Transcript نفوذ در انجماد

‫دانشگاه ازاد اسالمی‬
‫واحد ساوه‬
‫استاد ‪:‬‬
‫جناب اقای دک تر اقاميري‬
‫موضوع ‪:‬‬
‫نفوذ در انجماد‬
‫(‪)Diffusion in Soldification‬‬
‫تهيه و تنظيم ‪:‬‬
‫سيد حميد دانشمند‬
‫پاييز‪91‬‬
‫‪‬تعريف انجماد ‪:‬‬
‫استحاله فلز از حالت مذاب به حالت جامد ناشی از انتقال ماده به موقعیت ترمودینامیکی پایدارتری با انرژی ازاد کمتر را انجماد‬
‫مي گويند‪.‬‬
‫‪‬فلزات از طريق دو مكانيزم جوانه زني و رشد منجمد مي شوند‪.‬‬
‫‪ (a‬جوانه زني همگن ‪ :‬در جوانه زني همگن جنس جوانه زا از مذاب بوده و جوانه زني بدون عامل خارجي انجام مي‬
‫شود‬
‫جوانه زني‬
‫‪ (b‬جوانه زني نا همگن ‪ :‬در جوانه زني نا همگن جوانه زني توسط عامل خارجي نظير ديواره هاي قالب‪ ،‬اخالها و‬
‫ناخالصي هاي درون مذاب انجام مي شود‪.‬‬
‫جوانه زني‬
‫‪(a‬‬
‫جوانه زني همگن ‪:‬‬
‫در حين تشكيل يك نطفه كروي شكل در درون مذابي يكنواخت‪،‬دو انرژي ازاد تشكيل مي شود ‪:‬‬
‫الف) اختالف انرژي ازاد حجمي اتم هاي فاز جامد و مايع‪.‬‬
‫ب) انرژي ازاد سطحي ناشي از قرارگيري اتم ها در ناحيه مرزي بين جامد و مذاب‪.‬‬
‫جوانه زني‬
‫‪(b‬‬
‫جوانه زني نا همگن ‪:‬‬
‫در اين مكانيزم اگر عامل جوانه زني به شكل حجم معيني از يك كره با زاويه تركنندگي ‪ θ‬باشد ‪:‬‬
‫‪‬هرچه ‪ θ‬كاهش يابد تر شوندگي افزايش مي يابد يا بعبارتي ديگر تاثير سطح خارجي بر جوانه زني افزايش مي يابد‪.‬‬
‫مكانيزم رشد‬
‫‪‬پس از جوانه زني پديده رشد اتفاق مي افتد كه بدين منظور ابتدا طبيعت فصل مشترك بين مايع و جامد را مورد بررسي قرار مي دهيم‪.‬‬
‫‪‬بطور كلي فصل مشترك را مي توان مرز ميان مايع و جامد تعريف كرد‪.‬‬
‫انوع فصل مشترك ‪:‬‬
‫الف) فصل مشترك هاي غير نفوذي يا هموار‪:‬‬
‫در اين مكانيزم ضخامت فصل مشترك در حد يك اليه اتمي و بصورت هموار است‪ .‬كه در ان حركت سطح مشترك بوسيله فرايند رشد‬
‫جانبي انجام مي شود و شامل ‪ )a :‬رشد ديسكي ‪ )b‬رشد روي نواقص مي باشد كه معموال در غيرفلزات رخ مي دهد‪.‬‬
‫ب) فصل مشترك هاي نفوذي يا ناهموار‪:‬‬
‫در اين مكانيزم فرض بر اين است كه تغيير از فاز مذاب به جامد در چندين اليه اتمي رخ مي دهد و بصورت ناهموار مي باشد كه شامل‪:‬‬
‫‪ )c‬رشد دندريتي (‪ )Dendritic‬كه حركت سطح‬
‫‪ )a‬رشد ابله اي(‪ )b )Pox‬رشد سلولي (‪)Celluar‬‬
‫مشترك بوسيله فرايند رشد پيوسته انجام مي شود و معوال در فلزات رخ مي دهد‪.‬‬
‫مكانيزم رشد‬
‫مكانيزم هاي رشد فصل مشترك ‪:‬‬
‫‪ -1‬رشد جانبي )‪:(Lateral Growth‬‬
‫فصل مشترك هاي ي كه در مقياس اتمي تخت بشمار مي روند را رشد جانبي مي گويند‪.‬‬
‫الف) رشد جانبي ديسك ها ‪ :‬اتم هاي مذاب روي فصل مشترك در كنار اتم هاي قبلي قرار‬
‫ديسكي شكل مي دهند‪.‬‬
‫مي گيرند و تشكيل جوانه هاي‬
‫ب) رشد جانبي نواقص ‪:‬‬
‫شامل رشد روي نابجاي ي ها و مرز هاي دوقلوي ي مي باشد‪ .‬در اين حالت اتم هاي مذاب ترجيحا به هسته نابجاي ي هاي ي كه‬
‫برروي فصل مشترك قرار گرفته اند ملحق مي شوند‪.‬‬
‫مكانيزم رشد‬
‫‪ -2‬رشد پيوسته )‪ :(Continous Growth‬در اين مكانيزم اتم هاي مذاب بصورت تصادفي روي فصل مشترك قرار‬
‫مي گيرند كه اهنگ جهش هر اتم در فلز مذاب خالص‪ ،‬با ضريب نفوذ مذاب رابطه اي به شكل زير دارد ‪:‬‬
‫‪ :‬اهنگ جهش هر اتم در فلز مذاب خالص‬
‫‪ :‬ضريب نفوذ مذاب‬
‫‪ :‬انرژي ازاد فعال سازي نفوذ مذاب‬
‫‪ :‬بسامد ارتعاش اتمي‬
‫مذاب مي باشد كه سرعت حركت اتم ها را در مذاب تعيين مي كند‪.‬‬
‫فاصلهضريب‬
‫‪) :( ‬‬
‫نفوذجهش‬
‫ميانگين‬
‫‪ ‬ضريب نفوذ در مذاب برابر‬
‫است با‬
‫مي باشد اين در حالي است كه در جامدات ضريب نفوذ بسيار كمتر بوده برابر‬
‫‪.‬‬
‫‪ ‬هرچه𝜯𝜟 را افزايش دهيم انجماد از رشد ابله اي به سمت رشد دندريتي مي رود يا بعبارتي اگر بايد ضريب نفوذ در مايع را‬
‫كاهش دهيم كه باعث رشد با شيب حرارتي منفي در داخل مايع مي شود‪.‬‬
‫مكانيزم رشد‬
‫‪ ‬در فلزات خالص شكل سطح مشترك جامد ‪ -‬مايع و ساختار جامد بستگي نحوه توزيع دما در انجماد دارد‪.‬‬
‫‪‬هنگاميكه شيب دما در مايع مثبت است و گرما تنها در يك جهت سيالن دارد‪ ،‬سطح مشترك صاف است و امكان ايجاد يك‬
‫ريزساختار موزاييكي وجود دارد‪.‬‬
‫سیر تکامل ابتدائی یک فصل مشترك پایدار‬
‫مكانيزم رشد‬
‫‪‬هنگاميكه شيب دما در مايع منفي مي شود‪ ،‬تحت تبريد ممكن است به اندازه اي زياد باشد كه موجب رشد دندريتي شود‪.‬‬
‫‪‬در چنين شرايطي‪ ،‬فصل مشترك‪ ،‬ديگر پايدار باقي نمي ماند‪ .‬بدين معني كه برامدگي هاي ي به نشانه رشد موضعي‪ ،‬تحت‬
‫عنوان ميخچه هاي بلوري (‪ )spike‬روي فصل مشترك بسمت مذاب حركت مي كنند‪.‬‬
‫‪‬اين ميخچه ها بدليل قرار گرفتن در داخل مذابي سردتر‪ ،‬مي توانند بصورت شاخه يا بازوي ي بلوري رشد نمايند‪.‬‬
‫‪‬برامدگي ايجاد شده بصورت نيزه اي در داخل مذاب پيشروي مي كند در حالي كه سرعت رشد سطح مشترك اصلي كند تر مي‬
‫شود‪.‬‬
‫‪‬به اين ترتيب شاخه هاي ي روي ساقه اصلي بوجود مي ايند و اين شاخه ها خود بعنوان ساقه هاي ي براي شاخه هاي بعدي عمل‬
‫مي كنند‪.‬‬
‫مكانيزم رشد‬
‫سیر تکامل ابتدائی یک فصل مشترك نا پایدار‬
‫مكانيزم رشد‬
‫‪‬يكي از مشخصات دندريت ها اين است كه شاخه هاي اصلي و فرعي ان در جهات كريستالوگرافي معيني رشد مي كنند‪.‬‬
‫ساختار كريستالي فلز‬
‫جهت دندريتي‬
‫مكعب با وجوه مركز دار (‪)FCC‬‬
‫>‪<001‬‬
‫مكعب مركز دار (‪)BCC‬‬
‫>‪<001‬‬
‫شش وجهي متراكم (‪)HCP‬‬
‫>‪<0001‬‬
‫‪‬الزم به ذكر است حات هاي بيان شده براي فلزات خالص مي باشد‪.‬‬
‫تحت تبريد تركيبي‬
‫‪‬در الياژ ها نيز همين انواع انجماد نيز اتفاق مي افتد‪.‬‬
‫‪‬همانطور كه ذكر شد با اعمال فوق تبريد زياد مي توان فصل مشترك سلولي را به فصل مشترك دندريتي تبديل كرد‪.‬‬
‫‪‬ساختار جامد‪ ،‬چه در فلزات خالص و چه در الياژ ها بطور مستقيم به تحت تبريد بستگي دارد‪.‬‬
‫‪‬در فلزات خالص تحت تبريد تنها به شرايط گرماي ي بستگي دارد‪.‬‬
‫‪‬در الياژها تغييرات دما و تركيب شيمياي ي تواما بطور غير مستقيم عامل ايجاد تحت تبريد بوده كه به ان تحت تبريد تركيبي مي‬
‫گويند‪.‬‬
‫‪‬اگر تحت تبريد تركيبي را باال ببريم ساختار ميكروسكوپ ي فلز به ساختار دندريتي تبديل مي شود‪ .‬در اين حالت درصد عناصر الياژي‬
‫در مرز دانه هاي ي كه در انها دندريت وجود دارد بيشتر است‪.‬‬
‫‪‬در اين شرايط كه سرد شدن تعادلي نمي باشد باعث توزيع غير يكنواخت عنصر محلول در داخل دانه هاي بلوري پس از جامد‬
‫شدن قطعه ميشود‪.‬‬
‫‪‬توزيع غير يكنواخت عنصر محلول در داخل دانه ها باعث ايجاد پديده جدايش در قطعه مي شود‪.‬‬
‫پديده جدايش در ساختار دندريتي‬
‫بررسي رفتار انجماد فلزات و الياژهاي تك فاز‬
‫الف) حالت كامال تعادلي ‪:‬‬
‫در اين حالت نفوذ عناصر هم در فاز جامد و هم در فاز مذاب بطور كامل امكان پذير است‪.‬‬
‫يعني مي توان ضريب نفوذ عناصر در فاز هاي مذاب و جامد را بينهايت فرض كرد‪ .‬اين بدان معني است كه عناصر در هر دو فاز مي‬
‫توانند كامال منتشر شده و تركيب را همگن و يكنواخت سازند‪ .‬بنابراين هيچگونه شيب غلظتي در فازهاي مذاب و جامد بوجود‬
‫نخواهد امد‪.‬‬
‫‪ -1‬نفوذ كامل در مذاب‬
‫‪ -2‬نفوذ كامل در جامد‬
‫بررسي رفتار انجماد فلزات و الياژهاي تك فاز‬
‫‪ -1‬نمودار پروفيل غلظت در‬
‫(ابتداي انجماد)‬
‫‪ -2‬نمودار پروفيل غلظت در‬
‫(اواسط انجماد)‬
‫بررسي رفتار انجماد فلزات و الياژهاي تك فاز‬
‫‪ -3‬نمودار پروفيل غلظت در‬
‫(پايان انجماد)‬
‫‪ ‬پس از انجماد كامل تركيب در سراسر فاز جامد همگن و يكنواخت و مساوي با خواهد شد‪.‬‬
‫‪‬علت اينكه خط هاي نمودار در فاز مذاب و جامد صاف و يكنواخت مي باشد اينست كه نفوذ كامل مي باشد‪.‬‬
‫بررسي رفتار انجماد فلزات و الياژهاي تك فاز‬
‫شرايط حصول انجماد تعادلي ‪:‬‬
‫بطور مثال اگر ميله اي با طول ‪ 1Cm‬داشته باشيم‪ ،‬زمان انجماد بيش از سه سال به طول مي انجامد‪.‬‬
‫‪year‬‬
‫‪If : L = 1cm‬‬
‫بررسي رفتار انجماد فلزات و الياژهاي تك فاز‬
‫ب) حالت شبه تعادلي ‪:‬‬
‫در اين حالت نفوذ كامل در مذاب برقرار است اما امكان نفوذ جزء حل شونده در فاز جامد بسيار محدود است‪ .‬بنابراين مي توان انتظار‬
‫داشت كه در فاز مذاب اتم ها بطور كامل نفوذ يافته و منتشر شود بنابراين شيب غلظتي وجود نخواهد داشت‪.‬‬
‫اما در فاز جامد بدليل محدوديت نفوذ اتم ها‪ ،‬غلظت جامد از يك نقطه به نقطه ديگر تغيير كرده و بنابراين شيب غلظتي بوجود مي ايد(پديده‬
‫‪. )Coring‬‬
‫‪‬دماي انجماد غير تعادلي از دماي انجماد تعادلي كوچك تر است‪.‬‬
‫‪ -1‬نفوذ كامل در مذاب‬
‫‪ -2‬نفوذ محدود در جامد‬
‫بررسي رفتار انجماد فلزات و الياژهاي تك فاز‬
‫‪ -1‬نمودار پروفيل غلظت در‬
‫(ابتداي انجماد)‬
‫‪ -2‬نمودار پروفيل غلظت در‬
‫(اواسط انجماد)‬
‫بررسي رفتار انجماد فلزات و الياژهاي تك فاز‬
‫‪ -3‬نمودار پروفيل غلظت در‬
‫(پايان انجماد)‬
‫معادالت شيل‬
‫‪ ‬از معادالت شيل بعنوان قانون اهرم در شرايط انجماد غير تعادلي استفاده مي شود‪.‬‬
‫بررسي رفتار انجماد فلزات و الياژهاي تك فاز‬
‫ج) حالت كامال غير تعادلي ‪:‬‬
‫در اين حالت نفوذ هم در مذاب و هم جامد محدود است با اين تفاوت كه نفوذ اتم ها در مذاب بمراتب بيشتر از فاز جامد است‪ ،‬بنابراين مي‬
‫توان انتظار داشت كه هر دو فاز ‪ S‬و ‪ L‬در حين انجماد داراي شيب غلظتي باشند‪.‬‬
‫‪‬همواره ضريب نفوذ مذاب نسبت به جامد حدود ‪ 1000‬برابر بيشتر است‪.‬‬
‫‪ -1‬نفوذ محدود در مذاب‬
‫‪ -2‬نفوذ محدود در جامد‬
‫بررسي رفتار انجماد فلزات و الياژهاي تك فاز‬
‫‪ -1‬نمودار پروفيل غلظت در ابتداي انجماد‬
‫‪ -2‬نمودار پروفيل غلظت در اواسط انجماد‬
‫بررسي رفتار انجماد فلزات و الياژهاي تك فاز‬
‫‪ -3‬نمودار پروفيل غلظت در اواخر انجماد‬
‫‪ -4‬نمودار پروفيل غلظت پس از انجماد كامل‬
‫‪ -1‬ناحيه انتقال اوليه‪ ،‬انتقال از غظت هاي كم به غلظت‬
‫‪ -2‬ناحيه پايا و يكنواخت‪ ،‬تركيب ثابت و يكنواخت‪.‬‬
‫‪ -2‬ناحيه انتقال نهاي ي‪ ،‬انتقال از غظت ثابت به غلظت هاي خيلي باال‪.‬‬
‫تعيين معادالت غلظت مذاب‬
‫قانون دوم فيك ‪:‬‬
‫از عبارت رو به رو براي فصل مشترك ساكن استفاده مي شود‪.‬‬
‫از عبارت زير براي فصل مشترك هاي متحرك با سرعت ‪ R‬استفاده مي شود‪.‬‬
‫پس زده شدن ناخالصي از جامد به فصل‬
‫مشترك‬
‫نفوذ ناخالصي از فصل مشترك به داخل مذاب‬
‫تعيين معادالت غلظت مذاب‬
‫جواب اختصاصي معادله با توجه به شرايط مرزي بوجود مي ايد ‪:‬‬
‫تاثير پارامترهاي مختلف بر‬
‫اثر ‪ R‬بر منحني ‪:‬‬
‫اثر بر منحني ‪:‬‬
‫تاثير پارامترهاي مختلف بر‬
‫اثر‬
‫بر منحني ‪:‬‬
‫تاثير پارامترهاي مختلف بر‬
‫‪‬‬
‫‪-1‬‬
‫ضريب توزيع تعادلي مي باشد كه بيان كننده نحوه توزيع عناصر محلول در مذاب مي باشد و به دو صورت بيان مي شود ‪:‬‬
‫‪ :‬يعني عنصر حل شونده به ميزان يكسان در مذاب و جامد توزيع شده در نتيجه مذاب با انجماد پوسته اي‬
‫تشكيل مي شود در اينصورت عنصر حل شونده باعث افزايش دماي ليكوئيدوس يا افزايش دماي انجماد مي شود‪.‬‬
‫‪-2‬‬
‫‪ :‬يعني عنصر حل شونده به ميزان يكسان در مذاب و جامد توزيع نشده در نتيجه مذاب با انجماد خميري‬
‫تشكيل مي شود در اينصورت عنصر حل شونده باعث كاهش دماي ليكوئيدوس يا كاهش دماي انجماد مي شود‪.‬‬
‫برخی منابع ‪:‬‬
‫‪ -1‬متالورژی فيزيكي – ريد هيل‪،‬عباسچيان ‪ -‬ترجمه محمدرضا افضلي‪.‬‬
‫‪ -2‬دگرگوني فازها و فلزات در الياژها – پورتر – دانشگاه شيراز‪.‬‬
‫‪ -3‬انجماد و ريخته گري – ديويس – ترجمه رامين رئيس زاده‪.‬‬
‫‪ -4‬مقدمه اي بر انجماد فلزات – وينگارد – دانشگاه صنعتي اصفهان‪.‬‬
‫‪ -5‬ازمايشگاه ريخته گري و انجماد فلزات – افسانه ربيعي‪.‬‬