperatury TLmax i Tsmax sÄ… to
 stabilne" temperatury likwidus i solidus krzepnięcia stopu. Natomiast temperatury TLmin, TSmax,
oznaczajÄ… metastabilne temperatury tych samych przemian jako temperatury maksymalnego
przechłodzenia. Oprócz omówionych ju\
punktów charakterystycznych są maksima i minima
na pochodnej stygnięcia oznaczone punktami A, D i F, które wyznaczają odpowiednio
temperatury maksymalnego efektu cieplnego krystalizacji fazy Ä… (punkt A) oraz eutektyki
(Ä…+² punkt D). TemperaturÄ™ koÅ„ca procesu krzepniÄ™cia wyznacza punkt F.
Tak więc, pierwsza pochodna krzywej stygnięcia pozwala na jednoznaczne określenie
charakterystycznych temperatur. W ten sposób wyznaczona pochodna spełnia rolę
pomocniczą w dalszej analizie. Dzięki precyzyjnemu wyznaczeniu temperatur mo\
na
odwrócić twierdzenie i wyznaczyć dosyć dokładnie zawartość niektórych pierwiastków w
badanym stopie. Takie wykorzystanie metody ATD znajduje coraz szersze zastosowanie nie
tylko do badań naukowych, ale równie\
w odlewniczych systemach kontroli jakości. Na
rysunku 4 przedstawione jest stanowisko do sterowania jakością stopów. Taka organizacja
odlewni umo\
liwia korektę ciekłego metalu przed odlaniem go do form, co z kolei
przyczynia się do zmniejszenia ilości braków odlewów, spowodowanych złą jakością stopu.
Rys. 4. Stanowisko kontroli stopów z wykorzystaniem metody ATD [7]
4
3. Opis ćwiczenia
Schemat stanowiska do realizacji próby ATD pokazano na rysunku 1. Analizę termiczno-
derywacyjną przeprowadza się poprzez wlanie badanego metalu do próbnika 2 wykonanego z
masy skorupowej o wymiarach Ć30 x 40mm. W pomiarze rejestrowane są trzy temperatury
mierzone termoelementami płaszczowymi Ć1mm typu K lub N z nieosłoniętą spoiną
pomiarowÄ….
Rys. 4. Stanowisko do analizy termiczno-derywacyjnej (ATD): 1  termoelementy płaszczowe,
2  tuleja skorupowa, 3  skorupowa podstawa formy, 4  tygiel z ciekłym metalem, 5  statyw,
6  nakrętki do mocowania termoelementów, 7  przewody kompensacyjne, 8 
mikroprocesorowy rejestrator, 9  komputer.
Termoelementy w liczbie trzech* są wprowadzane do formy od góry tak, aby ich
spoiny pomiarowe znajdowały się na 1/3 wysokości próbnika 2. Termoelementy
rozmieszczone są w równych odstępach od siebie wzdłu\
promienia odlewu, tj. w centrum, w
połowie promienia oraz przy ściance formy. Stabilność rozmieszczenia termoelementów
uzyskujemy zaciskając je pomiędzy nakrętkami 6 (szczegół A, rys. 1) znajdującymi się na
gwintowanym wysięgniku statywu 5. Statyw 5 zapewnia mo\
liwość regulacji długości
wysięgnika oraz wysokości jego poło\
enia. Skorupowa podstawa formy 3 zapewnia stabilne
ustawienie oraz uszczelnienie dna próbnika.
Termoelementy połączone są przewodami kompensacyjnymi 7 do aparatury
rejestrująco - przetwarzającej, na którą składa się mikroprocesorowy rejestrator 8 i komputer
9 połączone poprzez port szeregowy. Przy pomocy mikroprocesorowego rejestratora
dokonywany jest pomiar temperatur i na komputerze przeprowadza siÄ™ analizÄ™ termicznÄ… i
derywacyjnÄ… krzepnÄ…cego stopu.
*
- analiza z wykorzystaniem trzech czujników mo\
e dostarczyć dodatkowych informacji, gdy są one zbędne
wystarczy zachować termoelement centralny.
5
4. Przebieg ćwiczenia.
Ćwiczenie wykonywane jest na opisanym w punkcie 3 stanowisku do realizacji próby ATD.
W ćwiczeniu rejestrację sygnałów pomiarowych zapewnia (rys. 4) podłączony do komputera
mikroprocesorowy rejestrator PDOC-16.
W ćwiczeniu mierzone są (rys. 4):
" temperatura odlewu w trzech punktach (T1, T2, T3),
Ćwiczenie nale\
y wykonać w oparciu o następujące czynności:
A. Przygotowanie badanego metalu,
B. Konfigurowanie programu do obsługi rejestratora PDOC-16,
C. Podłączenie do systemu pomiarowego i sprawdzenie poprawności wskazań
termoelementów,
D. Przygotowanie stanowiska pomiarowego do przeprowadzenia próby,
E. Zalanie formy ciekłym metalem i rozpoczęcie rejestracji sygnałów
pomiarowych,
F. Zapisanie na dysku wyników pomiaru,
A. Przygotowanie badanego metalu.
Badany stop nale\
y doprowadzić do stanu ciekłego w piecu elektrycznym i wygrzać go. Czas
wygrzewania jest zale\
ny od składu chemicznego i ma zapewnić całkowite rozpuszczenie
wszystkich pierwiastków w stopie. Termostat pieca elektrycznego nale\
y nastawić na
temperaturę, w której będzie zalewany próbnik skorupowy badanym stopem (dla siluminów
temperatura ta wynosi 800°C).
B. Konfigurowanie programu do obsługi rejestratora PDOC-16.
W programie, wg instrukcji do obsługi oprogramowania mikroprocesorowego rejestratora
(rys. 5) [4], nale\
y wybrać kanaÅ‚y temperaturowe (1÷12), które zostanÄ… u\
yte w pomiarze.
Rys. 5. Mikroprocesorowy rejestrator PDOC-16 - widok płyty czołowej.
Dla kanałów temperaturowych mo\
liwy jest wybór termoelementów typu K, N, J, S, B (rys.
6). Do pomiaru nale\
y zadeklarować trzy kanały pomiaru temperatury (np. kanały: 1, 2, 3) i
przypisać im udostępnione termoelementy (zazwyczaj typu K lub N, rys. 6).
Aby było mo\
liwe sprawdzenie poprawności wskazań termoelementów, przed pomiarem
nale\
y zadeklarować wstępny pomiar ciągły. Rodzaj inicjacji pomiaru nale\
y ustawić na
ręczny (przez naciśnięcie dowolnego przycisku). Typowe wartości parametrów próby ATD
dla stopów Al-Si przedstawia tabela 1.
6
Rys. 6. Przykład konfigurowania kanałów do pomiaru temperatury (mo\
liwe do wydruku
kanały: 1-12)
Tabela 1. Wartości parametrów do próby ATD dla stopów Al-Si
Parametry pomiaru: Konfiguracja osi:
Czas pomiaru: 720 [s], Max odciętej (czas): 720 [s],
Krok pomiaru: 1 [s], Min odciętej: 0 [s],
Czas zmiany kroku: 60 [s], Max rzÄ™dnej (temperatura): 800 [°C],
Krok poczÄ…tkowy: 0.1 [s], Min rzÄ™dnej: 0 [°C],
C. Podłączenie do systemu pomiarowego i sprawdzenie poprawności wskazań
termoelementów.
Dla termoelementów nale\
y dobrać odpowiednie przewody kompensacyjne (zgodne z typem
termoelementów). Po podłączeniu do rejestratora trzech termoelementów nale\
y przejść do
pomiaru wstępnego ciągłego, który umo\
liwi sprawdzenie poprawności ich wskazań.
Wartości te wyświetlane są na bie\
Ä…co na monitorze komputera (rys. 7).
a) b) c)
Rys. 7. Obraz ekranu monitora w pomiarze wstępnym: a) prawidłowe wskazania, b) brak lub
uszkodzenie termoelementu w kanale drugim, c) sprawdzanie dynamiki wzrostu rejestrowanych zmian.
7
Porównanie wskazań kanałów pozwala ocenić czy wszystkie termoelementy są sprawne i
zostały poprawnie podłączone (rys. 7a-b). W kolejnym kroku podgrzewamy spoiny
pomiarowe termoelementów i obserwujemy dynamikę wzrostu temperatur na monitorze. Na
rysunku 7c wskazanie temperatury termoelementu z drugiego kanału znacznie odbiega od
pozostałych, dlatego nale\
y go wymienić.
D. Przygotowanie stanowiska pomiarowego do przeprowadzenia próby.
Stanowisko do pomiaru metodÄ… ATD nale\
y przygotować zgodnie z opisem przedstawionym
w punkcie 3 oraz schematem przedstawionym na rysunku 4. W pierwszej kolejności
pomiędzy nakrętkami 6 na wysięgniku statywu 5 nale\
y umieścić termoelementy płaszczowe
1, których spoiny pomiarowe powinny być na jednakowej wysokości. Na skorupową
podstawę formy 3 nakładamy tuleję skorupową 2 do której wprowadzamy umieszczone na
statywie termoelementy 1. Ich spoiny pomiarowe powinny znajdować się na 1/3 wysokości
tulei skorupowej 3 i być rozmieszczone na jej promieniu (tj. centrum, połowie promienia i
przy ściance). Pomiar wstępny ciągły nale\
y zakończyć naciskając klawisz ENTER.
E. Zalanie formy ciekłym metalem i rozpoczęcie rejestracji sygnałów pomiarowych.
Po zakończeni sprawdzania poprawności wskazań termoelementów, kończymy pomiar
wstępny ciągły naciskając klawisz ENTER. Program przejdzie w stan gotowości do
rozpoczęcia pomiaru, a na monitorze zostanie wyświetlone okno gotowości do pomiaru (rys.
8). Ręczna inicjacja pomiaru odbywa się przez naciśnięcie dowolnego klawisza, po czym
nale\
y rozpocząć zalewanie próbnika skorupowego ciekłym metalem z tygla.
a) b)
Rys. 8. Obraz ekranu monitora: a) okno gotowości do pomiaru, b) powiększenie komunikatu.
F. Zapisanie na dysku wyników pomiaru.
Po zakończonym pomiarze, któremu towarzyszy sygnał dz
więkowy, nale\
y zapisać wyniki
pomiaru na dysku komputera. W programie wg instrukcji do obsługi oprogramowania
rejestratora nale\
y w odpowiednich polach umieścić informacje o: składzie chemicznym
badanego stopu, dacie wykonania próby, prowadzącym zajęcia, grupie laboratoryjnej.
8
4. Opracowanie wyników.
Za pomocą programu komputerowego słu\
ącego do obróbki sygnałów mierzonych
mikrokomputerowym systemem pomiarowym PDOC-16 (autorstwa J. Mutwila) sporzÄ…dzamy
wykres krzywej stygnięcia (T(t)) oraz krzywej krystalizacji (dT/dt(t)) badanego stopu.
Na wykresie zaznaczamy istotne etapy pomiaru, stosując się do następujących oznaczeń:
P  przechłodzenie przed temperaturą likwidus (jeśli wystąpiło);
L  temperatura likwidus;
D  przechłodzenie przed temperaturą eutektyczną (jeśli wystąpiło);
E  temperatura eutektyczna (jeśli wystąpiła);
K  koniec krzepnięcia;
G  wydzielenia odrębnej fazy (je\
eli wystąpiły);
T (t)
T(t)
Rys. 6. Wykres ATD dla stopu AK52 modyfikowanego AlSr10+AlTi5B wykonany w programie
PDOC-16
9
Literatura uzupełniająca
1. Perzyk M., S. Iwaszkiewicz, Odlewnictwo, WNT Warszawa 2000
2. Pietrowski S., Siluminy Politechnika A
ódzka A
ódz
2001
3. Górny Z., Tom II Przygotowanie ciekłego metalu, Instytut Odlewnictwa Kraków
1995
4. Mutwil J., śygadło M. :Mikroprocesorowy system do badania zjawisk i procesów
odlewniczych, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, vol. Nr 1, 2000, s.
117-126
5. Mutwil J. Zastosowanie mikroprocesorowych systemów kontrolno-pomiarowych w
in\
ynierii produkcji: In\
ynieria produkcji, Oficyna Wydawnicza UZ, Zielona Góra
2005.
6. E. Fraś, Krystalizacja metali i stopów, Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa
1992.
7. Pietrowski S., Gumienny G., Pisarek B.: Kontrola produkcji wysokojakościowych
stopów odlewniczych metodą ATD, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji,
PAN, 2004, vol. 24, 3 spec.
8. Gawroński J., Szajnar J., Jura Z., Studnicki A., Archiwum Odlewnictwa, PAN, 2004
vol. 4 Nr 16.
9. Jura S., Istota metody ATD. Nowoczesne metody oceny jakości stopów. PAN-
Katowice, Instytut Odlewnictwa Pol. Åšl. 1985.
10