علم متالورژي

در اهمیت مطالعه آلیاژهای آلومینیوم هیچ شکی وجود ندارد. چه از نظر کیفیت و چه از نظر ارزش ، آلومینیوم کاربردی‌ترین فلز بعد از آهن است و تقریبأ در تمامی بخشهای صنعت دارای اهمیت می‌باشد. آلومینیوم خالص ، نرم و ضعیف است، اما می‌تواند آلیاژهایی را با مقادیر کمی از مس ، منیزیوم ، منگنز ، سیلیکون و دیگر عناصر بوجود آورد که این آلیاژها ویژگی‌های مفید گوناگونی دارند. این آلیاژها اجزای مهم هواپیماها و راکتها را می‌سازند. وقتی آلومینیوم را در خلاء تبخیر کنند، پوششی تشکیل می‌دهد که هم نور مرئی و هم گرمای تابشی را منعکس می‌کند. این پوششها لایه نازک اکسید آلومینیوم محافظ را بوجود می‌آورند که همانند پوششهای نقره خاصیت خود را از دست نمی‌دهند. یکی دیگر از موارد استفاده از این فلز در لایه آینه‌های تلسکوپ‌های نجومی است .

آلیاژ های آلومینیم پیشرفته :
آلیاژ هایی از آلومینیم شامل عنصر لیتیم تولید شده اند که اهمیت ویژه ای در صنایع هوا – فضا یافته اند چگالی لیتیم 534% است نتیجتا" چگالی آلیاژ های Al-Liمی تواند حدود 10 درصد کمتر از دیگر آلیاژ های متداول آلویمنیم باشد این وزن کم می تواند باعث استحکام ویژه بسیار خوب این آلیاژ برای کاربرد های هوا – فضایی باشد آهنگ رشد ترک خستگی در این آلیاژها پایین است که باعث بهبود مقاومت خستگی و سفتی ( تافنس ) خوب آن آلیاژ ها در دماهای پایین می شود آلیاژ های Al-Liدر ساخت کف بدنه و اسکلت هواپیما های نظامی و تجاری به کار می روند.
استکام بالای آلیاژهای Al-Li ناشی از قابلیت آن ها برای پیر سختی است مهمترین زمینه های کاربرد آلومینم در صنایع عبارتند از:1- مصارف خانگی نظیر ظروف 2- مصارف ساختمانی نظیر در و پنجره 3- مصارف تاسیساتی نظیر لوله و اتصالات 4- مصارف صنایع فضایی5- مصارف اتومبیل سازی 6- مصارف کشتی سازی بدنه پروانه پمپ 7- مصارف تجاری و بسته بندی چای مواد لبنی ضخامت تا 10 میکرون 8- مصارف الکتریکی : نظیر کابل ها

ريختگي آلياژ های Al و تأثیر سرعت انجماد :

ساختمان ريختگ‍ی آلياژهای Al دقيقاً به كليه اعمال اساسي و كيفي در جريان ذوب و ريخته‌گری  Al و انجماد آن بستگي داردكه بخصوص در مورد آلياژ های نوردي و آلياژهايي كه عمليات حرارتي معيني را پذيرا مي‌شوند، مختصات نهايي و خواص عمومي آلياژها به ساختمان قطعه پس از انجام عمليات بعدي نيز وابستگي شديد دارد.

بديهي است ساختمان كريستالي ريز و يكنواخت، خواص مكانيكي مطلوب‌تر و اشكالات كمتري را ايجاد مي‌نمايد و در اين ميان تاثير سرعت سرد كردن از اهميت ويژه‌اي برخوردار است . در قطعات ريختگ‍ی با مقاطع يكنواخت تحت درجه حرارت بارريزي ثابت، شبكه كريستالي در قالب های ماسه اي، فلزي و تحت فشار به ترتيب ريزتر و يكنواخت‌تر مي‌گردد. قطعاتي كه مقاطع يكنواختي ندارند، با ايجاد مبرد در ماسه و تغيير سرعت سرد كردن در مقاطع مختلف به شبكه يكنواخت دست مي يابند كه نهايتاً زمان انجماد در تمام مقاطع يكسان می گردد و در اين حالت، استفاده از منابع تغذيه براي جلوگيري از شكستگي های گرم و رفع كسري‌های ناشي از انقباض مورد توجه قرار مي‌گيرد.

تعداد كانال های فرعي در توزيع يكنواخت حرارت، عامل بسيار مهمي است و از اين رو استفاده از چند كانال فرعي در انجماد يكنواخت آلياژ تاثير خوبي دارد.

از آنجا كه فاصله انجماد شديداً تحت تاثير نوع آلياژ مي‌باشد، براي حذف مشكلات مربوط به فاصله انجماد زياد و نوع انجماد خميري، حتي‌المقدور بايستي قطر متوسط قطعه يا شمش را كاهش داد و در عين حال نيز از عوارض ناشي از سگرگاسيون تركيبات بين فلزي در حد امكان جلوگيري نمود. از طرف ديگر ابعاد كوچكتر شمش باعث تقليل تخلخل و حباب های ناشي از وجود گاز هيدروژن در قطعه مي‌گردد كه اين امر نيز ناشي از افزايش سرعت سرد كردن است .

نكته حائز اهميت در ريخته‌گری با قالب‌های ماسه‌اي آن است كه وزن مخصوص كم آلياژهای Al و كاهش نيروهاي هيدروستاتيكي و شرايط تسهيلي خروج گازها از محفظه قالب باعث مي‌شود كه مقاومت در حالت تر ماسه كم شود. جهت تقليل توليد گاز و همچنين استحكام كم قالب، رطوبت از ۵% تجاوز نمي كند و در غير اين صورت بخار ناشي از فعل و انفعالات رطوبت قالب و مذاب باعث ايجاد تخلخل بخصوص در پوسته خارجي و قسمتهاي نزديك به پوسته مي‌گردد. براي ايجاد قابليت نفوذ در ماسه و استحكام سطح آزاد ماسه (در قطعات بزرگ) معمولاً مواد سلولزي و خاك اره به ماسه مي‌افزايند. در شرايط عمومي، قالب‌های ماسه از«ماسه سوزي» و فعل و انفعالات شديد مذاب و قالب بركنار مي باشند و به همين دليل در اين قالب‌ها هيچ گونه مواد پوششي(Coatings) بكار نمي رود.

ايجاد سرعت انجماد و تشكيل انجماد پوسته‌اي، مي‌تواند به مقدار زيادي از فعل و انفعالات قالب و فلز مذاب جلوگيري كند و در نتيجه در اغلب كارگاهها با افزايش رطوبت ماسه به ميزان ٨%، جهت انجماد و انجماد پوسته اي را تسهيل مي كنند. با توجه به توضيحات فوق، ريخته‌گری در ماسه خشك در صنايع ريخته گري آلومينيم  از اهميت كمتري برخوردار است و فقط در مورد قطعات بزرگ بكار مي‌رود.

بررسی انجماد جهت دار آلیاژ آلومینیوم- سیلیسیوم :

برای انجماد تعاریف متفاوتی به عمل آمده است که دو تعریف زیر را می توان به عنوان سرآغازی برای ورود در مبحث انجماد، انتخاب و توجیه نمود.

          1- انجماد عبارتست از تشکیل هسته های یکنواخت و طبیعی از ساختار مایع و رشد تدریجی آنها که در هر حال شرایط غیر تعادلی نیز بر آن حاکم است.

در تعریف فوق، موضوع تبلور و تشکیل هسته های یکنواخت و طبیعی از مایع، با آنکه تحقیقات وسیعی را به خود اختصاص داده است، هنوز به طور جامع و همه جانبه مورد اتفاق نظر قرار نگرفته است.

          2- انجماد عبارتست از رشد تدریجی بلورها با افزایش اتم از حالت مایع بر روی سطوح آنها که در زمانی معین بر آن افزوده شده و یا آنرا ترک می کنند و در هر حال تحت تأثیر شرایط غیر تعادلی نیز قرار می گیرند.

در این تعریف با توجه به پذیرش هسته های جامد، توضیح و تشریح انجماد با سهولت بیشتری انجام می شود، زیرا در اولین لحظه ای که سیستم در آغاز تغییر حالت واقع شود، فصل مشترکی پایدار بین دو مجموعه اتمی ایجاد خواهد شد که می توان انجماد را با افزایش و حرکت تدریجی اتم های مایع از سطوح انرژی بالاتر به سطح انرژی پایین تر توجیه و تعریف نمود. در مباحث مربوط به ریخته گری و در شرایط صنعتی، به دلیل وجود هسته های جامد، موضوع تبلور و جوانه زنی از اهمیت کمتری برخوردار شده و تعریف دوم نگرشی بر فعال شدن هسته ها (هسته های غیر یکنواخت Heterogenous nucleation وسعت عملی بیشتری پیدا می نماید. در حالی که از نظر علمی تبلور و تشکیل هسته های یکنواخت از مایع (هسته های یکنواخت Homogenous nucleation )، مشمول     نظریه های گوناگون بوده و توجیه ترمودینامیکی آن مستلزم مطالعات مقدماتی وسیع و توضیحات کیفی و علمی است. با این وجود و با توجه به تأثیر تبلور در ساختار قطعات ریختگی در هر دو مورد باید اطلاعات کافی به عمل آید.

انجماد فقط یک تغییر شکل فازی است . در هنگام سرد شدن، فلز مایع مقداری انرژی از دست می دهد که در نتیجه نسبت به حالت جامد در مجموعه ناپایدارتر قرار می گیرد، در چنین حالتی، کاهش فاصله بین اتمی، کاهش ارتعاشات اتمی و افزایش نیروهای بین اتمی، موجب می شود که سرعت حرکت مستقل دو اتم همسایه نسبت به هم کاهش یافته و در نتیجه حالت پایداری با نام ساختار جامد تشکیل شود. نظریه های دیگر مبنی بر کاهش انرژی داخلی (به دلیل آزاد شدن گرمای نهان گداز) و هم چنین کاهش انتروپی و درجه حرارت است، که مجموعاً انرژی آزاد در سیستم مایع را با کاهش درجه حرارت، افزایش داده و در نتیجه تغییر حالت آنها از نظم کم دامنه به نظم پر دامنه را ایجاب می نماید. نظریه های مربوط به محاسبات تغییرات انرژی آزاد و اندازه های هسته، عموماً یکی از مشخصات تغییر حالت مایع به جامد بیان را کرده است. در هر کدام از مجموع نظریه های ابراز شده، موضوع وجود یا عدم وجود فصل مشترک، موجب تناقضات  مختلف در بیان تبلور می شود. زیرا اگر نوعی تحول (تشکیل ساختار جامد) و یا تبدیل تدریجی (رشد) در انجماد اتفاق افتد، ناگزیر باید فصل مشترک کافی برای انجام چنان تبدیل یا تحولی موجود باشد، از طرف دیگر قبول فصل مشترک به مفهوم پذیرش وجود هسته های اولیه است که توجیه تبلور و جوانه زنی را به مطالعات و بررسی های دیگر نیازمند می نماید. اولین مشکل در بیان فوق آن است که اگر فصل مشترکی وجود ندارد، لذا هیچ منطقه ای با سطح انرژی متفاوت وجود نداشته در نتیجه تغییر حالت از مایع به ساختار دیگر، مفهوم نخواهد داشت. می دانیم که در هر مجموعه اتمی، تعدادی اتم وجود دارد در سطح انرژی بالاتری نسبت به میانگین انرژی سیستم قرار دارند

مادون انجماد :

مذاب در دماهای زیر نقطه ذوب در تحت شرایط مادون انجماد «supper cooling = under cooling» انجام می گیرد.

در هر درجه حرارت پائین تر از دمای ذوب، انرژی آزاد سیستم جامد کمتر از مایع است، که از نظر ترمودینامیکی تعریف و اثبات شده و از این رو تغییر و تبدیل مایع به جامد در دماهای پائین تر از دمای تعادلی، تغییراتی طبیعی است. ولی سؤال اصلی این است که چرا چنین تغییراتی به صورت حقیقی انجام نمی گیرد. به آن گونه که قبلاً توضیح داده شد، انجماد وقتی حاصل می شود که شرایط رشد بلورهای جامد فراهم شود، و لذا تبدیل ساختار مایع به جامد، بدواً باید در شرایط تشکیل بلورهای بسیار کوچک بررسی گردد.

اثر آهنگ سرد شدن مذاب بر مادون انجماد آلياژ  Al-12%Si:

تاثير آهنگ سرد شدن مذاب قبل از انجماد درون قلب فلزي بر مادون انجماد آلياژ آلومينيوم 12 درصد سيلسيم در مقاله های مختلف مورد بررسي قرار گرفته است. با وجود آنكه محدوده دمايي انجماد آلياژ آلومينيم -12 درصد سيليسيم577-584 درجه سانتی گراد گزارش شده است. در آزمايشات انجام شده در اين پژوهش ها دماي شروع انجماد به مقدار مقابل توجهي كاهش يافته و درمركز قطعه با ضخامت 10 ميلي متر به 551 درجه سانتیگراد رسيده است. براساس نتايج بدست آمده مادون انجماد با آهنگ كاهش دما در محدوده فوق ذوب = a(R)C بدست مي آ يد. در اينDارتباط داشته و در اين مورد رابطه كلی بصورت  رابطه به ترتيب مادون انجماد و آهنگ سرد شدن و c,a ضرايب ثابت مي باشند. با توجه به آناليزهاي بدست آمده رابطه عددي حاصل مي شود.

روشهای محاسبه آهنگ سرد شدن آلیاژ AL –Si  :

تاکنون روشهای متعددی جهت محاسبه و مدلسازی سرعت یا آهنگ سردشدن آلیاژ آلومینیوم – سیلیسیم  ابداع گردیده است که در این بخش به قسمتهایی از این روشها اشاره می کنیم و یکی از این روشها را به طور کامل مورد آزمایش قرار می دهیم .

1-      روش مدلسازی فیزیکی سرعت انجماد قطعات :

در این روش با استفاده از داده های قبلی در مورد نوع آلیاژ ، آنالیز قالب و قطعه و از همه مهمتر آنالیز حرارتی قالب ، میتوان سرعت سرد شدن را با استفاده از مدلسازی فیزیکی محاسبه کرد .

2-      مطالعه فاصله بازوهای دندریتی و ارتباط آن با سرعت سرد شدن آلیاژهای آلومینیوم

3-      شبيه سازي عددي انجماد آلومينيم به روش المان مرزي :

در اين مبحث از روش المان مرزي با المان هاي خطي و درجه دو براي شبيه سازي فرآيند انجماد و سرد شدن فلز خالص (آلومينيم) ريخته گري شده در قالب ماسه اي استفاده شده است. در اين روش، نقاط گرهي روي مرز دامنه قرار داده مي شوند. در مسايل مرز متحرک، موقعيت اين گره ها در هر گام زماني اصلاح شدند؛ زيرا موقعيت آن ها تابع زمان است. اصلاح گره بندي در روش المان مرزي به مراتب ساده تر از ساير روش هاي عددي متعارف است. معادله رسانش گذرا همراه با تغيير فاز را به يک معادله انتگرال مرزي تبديل کرده و با استفاده از روش المان مرزي؛ تابع گرين زمان مند و انتگرال تلفيقي را به صورت عددي حل و توزيع دما و موقعيت جبهه انجماد را پيدا مي کنيم. دقت روش مورد استفاده با حل مساله يک بعدي انجماد بررسي و نتايج شبيه سازي عددي با نتايج به دست آمده از انجام آزمايش هاي مختلف مقايسه و بحث شده است.

4-      روش اندازه گیری حجمی

این روش به طور کامل مورد بحث قرار می گیرد.

تصویر شبیه سازی روش المان مرزی :

تصاویر مربوط به انجمادمرزدانه ها و لبه های آلیاژ Al-Si  :

مطالعه دیاگرام تعادلی Pb-Sn  :

قبل از مطالعه متالورژیکی نمونه زیر میکروسکوپ

به طور خلاصه به بررسی نمودار تعادلی سرب- روی

میپردازیم .

همانطور که در شکل دیده میشود، یوتکتیک در 183 درجه اتفاق می افتد .

آلیاژمورد مطالعه ما 40 % قلع دارد . و خط فلش دار نشان دهنده وضعیت تعادل آن است . که در زمان انجماد فاز قلع به صورت β+α  و بصورت هیپو یوتکتیک      دیده میشود .

در این شکل فاز بندی و دانه بندی میکروساختار در همان

 نسبت قلع به سرب نشان داده شده است. رشد فاز آلفا

همچنین ترکیب آلفا و بتا بسیار زیبا نمایش داده شده

است .

مطالعه تصاویر متالوگرافی :

به واسطه جدایش ثقلی اگر زمان داشته باشیم و قطعه زمان کافی برای انجماد داشته باشد ، جدایش کاملا" مشخص است .

به علت دسترس نبودن تصاویر ، از عکسهای رایانه ای از سایر منابع استفاده شده است .

طبق اصول مطرح شده به علت جرم حجمی بالاتر سرب ، نمونه ای که از ته قطعه انتخاب شده است درصد سرب بیشتری دارد .

تصاویر روبرو نشان دهنده انحلال سرب در قلع و قلع در سرب است .

رگه های سفید نشان دهنده قلع و همچنین فاز یوتکتیک است.

جزایر تیره غنی از سرب هستند .

خطوط روشن نشان دهنده فاز β+α است .