Skip to main content
SUPERVISOR
Behzad Niroumand,Ahmad KermanPour
بهزاد نيرومند (استاد راهنما) احمد کرمانپور (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohamadreza Nasresfahani
محمدرضا نصراصفهاني

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1389

TITLE

Influence of Application of Alternative Electric Field on Dendritic Growth Characteristics of a Transparent Model Material
Solidification under an applied electric field is a novel modification technique for refining dendritic microstructures. Due to opaque nature of metals and their high melting points, it is difficult to investigate the mechanisms by which an electric field can influence the solidification or the growth parameters. The present research used a crystalline and electrically conductive traarent model material, i.e. Succinonitrile (SCN), to investigate the influence of electric field on the growth stages of crystalline materials. To do this, first a growth chamber was designed to allow for the growth of a single SCN dendrite under an applied electric field. Growth stages of single dendrites were then recorded by an imaging system. The images and videos taken were used to investigate different growth parameters including the universal amplitude coefficient, the dendritic growth velocity, the tip radius of the dendrite, the self similar length, the distance between the side branches, the envelope width, the projection area and the contour length of the dendrite, as well as their relationship. The results showed that by applying an electric current, the growth velocity of the dendrites decreased whereas its tip radius and universal amplitude coefficient increased. As the convection flow intensifies in the presence of an electric current, the scaled envelope width (with respect to the dendritic tip) also increases following a power function. The limited growth of the side branches in the early stages of application of the electric current causes a decrease in the projection area of the dendrite which is then increased following a power function as the side branches grow larger. The contour length of the dendrite is also increased in the presence of the electric current. The results show that predications of the LGK model are not correct under an electric field and that some parameters including a modified equilibrium distribution coefficient should be introduced to increase the accuracy of predictions.
چکيده ابعاد و ريخت ريزساختار حاصل از انجماد به دليل تاثيري که بر خواص مکانيکي، فيزيکي و حتي کيفيت سطحي ماده در حال انجماد دارد از اهميت بسيار بالايي در صنعت ريخته گري برخوردار است. روش هاي متعددي براي ريزسازي و بهسازي ساختارهاي انجمادي ارايه شده است که اعمال ميدان الکتريکي در حين انجماد يکي از جديدترين اين روش ها است. با وجود گذشت 30 سال از ابداع اين روش براي بهسازي ريزساختار انجمادي فلزات، به دليل مشکلات کار در دماي بالا و نيز غيرشفاف بودن فلزات تاکنون مکانيزم دقيق و تاييد شده اي در مورد ارتباط ميدان الکتريکي با متغيرهاي رشد و تاثير آن بر مراحل انجماد ارايه نشده است. در اين پژوهش با هدف ارزيابي تاثير اعمال ميدان الکتريکي بر مرحله رشد مواد بلوري، از يک ماده مدل شفاف بلوري و هادي الکتريسته (سوکسينونيتريل) استفاده گرديد. ابتدا محفظه رشد تک دندريت هاي اين ماده طراحي و ساخته شد و سپس دندريت هاي پليمري در اين محفظه تحت ميدان الکتريکي در چگالي جريان هاي mA/mm 2 625/0، 25/1، 5/2، 75/3 و 5 رشد داده شد. مراحل رشد و شکل گيري اين دندريت ها توسط دوربين ويژه اي ثبت و متغيرهايي نظير ضريب ناهمسانگردي، سرعت رشد دندريت، شعاع نوک دندريت، طول خود متشابهي، فاصله بازوهاي جانبي، پهناي خط محاطي دندريت، مساحت سطح تصوير دندريت و محيط تصوير دندريت در چگالي جريان هاي مختلف با استفاده از آناليز تصويري بررسي شد و روابط حاکم بر آنها به دست آمد. نتايج حاصله نشان داد که با اعمال ميدان الکتريکي سرعت رشد دندريت کاهش و شعاع نوک و ضريب ناهمسانگردي آن افزايش مي يابد. علاوه براين با وجود افزايش ضريب ناهمسانگردي و بر خلاف انتظار شاخه هاي جانبي کمتري تشکيل مي شود. اعمال ميدان الکتريکي به مذاب اگرچه فاصله بازوهاي جانبي دندريت را افزايش مي دهد ولي به دليل افزايش همزمان شعاع، تغيير قابل توجهي در روابط بدون بعد حاکم ايجاد نمي کند و رابطه تواني حاکم بر آن حفظ مي شود. همچنين پهناي محاطي دندريت با اعمال ميدان الکتريکي به دليل تشديد جريان همرفتي در مذاب افزايش مي يابد و در حالت بدون بعد نسبت به فاصله از نوک دندريت از يک رابطه تواني تبعيت مي کند. مساحت سطح تصوير دندريت با اعمال ميدان الکتريکي به مذاب در ابتدا به دليل رشد محدودتر بازوهاي جانبي کاهش مي يابد ولي در ادامه به دليل بزرگتر شدن شاخه هاي جانبي با اعمال ميدان الکتريکي با حفظ رابطه تواني افزايش مي يابد. با توجه به اينکه اندازه گيري محيط تصوير دندريت با روش مرسوم، نتايجي بي نظم و غيرقابل تفسير به دست داد، روشي جديد براي محاسبه محيط تصوير دندريت پيشنهاد و مورد آزمايش قرار گرفت. نتايج به دست آمده از اين روش نشان داد که با اعمال ميدان الکتريکي محيط تصوير دندريت نيز افزايش مي يابد. بررسي هاي انجام گرفته با استفاده از مدل LGK نشان داد که اين مدل در شرايط عادي نمي تواند پيش بيني صحيح ارائه دهد و براي افزايش دقت پيش بيني لازم است متغيرهايي نظير ضريب توزيع تعادلي تغيير داده شود. در اين صورت نتايج بدست آمده واقعي تر خواهد بود ولي به دليل در نظر نگرفتن جريان همرفتي در مدل LGK همچنان اختلاف در نتايج وجود دارد. کلمات کليدي: ميدان الکتريکي، انجماد، مدل شفاف، دندريت، شاخه اصلي، شاخه جانبي، متغيرهاي رشد، ضريب ناهمسانگردي، مدل LGK

تحت نظارت وف ایرانی