باوجود اینکه مهم ترین ویژگی موثر در ساختار میکروسکوپی فولادها،ترکیب شیمیایی می باشد ولی فرآیند انجماد و آهنگ سردشدن از عوامل مهم دیگری می باشد که بر حضور فازهای غیرتعادلی،اندازه دانه ها و چگونگی توزیع فاز ها تاثیر می گذارند
انجمادیکی از تغییر حالت های متالورژیکی می باشد که طی آن تغییر استحاله از حالت مایع به جامد رخ می دهد.
این استحاله شامل دو مرحله است:
الف-تبلور:جوانه زنی یا تشکیل هسته جامد از فلز مایع که عبارت است از تحول ساختاری مجموعه یا مجموعه هایی از اتم های مایع به جامد.
ب-رشد: که عبارت است از افزایش تدریجی اتم هااز حالت مایع روی سطوح بلوری موجود.
اولین مرحله در انجماد قطعه ریختگی جوانه زنی می باشد که معمولا این جوانه ها برروی اجزا غیرخودی و دیواره های قالب شکل می گیرند.
نظریه جوانه زنی
بر طبق این نظریه نوسانات حرارتی مذاب زمینه ساز اصلی شروع فرآیند انجماد مذاب های فلزی است.به عبارت دیگر وقتی گفته میشود که دمای مذاب برابر باTmاست،بدین معنا نیست که دمای تمام نقاط آنت دقیقا براب Tmاست بلکه بدین معناست که همواره نقاطی در سراسر فاز مذاب وجود دارند که دمای لحظه ای آن ها کمی کمتر ویه مقداری بیشتر از دمای ذوب تعادلی مذاب است. به طوری که دمای میانگین مذاب برابر باTm خواهد بود.بنابراین انتظار میرود که انرژی ارتعاشی اتم های موجود در مناطق گرم تر بیشتر از مناطق سردتر باشد.
در نتیجه در نقاط سرد تر میزان تحرکات میکروسکوپی اتم های مذاب کنتر بوده واحتمال در کنار هم قرار گرفتن آنها به طور لحظه ای بیشتر خواهد بود.
اگر در این مناطق این امکان وجود داشته باشد که اتم ها به قدری به هم نزدیک شوند که ساختار هایی شبیه ساختار فاز مذاب تشکیل دهند،مراکزی در جای جای مذاب مرسوم به هسته به وجود می آیند که که توسط فاز مذاب احاطه شده است.
بدیهی است که چنین هسته منسجمی در معرض ضربات مکرر اتم های فاز مذابی قرار خواهند گرفت که از هر
طرف آنرا احاطه کرده اند لذا اگر استحکام هسته مذکور به اندازه ای نباشد که در برابر چنین ضرباتی ساختمان داخلی خود را حفظ کند ناگزیر است سریعا متلاشی شده و ازبین برود.درغیر این صورت حجم خود را حفظ کرده ودر شرایط مناسب به رشد وبزرگ شدن خود ادامه خواهد داد.
لذا میتوان برای هر هسته ای شعاع بحرانی معینی تصور کرد که اگر کوچک تر از آن باشد فرو خواهد ریخت.
در غیر این صورت به خوشه ای پایدار تبدیل میشود که حتی در شرایط مناسب متالورژیکی با پیوستن اتم های مجاور به آن به رشد خود ادامه دهد،به چنین هسته پایداری جوانه گفته می شود.
انواع روش های جوانه زنی
۱٫جوانه زنی همگن(Homogeneous nucleation)
۲٫جوانه زنی غیرهمگن (Heterogeneous nucleation)
جوانه زنی همگن
تشکیل هسته های یکنواخت و طبیعی از ساختار مایع و رشد تدریجی آنها که می تواند در شرایط عیرتعادلی هم رخ دهد.
مراحل جوانه زنی همگن
الف) تشکیل خوشه(ناپایدار):
_ ایجاد خوشه هایی از اتم های خاص برای افزایش احتمال انجماد.
ب) تشکیل تخمک( ناپایدار):
_ایجاد فصل مشترک حرارتی بین اتم های خوشه های و اتم های همسایه
_کاهش فاصله اتمی در خوشه ها
ج) تشکیل هسته (جوانه پایدار):
_ایجاد فصل مشترک هندسی
جوانه‌زنی غیر یکنواخت یا ناهمگن
نظریه جوانه زنی همگن از نظر مطالعه مکانیزم تشکیل خوشه ها،شرایط پایداری از اهمیت ویژه ای برخوردار است،به طوری که در چنین شرایطی شروع جوانه زنی به تحت تبریدی برابر باTm0.2 نیاز دارد.
به عنوان مثال اهن خالص برای انجماد همگن بایستی تا۲۴۰درجه زیر دمای ذوب سرد شود این در حالی است که در عمل تحت تبرید مورد نیاز برای انجماد اکثر فلزات ازTm0.2به Tm0.02 کاهش میابد به طوری که
∆Tعملی برای انجمادآهن خالص به۲۵درجه میرسد.
دلیل عمده این پدیده وجود سطوح پرانرژی وبه عبارت دیگر فصل مشترک جامد/مذاب است.حضور ناخالصی ها
شناور بودن ذرات ناخواسته ودیواره قالب موجب حضور چنین سطوح پرانرژی در داخل واطراف مذاب میگردد
از این رو به انجمادی که به کمک سطوح پرانرژی صورت می گیرد جوانه زنی ناهمگن گفته میشود.
جوانه زنی ناهمگن هنگامی حاصل میشود که اتم های مذاب مکان مناسبی را برای استقرار خود در داخل مذاب پیدا کنند وهسته های کوچک وپایداری را تشکیل دهند.
سطح ناخالصی ها ودیواره های قالب میتوانند به عنوان مکان های مرجع برای اتم های مذاب عمل کنند ونقطه شروعی برای تشکیل خوشه های اتمی باشند.
جوانه زا
بامقایسه جوانه زنی همگن وناهمگن مشخص می شود که جوانه زنی ناهمگن سریع تر وآسان تر از جوانه زنی همگن انجام میشود.به عبارت دیگر تحت تبرید مورد نیاز برای جوانه زنی ناهمگن به مراتب کمتر از جوانه زنی همگن است،به همین دلیل صنعتگران تمایل دارند جوانه زنی به صورت ناهمگن انجام شود.
برای ترغیب جوانه زنی ناهمگن می بایست تعداد سطح پرانرژی با زاویه تماس مناسب در داخل مذاب بوجودآید تا اتم ها به سهولت بر روی آنها تجمع کنند وهسته های پایداری را تشکیل دهند.
به عامل خارجی که به مذاب افزوده شود وسطوح مورد نیاز برای تشکیل ناهمگن هسته های اتمی را فراهم سازد جوانه زا گفته می شود.
باافزودن مواد جوانه زا به مذاب های فلزی میتوان فرایندهای جوانه زنی را کنترل کرد به عبارت دیگر با تلقیح مذاب در حین ریخته گری میتوان علاوه بر کاهش میزان تحت تبرید مورد نیاز برای شروع جوانه زنی،اندازه وشکل دانه های نهایی فلز منجمد شده را نیز تعیین نموده وبدین وسیله خواص مکانیکی وفیزیکی وشیمیایی محصولات ریختگی را کنترل کرد.
رشد:
به محض اینکه جوانه هایی در مذاب ایجاد شود اتم های مذاب اطراف آن به سوی جوانه حرکت نموده و در صورت وجود شرایط ترمودینامیکی مناسب برروی جوانه قرار گرفته و مرحله ابتدائی رشد آغاز می شود .
سرعت رشد در این مرحله به مقدار فوق تبرید بستگی دارد که ابتدا با افزایش فوق تبرید سرعت رشد زیاد شده و سپس کم می شود.
علت کم شدن سرعت رشد در این قسمت را می توان در کاهش دیفیوژن اتمی در اثر کاهش بیش از حد دما جستجو کرد این مسأله عیناً برای مقدار و سرعت جوانه زنی نیز صدق می کند و می توان گفت هر دو از یک الگو پیروی می کنند.
بلافاصله پس از ذوب ریزی داخل قالب و تماس مذاب با سطح سرد ،آن فوق تبرید افزایش یافته و تعداد زیادی جوانه و دانه ریز در مجاورت سطح قالب تشکیل می شود.
کاهش ایجاد این دانه های تبریدی همراه با آزاد شدن گرمای نهان انجماد می باشد و باعث سرعت انتقال حرارت از این لایه به سمت قالب می گردد.
دانه های بعدی در خلاف جهت انتقال حرارت و بطرف مذاب رشد مینمایند در این حالت رشد بردیواره قالب عمود بوده و موجب تشکیل بلورهای ستونی می شود.
سرعت رشد بلورهای ستونی بستگی به میزان انتقال حرارت و حرارت گرفته شده از مذاب توسط قالب دارد در فلزات خالص این دانه های ستونی رشد کرده و کل مذاب و در نتیجه قطعه را در بر می گیرند در حالی که در آلیاژها این دانه ها تاحدی رشد کرده و به علت وجود شرایط مناسب برای جوانه زنی در مرکز قطعه متوقف شده و جای خود را به دانه هایی می دهند که دارای اشکال غیر منظمی می باشند. این دانه ها را دانه های هم محور Equiaxed Grain می نامند ایجاد دانه های هم محور در مرکز قطعه به دلیل سهولت جوانه زنی در این ناحیه و ناشی از وجود ناخالصی ها حرکت کریستال های جامد در مذاب و فوق تبرید کافی برای جوانه زنی غیر خودی می باشد.
با-ریخته-گری-به-صورت-کاربردی-آشنا-شویم
برای نوشتن دیدگاه باید وارد بشوید.