Mehdi Reisi-مهدی رئیسی

از ابتداي ابداع فرايندهاي ريخته­ گري در حالت نيمه ­جامد مطالعات متعددي در رابطه با مكانيزم ­هاي تشكيل ريزساختار در اين فرايندها انجام شده است. با اين حال مرور تحقيقات انجام شده در اين زمينه نشان مي­دهد كه هنوز توافق نظر جامعي ميان محققين در ارتباط با مكانيزم­هاي مؤثر در تحولات ريزساختاري در فرايندهاي ريخته­گري نيمه­جامد وجود ندارد. علت اين مسأله ماهيت غيرشفاف فلزات عنوان مي­شود كه امكان مشاهده­ي مستقيم تحولات ريزساختاري در مرحله­ي جوانه­زني و لحظات ابتدايي رشد ذرات جامد را غيرممكن ساخته است. به همين دليل اكثر نظريه­هاي ارائه شده بر اساس مشاهدات غيرمستقيم استوار مي­باشد. جهت غلبه بر اين محدوديت، مواد مدل شفاف جهت مشاهده­ي مستقيم تحولات ريزساختاري در برخي از فرايندهاي ريخته­گري نيمه­جامد مورد استفاده قرار گرفته و تحقيقات انگشت­شماري نيز با استفاده ازآنها صورت پذيرفته است. هدف از تحقيق حاضر، مطالعه­ي درجاي مكانيزم­ها و پارامترهاي مؤثر در تشكيل ذرات جامد در فرآوري نيمه­جامد با استفاده از آلياژ شفاف سوكسينونيتريل با خلوص 99% مي باشد. به اين منظور دستگاهي براي مشاهده و مطالعه­ي مستقيم انجماد آلياژ مدل تحت شرايط جابجايي اجباري طراحي و ساخته شد. نتايج آزمايش­هاي انجام شده شواهدي را در ارتباط با ميزان تأثيرگذاري عواملي همچون نرخ جوانه­زني، الگوي سيلان مذاب و نرخ برش بر تحولات ريزساختاري مراحل آغازين انجماد ارائه نمود. اين نتايج حاكي از نقش به مراتب مؤثرتر الگوي سيلان حاكم در مذاب در مقايسه با نرخ برش بر فرايند تكه­تكه شدن مؤثر دندريت­ها و تشكيل ذرات كروي شكل در شروع انجماد بود. در واقع وجود تلفيقي از جوانه­زني شديد و شدت تلاطم زياد در شروع انجماد شرايطي را ايجاد مي­كند تا در حضور دانسيته­ي زياد ذرات، امكان رشد پايدار آنها تا رسيدن به ابعادي در حدود 60 ميكرومتر فراهم شود. در غير اين­صورت حتي در نرخ­هاي برش زياد نيز ذرات تشكيل شده در شروع انجماد دندريتي شكل هستند. اين يافته با باورهاي رايج كه وجود نرخ برش زياد را شرط لازم براي تشكيل ذرات كروي شكل مي­دانند متفاوت است. در آزمايش­هايي كه ديسك در حال چرخش توسط يك سيستم خنك كننده سرد مي­شد نتايج مشاهدات درجا تشكيل يك شبكه­ي جامد دندريتي در اطراف ديسك در حال چرخش را مشخص كرد. جدا شدن بازوهاي دندريتي از اين شبكه­ي دندريتي درشت شده در صورت متلاطم بودن جريان در اطراف آن به عنوان يك منبع مؤثر در تشكيل ذرات كروي شكل مشاهده شده در ساختار پيشنهاد گرديد. تشكيل اين شبكه با نتايج به دست آمده از انجام فرايند مشابه بر روي آلياژ فلزي Al-7.1wt%Si تأييد شد. همچنين در اين تحقيق مدلي در ارتباط با سينتيك درشت شدن بازوهاي دندريتي تحت شرايط جابجايي اجباري ارائه شد. اين مدل كه در واقع شكل تصحيح شده­ي مدل كلاسيك كاتامي براي درشت شدن بازوها در شرايط كنترل شونده توسط نفوذ تنها است با وارد كردن پارامتري به نام ضريب نفوذ ظاهري، تأثير سيلان مذاب را بر افزايش سرعت نفوذ مدنظر قرار داده است. نتايج اين مدل نشان داد كه قطر بازوها (d) در حالت كلي توسط معادله­اي به شكلd=At^a?^b با زمان انجماد موضعي   (t)و نرخ برش (??) ارتباط پيدا مي­كند و الگوي سيلان حاكم در مذاب تعيين كننده­ي ثوابت aو b در معادله­ي مذكور مي­باشد. ميزان انطباق مدل پيشنهادي با يافته­هاي آزمايشگاهي مربوط به آلياژهاي مختلف مورد بررسي قرار گرفت.

  كلمات كليدي: ريزساختار غيردندريتي، SCN، نرخ برش، الگوي سيلان، ريخته­ گري نيمه­ جامد

ABSTRACT

Since the development of semisolid processing, significant studies have been conducted on understanding the solidification process in stirred melts. However, the theories proposed so far for the formation of non-dendritic microstructures appear to be inconsistent. This inconsistency is mainly due to the inability of in-situ observation of the microstructure formation at the early stages of solidification, i.e. during nucleation and early stages of growth. Most of the proposed theories, therefore, are based on indirect observations. Recently, tra  arent organic materials have been used to study the microstructural evolution during semisolid processing. The present work attempts to study the mechanisms of microstructural formation during rheocasting using tra  arent 98% pure succinonitrile model alloy and aspecially designed and built optical semisolid simulating device. The results give insight to the relative importance of nucleation rate, shear rate and flow characteristics on the formation of globular microstructure. It was found that the critical factorfor effective dendrite multiplication during the early stages of solidificationwas the presence of turbulent flow rather than shear rate as commonly believed. Combination of copious nucleation and turbulent flow can create such high density of dendrite fragments which would result in preserving of their globular growth mode up to a radius of about 30?m. Otherwise, the solid particles would choose dendritic growth mode even under very high shear rates. When the stirring is combined with rapid heat extraction from the stirrer, a mushy layer was observed to form around the rotating chill. Under turbulent conditions, detachment of dendrite arms from this layer of rapidly coarsening dendrites was suggested to be the origin of the spherical particles in the microstructure. Formation of the layer was also experimentally confirmed for an Al-Si alloy. Furthermore, a new model for coarsening of dendrites in the shear flow was presented. The model takes into account the accelerated convective ...