Skip to main content
SUPERVISOR
Behzad Niroumand,Ebrahim Shirani
بهزاد نيرومند (استاد راهنما) ابراهيم شيراني چهارسوقي (استاد مشاور)
 
STUDENT
Mehdi Reisi
مهدي رئيسي

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1385

TITLE

Microstructural Evolution of a Transparent Model Material during Semisolid Processing
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, traarent 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 traarent 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 solute traort due to the convection by incorporating the apparent diffusivity parameter into the existing coarsening models for stagnant melts. The model predictions were in a good agreement with the experimental results in respect to the coarsening rate under different fluid flow conditions.
چکيده از ابتداي ابداع فرايندهاي ريخته گري در حالت نيمه جامد مطالعات متعددي در رابطه با مکانيزم هاي تشکيل ريزساختار در اين فرايندها انجام شده است. با اين حال مرور تحقيقات انجام شده در اين زمينه نشان مي دهد که هنوز توافق نظر جامعي ميان محققين در ارتباط با مکانيزم هاي مؤثر در تحولات ريزساختاري در فرايندهاي ريخته گري نيمه جامد وجود ندارد. علت اين مسأله ماهيت غيرشفاف فلزات عنوان مي شود که امکان مشاهده ي مستقيم تحولات ريزساختاري در مرحله ي جوانه زني و لحظات ابتدايي رشد ذرات جامد را غيرممکن ساخته است. به همين دليل اکثر نظريه هاي ارائه شده بر اساس مشاهدات غيرمستقيم استوار مي باشد. جهت غلبه بر اين محدوديت، مواد مدل شفاف جهت مشاهده ي مستقيم تحولات ريزساختاري در برخي از فرايندهاي ريخته گري نيمه جامد مورد استفاده قرار گرفته و تحقيقات انگشت شماري نيز با استفاده ازآنها صورت پذيرفته است. هدف از تحقيق حاضر، مطالعه ي درجاي مکانيزم ها و پارامترهاي مؤثر در تشکيل ذرات جامد در فرآوري نيمه جامد با استفاده از آلياژ شفاف سوکسينونيتريل با خلوص 99% مي باشد. به اين منظور دستگاهي براي مشاهده و مطالعه ي مستقيم انجماد آلياژ مدل تحت شرايط جابجايي اجباري طراحي و ساخته شد. نتايج آزمايش هاي انجام شده شواهدي را در ارتباط با ميزان تأثيرگذاري عواملي همچون نرخ جوانه زني، الگوي سيلان مذاب و نرخ برش بر تحولات ريزساختاري مراحل آغازين انجماد ارائه نمود. اين نتايج حاکي از نقش به مراتب مؤثرتر الگوي سيلان حاکم در مذاب در مقايسه با نرخ برش بر فرايند تکه تکه شدن مؤثر دندريت ها و تشکيل ذرات کروي شکل در شروع انجماد بود. در واقع وجود تلفيقي از جوانه زني شديد و شدت تلاطم زياد در شروع انجماد شرايطي را ايجاد مي کند تا در حضور دانسيته ي زياد ذرات، امکان رشد پايدار آنها تا رسيدن به ابعادي در حدود 60 ميکرومتر فراهم شود. در غير اين صورت حتي در نرخ هاي برش زياد نيز ذرات تشکيل شده در شروع انجماد دندريتي شکل هستند. اين يافته با باورهاي رايج که وجود نرخ برش زياد را شرط لازم براي تشکيل ذرات کروي شکل مي دانند متفاوت است. در آزمايش هايي که ديسک در حال چرخش توسط يک سيستم خنک کننده سرد مي شد نتايج مشاهدات درجا تشکيل يک شبکه ي جامد دندريتي در اطراف ديسک در حال چرخش را مشخص کرد. جدا شدن بازوهاي دندريتي از اين شبکه ي دندريتي درشت شده در صورت متلاطم بودن جريان در اطراف آن به عنوان يک منبع مؤثر در تشکيل ذرات کروي شکل مشاهده شده در ساختار پيشنهاد گرديد. تشکيل اين شبکه 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 سينتيک درشت شدن بازوهاي دندريتي تحت شرايط جابجايي اجباري ارائه شد. اين مدل که در واقع شکل تصحيح شده ي مدل کلاسيک کاتامي براي درشت شدن بازوها در شرايط کنترل شونده توسط نفوذ تنها است با وارد کردن پارامتري به نام ضريب نفوذ ظاهري، تأثير سيلان مذاب را بر افزايش سرعت نفوذ مدنظر قرار داده است. نتايج اين مدل نشان داد که قطر بازوها ( d ) در حالت کلي توسط معادله اي به شکل d=At a ? b با زمان انجماد موضعي ( t )و نرخ برش ( ? ? ) ارتباط پيدا مي کند و الگوي سيلان حاکم در مذاب تعيين کننده ي ثوابت a و b در معادله ي مذکور مي باشد. ميزان انطباق مدل پيشنهادي با يافته هاي آزمايشگاهي مربوط به آلياژهاي مختلف مورد بررسي قرار گرفت. کلمات کليدي: ريزساختار غيردندريتي، SCN، نرخ برش، الگوي سيلان، ريخته گري نيمه جامد.

تحت نظارت وف ایرانی