سامانه نیازمندی های صنعتی کار
دسته‌بندی نشده

انجماد فلزات و آلیاژها | بررسی پدیده انجماد در ریخته گری

انجماد فلزات و آلیاژها

جزوه آموزشی انجماد فلزات و آلیاژها :

در این جزوه آموزشی به طور مفصل با انجماد آشنا می شوید.

در قسمت جعبه دانلود می توانید این جزوه ارزشمند را دریافت کنید.


 

بخشی از جزوه آموزشی ( مقدمه )

 

  • ترمودینامیک انجماد

ΔG = ΔH – TΔS

در حالت تعادل  →  ΔG = 0  ,  ΔH = TΔS

در تحول انجماد  →  T= Tm  ,  ΔH = Lm  →   ΔS = Lm / Tm

انجماد غیر تعادلی  → ΔG = Lm – T. Lm / Tm =  Lm (1- T/Tm) = Lm . ΔT / Tm

مکانیزم های جوانه زنی در انجماد :

  • جوانه زنی همگن
  • جوانه زنی غیرهمگن

The theory considered homogeneous nucleation, i.e. the formation of one phase by the aggregation of components of another phase without change of composition and without being influenced by impurities or external surfaces.

Impurity particles and external surfaces are taken into account in heterogeneous nucleation theory.

 

  • تغییرات انرژی آزاد سیستم در جوانه زنی همگن در اثر تشکیل یک هسته جامد در یک توده مذاب :

ΔG = 4πr2 γLC + 4/3 πr3 ΔGv

  • ΔG تغییرات کل انرژی آزاد سیستم در اثر تشکیل هسته کروی با اندازه r
  •  ΔGv تغییرات انرژی آزاد بر واحد حجم
  • γLC انرژی فصل مشترک هسته-مذاب

تغییرات انرژی آزاد سیستم در جوانه زنی همگن در اثر تشکیل یک هسته جامد در یک توده مذاب

بالاتر از دمای Tm هر هسته ای که تشکیل شود، ذوب خواهد شد.
پایین تر از دمای تعادلی ذوب، هر هسته ای که دارای اندازه بحرانی r*  باشد، دارای احتمال مساوی برای رشد یا ذوب شدن است.
اندازه بحرانی هسته از شرط زیر بدست می آید،

                    →  r* = 2γLC / ΔGv = 2γLC Tm  / Lm . ΔT

با قرار دادن این اندازه بحرانی در رابطه اصلی تغییر انرژی آزاد کل خواهیم داشت :

READ  چالش های مواد اولیه دیرگداز

ΔG* = 16πγLC3 .Tm2 / 3(Lm.ΔT)2

هسته دارای اندازه بحرانی در اثر نوسانات تصادفی اتمهای مذاب بوجود می آید که لازمه این پدیده تغییر انرژی مساوی ΔG* خواهد بود (سد انرژی تشکیل).

جوانه زنی غیر همگن :

مطابق نظریه جوانه زنی همگن، برای شروع انجماد نیاز به تحت تبرید در حدود ۲۰۰ C در اکثر فلزات می باشد. درصورتیکه در عمل، در اکثر موارد صنعتی با تحت تبریدی در حدود چند ده درجه سلسیوس انجماد آغاز میشود.
این مساله ناشی از تشکیل هسته جامد بر روی دیواره های جامد بیگانه مانند دیواره های قالب یا ذرات جامد معلق در مذاب می باشد. (جوانه زنی غیرهمگن)
در اینحالت فرض میکنیم که هسته جامد به شکل یک کلاهک (قطاعی از یک کره) است که بر روی سطح خارجی یک ذره جامد مسطح  شکل گرفته است،
در این میان پارامتر مهم و تاثیرگذار زاویه تماس (Contact Angle) میباشد.

در اینحالت در سطح تماس بین کلاهک و جامد خارجی یک انرژی سطحی بوجود می آید (انرژی سطحی جامد-جامد) و یک انرژی از بین می رود (انرژی سطحی مذاب-جامد خارجی).
همچنین یک انرژی فصل مشترک از نوع مذاب-جامد در سطح بیرونی کلاهک به سیستم اضافه میشود.
لذا خواهیم داشت :

(ΔG* = [16πγLC3 .Tm2 / 3(Lm.ΔT)2 ]. (2-3cosθ + cos3θ

Picture5 - انجماد فلزات و آلیاژها | بررسی پدیده انجماد در ریخته گری

در حالتیکه θ=۱۸۰ انرژی بحرانی (لازم برای جهش اتمها fluctuation energy) در حالتهای همگن و غیرهمگن برابر میشود.
در سایر موارد هسته گذاری غیرهمگن از لحاظ انرژی، مقدار کمتری از هسته گذاری همگن خواهد داشت.

از شرط برابری و تعادل نیروهای کشش سطحی خواهیم داشت : Cos θ= (γLS – γCS ) / γLC

  • جهش انرژی در جوانه زنی غیرهمگن بسیار کوچکتر است.
  • مقدار کوچک تر سد انرژی باعث میشود که در مقادیر تحت تبرید کوچکتر، شدت جوانه زنی بزرگتری فراهم شود.
  • همچنین کوچکتر بودن جهش انرژی، مانع جهش زیاد بین شدتهای کم و زیاد جوانه زنی میشود.
  • بدلیل رشد هسته ها به جوانب، فضای کمتری برای تشکیل هسته های جدید موجود خواهد بود که باعث افت شدت جوانه زنی میشود. با این همه نفوذ در مذاب، همچون جوانه زنی همگن مانعی در برابر جوانه زنی ناهمگن نیست.
READ  عملیات حرارتی -اصطلاحات رایج در عملیات حرارتی

Picture6 277x300 - انجماد فلزات و آلیاژها | بررسی پدیده انجماد در ریخته گری


 

برچسب ها

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

بستن
بستن