تئوري هاي پارگي گرم

انجماد آلياژها هميشه در يك بازده دمايي به نام دامنه انجمادي رخ مي دهد. كاهش دما، فاز جامد جوانه زده و در قالب دانه هايي (معمولاً به شكل دندريتي) رشد مي كند و از يك نقطه معين دربازه دمايي، دانه ها ابتدا با حس كردن حضور دانه هاي مجاور وسپس با برخورد و تماس و پل زدن با آنها و در نهايت با شكل دهي يك اسكلت پيوسته از فاز جامد، با يكديگر تداخل و فعل و انفعال مي كنند. دمايي كه در آن دانه ها شروع به تداخل با يكديگر مي كنند نقطه همدوي و پيوستگي۱ نام دارد و دمايي كه در آن شبكه پيوسته جامد شكل مي گيرد نقطه صلبيت۲ نام دارد. در زير اين نقطه صلبيت، حجم و بدنه نيمه جامد خصوصيات عمده فاز جامد- حفظ شكل و خواص مكانيكي مانند استحكام و انعطاف پذيري را به خود مي گيرد.

بديهي است كه رفتار ترمومكانيكي بدنه نيمه جامد وابستگي زيادي به خواص مكانيكي آن دارد. از طرفي، خواص اين بدنه (استحكام و انعطاف پذيري) قرار دارد و در طرف ديگرتنش ها و كرنش هاي اعمال شده به آن در هنگام فرآيند انجماد و ناشي شده از انقباضض انجمادي، فشار متالواستاتيك (فشار فلز مايع ) ، انقباض حرارتي ممانعت شده و غير آزاد، گراديان حرارتي و غيره وجود دارند.

برخلاف فلزات خالص كه در يك نقطه منجمد مي شوند، آلياژها به تدريج در يك بازه دمايي (وسيع) از مذاب تبديل به جامد مي شوند. در هنگام ريخته گري، زمان قابل ملاحظه اي هنگامي كه آلياژ مشتكل از هم جامد و هم مذاب است، وجود دارد.

ماده در اين حالت نيمه جامد به دو دسته تقسيم مي شود: دوغايي ها۳ و خميري ها۴ . يك دوغاب، مايعي است به همراه ذرات جامد معلق. در بعضي دماها دانه هاي جامد شروع مي كنند به تداخل با يكديگر و در ماده يك استحكام معيني پديدار مي شود. در زير اين دما، ماده با عنوان خمير ناميده مي شود، يعني شبكه جامد با مذاب در ميان آن.

كسر جامد كه در آن اين تبديل رخ مي دهد، بسته به مورفولوژي ذرات جامد، بين ۰٫۲۵ تا ۰٫۶‌متغير است. به علت تفاوت بسيار زياد در رفتار مكانيكي اين مورفولوژي هاي گوناگون، دوغاب ها معمولا با مدلهاي بر پايه وسكوزته توصيف مي شوند و خميرها معمولاً با مدل هاي بر پايه تغيير شكل. مدل هاي بر پايه وسكوزيته از سمت مذاب شروع مي شوند و براي در حساب آوردن و در نظر گرفتن اثر افزايش مقدار ذرات جامد اصلاح شده اند.

مدل هاي بر پايه تغيير شكل بر اساس مدل هاي كار گرم هستند كه براي در حساب آوردن و در نظر گرفتن حضور مذاب اصلاح شده اند. تبديل دوغاب به خمير هنوز به عنوان يك مساله پيچيده براي مدل كردن است و يك مدل رضايت بخش كه رفتار را در تمام بازه انجمادي توصيف كند هنوز در دست توسعه و گسترش است.

چيزي كه هست اين كه كار ريخته گري آلياژها با رخ دادن عيوب مختلف در محصول نهايي بسيار مانوس است. يكي از عيوب عمده پارگي گرم يا ترك گرم، يا سرخ شكنندگي است . صرفنظر از نامگذاري، اين پديده ، ثمره تشكيل يك ترك برگشت ناپذير(شكست و عيب) در يك قطعه ريختگي است كه هنوز در حالت نيمه جامد باشد. مطالعات اوليه و صنعتي اين پديده نشان ميد هد كه پارگي گرم در آخرين مراحل انجماد وقتي كه كسر حجمي جامد بالاي %۹۵ – ۸۵ است و فاز جامد از يك شبكه پيوسته دانه شكل گرفته است، رخ مي دهد. همچنين معلوم شده است كه يك ساختار دانه ظريف ريخته گري كنترل شده (بدون دماي بالا و گراديان هاي تنشي) به حذف ترك گرم كمك مي كنند. رابطه بين استعداد به ترك گرم و تركيب يك آلياژ به خوبي شناخته شده است.

رابطه بين ظهور پارگي هاي گرم و خواص مكانيكي در حالت نيمه جامد آشكار است. و اين رابطه براي چندين دهه مورد بررسي و مكاشفه قرار گرفته است. با وجود اين، بسط و توسعه تئوري ها، مدل ها و معيارهاي جديد۱ براي پارگي گرم در علوم فلزات امروزي رو به ترقي و پيشرفت است. در هنگام ريخته گري پيوسته آلياژهاي آلومينيم، خنك كاري اوليه و ثانويه، گراديان حرارتي شديدي را در شمش ايجاد مي كند كه مي تواند منجر به اعوجاج در شكل شمش و يا پارگي گرم و ترك سرد شود.

در مداوم ريزي، نام ناحيه خميري۲ غلط انداز است، چنانكه قسمت بالايي آن عملاً يك دوغاب است زيرا كه دانه هاي تازه شكل گرفته هنوز درون مذاب معلق هستند. تنها پس از آن كه دما به زير دماي همدوسي و پيوستگي افت پيدا كند يك ناحيه واقعاً خميري شكل مي گيرد. رفتار تغيير شكل خمير براي تشكيل حفرات و پارگي هاي گرم بسيار بحراني و خطرناك است.

از مطالعات انجام شده از آغاز سال ۱۹۵۰ تا كنون، به نظر مي رسد كه پارگي هاي گرم بالاي دماي سوليدوس آغاز مي شوند و در فيلم هاي مذاب بين دندريتي منتشر مي شوند. اين امرمنتج به يك سطح شكست ناهموار پوشيده شده با يك لايه صاف (نرم) و گاهي با پل هاي جامد۳ كه دو طرف ترك را به هم وصل كرده يا مي كنند، مي شود.

در هنگام انجماد، جريان مذاب در سر تاسر ناحيه خميري كاهش پيدا مي كند تا وقتي كه اين جريان براي پر كردن حفرات تازه بوجود آورده ناكافي باشد، از اين رو اين حفرات مي توانند بيشتر رشد كنند.

فرآيند انجماد را مي توان بر حسب نفوذ پذيري شبكه جامد به چهار مرحله تقسيم بندي كرد:
۱- تغذيه توده اي: كه در آن هر دو فاز جامد و مذاب براي حركت آزاد هستند.
۲- تغذيه بين دندريتي: كه در آن مذاب باقيمانده بايد در ميان شبكه دندريتي جريان يابد. پس از آنكه دندريتها يك اسكلت جامد را شكل دادند، مذاب باقيمانده بايد در ميان شبكه دندريتي جريان پيدا كند. ممكن است يك گراديان فشار، سر تا سر ناحيه خميري به علت انقباض انجمادي كه به صورت عميق تر در ناحيه خميري رخ مي دهد، بوجود آيد.

هر چند در اين مرحله نفوذ پذيري شبكه به اندازه كافي بزرگ هستند تا از تشكيل حفرات جلوگيري كند.
۳- جدايش بين دندريتي، كه در آن شبكه مذاب، تكه تكه شده و ممكن است در اين مرحله پارگي گرم يا تشكيل حفره رخ دهد. با افزايش كسر جامد، مذاب به شكل پاكتهايي ايزوله مي شود يا به علت تنش سطحي بي تحرك مي شود. وقتي كه نفوذ پذيري شبكه جامد براي جريان و سيلان مذاب بيش از حد كوچك شود، انقباض حرارتي بيشتر جامد باعث تشكيل حفرات يا پارگي گرم خواهد شد.

۴- پل زني بين دندريتي يا تغذيه جامد: كه در ‌آن شمش استحكام قابل ملاحظه اي پيدا كرده است و خزش حالت جامد، انقباض بيشتري را جبران و تلافي مي كند. در مرحله پاياني انجماد (Fs>0.9) ، تنها پاكتهاي مذاب ايزوله شده باقي مي مانند و شمش استحكام قابل ملاحظه اي را خواهد داشت. خزش حالت جامد، اكنون فقط مي تواند انقباض انجمادي و تنش هاي حرارتي را جبران و خنثي كند.

از آنجائيكه در يك دوغاب و در هنگام مرحله تغذيه بين دندريتي در خمير تغذيه معمولاً براي جلوگيري كردن از هر گونه عيب ريخته گري كافي است، ما در ادامه عمدتاً دو مرحله آخر را مورد بررسي قرار مي دهيم. در اصل اين مرحله جدايش بين دندريتي است كه در آن شمش نسبت به تشكيل حفرات و پارگي گرم آسيب پذير است.

يك آلياژ با دامنه انجمادي بزرگ، پارگي گرم را ترقي مي دهد، از آنجائيكه يك چنين آلياژي زمان بيشتري را در ناحيه آسيب پذيري كه در آن فيلم هاي مذاب نازك ما بين دندريتها وجود دارند، سپري مي كنند. توزيع فيلم مذاب توسط زاويه دو سطحي تعيين مي شود. با يك زاويه دو سطحي كوچك، مذاب تمايل دارد كه خودش را روي سطح مرز دانه ها پهن كند كه اين امر به شدت پيوستگي و كوهرني دندريتي را كاهش مي دهد. در يك زاويه دو سطحي بزرگ، مذاب به صورت قطراتي در نقاط سه گانه باقي مي ماند، بطوريكه شبكه جامد استحكام خود را حفظ مي كند.

به غير از اين فاكتورهاي ذاتي، انقباض حرارتي، كرنش ها و تنش هايي را به شبكه جامد تحميل مي كنند، كه براي پارگي گرم لازم هستند. اين موضوع قبلاً نشان داده شده است كه عمدتاً اين كرنش و نرخ كرنش است كه براي پارگي گرم بحراني هستند. از آنجائيكه نيروهاي موجود در هنگام انجماد در قياس با تنش هايي كه يك شبكه نيمه جامد مي تواند تحمل كند، بسيار بزرگتر هستند، به نظر مي رسد كه تنش ها بحراني نباشند تلاشهاي زيادي وقف درك پديده پارگي گرم شده اند.

گردآوري مجموعه كارهاي تحقيقاتي در اين زمينه توسط نوسيكوف و زيگورث انجام شده است و ژنگ نيز علل محتمل پارگي گرم را مورد باز بيني قرار داده است. تعداد معدودي مكانيزم براي پارگي گرم، پيش از اين در آثار منتشره، پيشنهاد و مطرح شده اند. بعضي از آنها بصورت مختصر در زير شرح داده مي شوند.
نويكوف و نوويك گزارش كرده اند كه در نرخ كرنش هاي پايين، لغزش مرز دانه مكانيزم عمده و اصلي تغيير شكل يك بدنه نيمه جامد است. نيروي اعمال شده به بدنه نيمه جامد با يك جابجايي مرز دانه كه توسط فيلم هاي مذاب احاطه كننده دانه روانكاري شده است، همراهي و مساعدت مي شود.

پروخروف يك مدل را براي تغيير شكل بدنه نيمه جامد طرح كرد. اگر دو نيروي مماسي Z2 , Z1 ‌به يك بدنه نيمه جامد در حالت تعادل اعمال شوند، عكس العمل بدنه خودش را به صورت حركت و جابجايي دانه آشكار مي كند و در بعضي موارد دانه ها به يكديگر رسيده و با هم برخورد مي كنند. مذاب پوشاننده دانه به

سمت نقطه كمترين فشار گردش مي كند. تغيير شكل بيشتر مسير خواهد بود اگر كه تنش سطحي و مقاومت در برابر سيلان و جريان مذاب براي همراهي و مساعدت كردن تنش اعمالي كافي باشد. در غيراينصورت پارگي گرم يا يك شكست بين دانه اي ترد رخ خواهد داد. راجع به اين تئوري پروخروف موارد زير را اصل قرار داد: (۱) افزايش ضخامت فيلم، كرنش شكست را افزايش مي دهد. (۲) كاهش اندازه دانه، كرنش شكست را افزايش مي دهد. (۳) هر گونه غير يكنواختي اندازه دانه كرنش شكست را كاهش مي دهد. بر اساس اين تئوري مقياس اصلي براي پارگي گرم، انعطاف پذيري بدنه نيمه جامد است. پارگي گرم وقتي رخ مي دهد كه كرنش بدنه از انعطاف پذيري آن فراتر رود.