تئوری های پارگی گرم

انجماد آلیاژها همیشه در یك بازده دمایی به نام دامنه انجمادی رخ می دهد. كاهش دما، فاز جامد جوانه زده و در قالب دانه هایی (معمولاً به شكل دندریتی) رشد می كند و از یك نقطه معین دربازه دمایی، دانه ها ابتدا با حس كردن حضور دانه های مجاور وسپس با برخورد و تماس و پل زدن با آنها و در نهایت با شكل دهی یك اسكلت پیوسته از فاز جامد، با یكدیگر تداخل و فعل و انفعال می كنند.

دمایی كه در آن دانه ها شروع به تداخل با یكدیگر می كنند نقطه همدوی و پیوستگی1 نام دارد و دمایی كه در آن شبكه پیوسته جامد شكل می گیرد نقطه صلبیت2 نام دارد. در زیر این نقطه صلبیت، حجم و بدنه نیمه جامد خصوصیات عمده فاز جامد- حفظ شكل و خواص مكانیكی مانند استحكام و انعطاف پذیری را به خود می گیرد.
بدیهی است كه رفتار ترمومكانیكی بدنه نیمه جامد وابستگی زیادی به خواص مكانیكی آن دارد. از طرفی، خواص این بدنه (استحكام و انعطاف پذیری) قرار دارد و در طرف دیگرتنش ها و كرنش های اعمال شده به آن در هنگام فرآیند انجماد و ناشی شده از انقباضض انجمادی، فشار متالواستاتیك (فشار فلز مایع ) ، انقباض حرارتی ممانعت شده و غیر آزاد، گرادیان حرارتی و غیره وجود دارند.
برخلاف فلزات خالص كه در یك نقطه منجمد می شوند، آلیاژها به تدریج در یك بازه دمایی (وسیع) از مذاب تبدیل به جامد می شوند. در هنگام ریخته گری، زمان قابل ملاحظه ای هنگامی كه آلیاژ مشتكل از هم جامد و هم مذاب است، وجود دارد.
ماده در این حالت نیمه جامد به دو دسته تقسیم می شود: دوغایی ها3 و خمیری ها4 . یك دوغاب، مایعی است به همراه ذرات جامد معلق. در بعضی دماها دانه های جامد شروع می كنند به تداخل با یكدیگر و در ماده یك استحكام معینی پدیدار می شود. در زیر این دما، ماده با عنوان خمیر نامیده می شود، یعنی شبكه جامد با مذاب در میان آن.
كسر جامد كه در آن این تبدیل رخ می دهد، بسته به مورفولوژی ذرات جامد، بین 0.25 تا 0.6‌متغیر است. به علت تفاوت بسیار زیاد در رفتار مكانیكی این مورفولوژی های گوناگون، دوغاب ها معمولا با مدلهای بر پایه وسكوزته توصیف می شوند و خمیرها معمولاً با مدل های بر پایه تغییر شكل. مدل های بر پایه وسكوزیته از سمت مذاب شروع می شوند و برای در حساب آوردن و در نظر گرفتن اثر افزایش مقدار ذرات جامد اصلاح شده اند.
مدل های بر پایه تغییر شكل بر اساس مدل های كار گرم هستند كه برای در حساب آوردن و در نظر گرفتن حضور مذاب اصلاح شده اند. تبدیل دوغاب به خمیر هنوز به عنوان یك مساله پیچیده برای مدل كردن است و یك مدل رضایت بخش كه رفتار را در تمام بازه انجمادی توصیف كند هنوز در دست توسعه و گسترش است.
چیزی كه هست این كه كار ریخته گری آلیاژها با رخ دادن عیوب مختلف در محصول نهایی بسیار مانوس است. یكی از عیوب عمده پارگی گرم یا ترك گرم، یا سرخ شكنندگی است . صرفنظر از نامگذاری، این پدیده ، ثمره تشكیل یك ترك برگشت ناپذیر(شكست و عیب) در یك قطعه ریختگی است كه هنوز در حالت نیمه جامد باشد. مطالعات اولیه و صنعتی این پدیده نشان مید هد كه پارگی گرم در آخرین مراحل انجماد وقتی كه كسر حجمی جامد بالای %95 – 85 است و فاز جامد از یك شبكه پیوسته دانه شكل گرفته است، رخ می دهد. همچنین معلوم شده است كه یك ساختار دانه ظریف ریخته گری كنترل شده (بدون دمای بالا و گرادیان های تنشی) به حذف ترك گرم كمك می كنند. رابطه بین استعداد به ترك گرم و تركیب یك آلیاژ به خوبی شناخته شده است.
رابطه بین ظهور پارگی های گرم و خواص مكانیكی در حالت نیمه جامد آشكار است. و این رابطه برای چندین دهه مورد بررسی و مكاشفه قرار گرفته است. با وجود این، بسط و توسعه تئوری ها، مدل ها و معیارهای جدید1 برای پارگی گرم در علوم فلزات امروزی رو به ترقی و پیشرفت است. در هنگام ریخته گری پیوسته آلیاژهای آلومینیم، خنك كاری اولیه و ثانویه، گرادیان حرارتی شدیدی را در شمش ایجاد می كند كه می تواند منجر به اعوجاج در شكل شمش و یا پارگی گرم و ترك سرد شود.
در مداوم ریزی، نام ناحیه خمیری2 غلط انداز است، چنانكه قسمت بالایی آن عملاً یك دوغاب است زیرا كه دانه های تازه شكل گرفته هنوز درون مذاب معلق هستند. تنها پس از آن كه دما به زیر دمای همدوسی و پیوستگی افت پیدا كند یك ناحیه واقعاً خمیری شكل می گیرد. رفتار تغییر شكل خمیر برای تشكیل حفرات و پارگی های گرم بسیار بحرانی و خطرناك است.
از مطالعات انجام شده از آغاز سال 1950 تا كنون، به نظر می رسد كه پارگی های گرم بالای دمای سولیدوس آغاز می شوند و در فیلم های مذاب بین دندریتی منتشر می شوند. این امرمنتج به یك سطح شكست ناهموار پوشیده شده با یك لایه صاف (نرم) و گاهی با پل های جامد3 كه دو طرف ترك را به هم وصل كرده یا می كنند، می شود.
در هنگام انجماد، جریان مذاب در سر تاسر ناحیه خمیری كاهش پیدا می كند تا وقتی كه این جریان برای پر كردن حفرات تازه بوجود آورده ناكافی باشد، از این رو این حفرات می توانند بیشتر رشد كنند.
فرآیند انجماد را می توان بر حسب نفوذ پذیری شبكه جامد به چهار مرحله تقسیم بندی كرد:
1- تغذیه توده ای: كه در آن هر دو فاز جامد و مذاب برای حركت آزاد هستند.
2- تغذیه بین دندریتی: كه در آن مذاب باقیمانده باید در میان شبكه دندریتی جریان یابد. پس از آنكه دندریتها یك اسكلت جامد را شكل دادند، مذاب باقیمانده باید در میان شبكه دندریتی جریان پیدا كند. ممكن است یك گرادیان فشار، سر تا سر ناحیه خمیری به علت انقباض انجمادی كه به صورت عمیق تر در ناحیه خمیری رخ می دهد، بوجود آید.
هر چند در این مرحله نفوذ پذیری شبكه به اندازه كافی بزرگ هستند تا از تشكیل حفرات جلوگیری كند.
3- جدایش بین دندریتی، كه در آن شبكه مذاب، تكه تكه شده و ممكن است در این مرحله پارگی گرم یا تشكیل حفره رخ دهد. با افزایش كسر جامد، مذاب به شكل پاكتهایی ایزوله می شود یا به علت تنش سطحی بی تحرك می شود. وقتی كه نفوذ پذیری شبكه جامد برای جریان و سیلان مذاب بیش از حد كوچك شود، انقباض حرارتی بیشتر جامد باعث تشكیل حفرات یا پارگی گرم خواهد شد.
4- پل زنی بین دندریتی یا تغذیه جامد: كه در ‌آن شمش استحكام قابل ملاحظه ای پیدا كرده است و خزش حالت جامد، انقباض بیشتری را جبران و تلافی می كند. در مرحله پایانی انجماد (Fs>0.9) ، تنها پاكتهای مذاب ایزوله شده باقی می مانند و شمش استحكام قابل ملاحظه ای را خواهد داشت. خزش حالت جامد، اكنون فقط می تواند انقباض انجمادی و تنش های حرارتی را جبران و خنثی كند.
از آنجائیكه در یك دوغاب و در هنگام مرحله تغذیه بین دندریتی در خمیر تغذیه معمولاً برای جلوگیری كردن از هر گونه عیب ریخته گری كافی است، ما در ادامه عمدتاً دو مرحله آخر را مورد بررسی قرار می دهیم. در اصل این مرحله جدایش بین دندریتی است كه در آن شمش نسبت به تشكیل حفرات و پارگی گرم آسیب پذیر است.
یك آلیاژ با دامنه انجمادی بزرگ، پارگی گرم را ترقی می دهد، از آنجائیكه یك چنین آلیاژی زمان بیشتری را در ناحیه آسیب پذیری كه در آن فیلم های مذاب نازك ما بین دندریت ها وجود دارند، سپری می كنند. توزیع فیلم مذاب توسط زاویه دو سطحی تعیین می شود. با یك زاویه دو سطحی كوچك، مذاب تمایل دارد كه خودش را روی سطح مرز دانه ها پهن كند كه این امر به شدت پیوستگی و كوهرنی دندریتی را كاهش می دهد. در یك زاویه دو سطحی بزرگ، مذاب به صورت قطراتی در نقاط سه گانه باقی می ماند، بطوریكه شبكه جامد استحكام خود را حفظ می كند.
به غیر از این فاكتورهای ذاتی، انقباض حرارتی، كرنش ها و تنش هایی را به شبكه جامد تحمیل می كنند، كه برای پارگی گرم لازم هستند. این موضوع قبلاً نشان داده شده است كه عمدتاً این كرنش و نرخ كرنش است كه برای پارگی گرم بحرانی هستند. از آنجائیكه نیروهای موجود در هنگام انجماد در قیاس با تنش هایی كه یك شبكه نیمه جامد می تواند تحمل كند، بسیار بزرگتر هستند، به نظر می رسد كه تنش ها بحرانی نباشند تلاشهای زیادی وقف درك پدیده پارگی گرم شده اند.
گردآوری مجموعه كارهای تحقیقاتی در این زمینه توسط نوسیكوف و زیگورث انجام شده است و ژنگ نیز علل محتمل پارگی گرم را مورد باز بینی قرار داده است. تعداد معدودی مكانیزم برای پارگی گرم، پیش از این در آثار منتشره، پیشنهاد و مطرح شده اند. بعضی از آنها بصورت مختصر در زیر شرح داده می شوند.
نویكوف و نوویك گزارش كرده اند كه در نرخ كرنش های پایین، لغزش مرز دانه مكانیزم عمده و اصلی تغییر شكل یك بدنه نیمه جامد است. نیروی اعمال شده به بدنه نیمه جامد با یك جابجایی مرز دانه كه توسط فیلم های مذاب احاطه كننده دانه روانكاری شده است، همراهی و مساعدت می شود.
پروخروف یك مدل را برای تغییر شكل بدنه نیمه جامد طرح كرد. اگر دو نیروی مماسی Z2 , Z1 ‌به یك بدنه نیمه جامد در حالت تعادل اعمال شوند، عكس العمل بدنه خودش را به صورت حركت و جابجایی دانه آشكار می كند و در بعضی موارد دانه ها به یكدیگر رسیده و با هم برخورد می كنند. مذاب پوشاننده دانه به سمت نقطه كمترین فشار گردش می كند. تغییر شكل بیشتر مسیر خواهد بود اگر كه تنش سطحی و مقاومت در برابر سیلان و جریان مذاب برای همراهی و مساعدت كردن تنش اعمالی كافی باشد. در غیراینصورت پارگی گرم یا یك شكست بین دانه ای ترد رخ خواهد داد. راجع به این تئوری پروخروف موارد زیر را اصل قرار داد:  افزایش ضخامت فیلم، كرنش شكست را افزایش می دهد. كاهش اندازه دانه، كرنش شكست را افزایش می دهد.  هر گونه غیر یكنواختی اندازه دانه كرنش شكست را كاهش می دهد. بر اساس این تئوری مقیاس اصلی برای پارگی گرم، انعطاف پذیری بدنه نیمه جامد است. پارگی گرم وقتی رخ می دهد كه كرنش بدنه از انعطاف پذیری آن فراتر رود.
تئوری شكنندگی وابسته به انقباض، دامنه انجمادی را به دو بخش تقسیم می كند. در بخش بالایی شبكه پیوسته و همدوس فاز جامد وجود ندارد. ترك ها یا عیوبی كه در این مرحله رخ می دهند می توانند با جریان مذاب بهبود یابند. وقتی كه جریان انجماد پیش رود و كسر جامد افزایش یابد، در یك مرحله معین یا یك كسر جامد معین یك شبكه پیوسته و همدوس شكل می گیرد. این مرحله به عنوان آغاز انقباض خطی در نظر گرفته می شود. پس از نقطه همدوسی و پیوستگی، تنش انقباضی بر بدنه نیمه جامد اعمال و تحمیل می شود. اگر تنش انقباضی بیشتر از تنش گسیختگی1 شود آنگاه پارگی گرم یا شكست رخ خواهد داد.
پلینی تئوری پارگی گرمی را بر مبنای تجمع كرنش با مشخصات اصلی زیر پیشنهاد كرد: ترك خوردگی در یك ناحیه نقطه داغ رخ می دهد.  پارگی گرم یك پدیده كنترل شده با كرنش است كه وقتی رخ می دهد كه كرنش انباشته شده نقطه داغ به یك مقدار بحرانی معین برسد.و كرنش انباشته شده در نقطه داغ به نرخ كرنش و زمان مورد نیاز برای عبور یك نمونه از یك مرحله فیلم، بستگی دارد.

مهمترین فاكتور پارگی گرم بر ااس این تئوری كرنش كل در ناحیه نقطه داغ وجود دارد. با در نظر گرفتن این كه بیشترین كرنش در فیلم مذاب انباشته می شود، داد و متز و فلمینگ، افزایش پارگی گرم ناشی شده از جدایش یك جزء با نقطه ذوب پایین را از این نقطه نظر كه این افزایش، زمان وجود فیلم مذاب را افزایش می دهد، تشریح و توصیف كردند. اگر چه پلنی به یك مقدار بحرانی باری كرنش انباشته شده اشاره می كند، مشخص نیست كه آن انعطاف پذیری است یا چیز و ماهیت دیگر. تئوری پلینی اساسی برای معیار و ملاك طرح شده توسط كلاین و دیویس است.
بعضی از مولفین اظهار می كنند كه این نه كرنش بلكه نرخ كرنش است كه پارامتر بحرانی برای ترك خوردگی گرم است. تعبیر فیزیكی این رهیافت این است كه نرخ كرنش در هنگام انجماد توسط نرخ كرنش مینیمم كه در آن ماده خواهد شكست، محدود می شود.
پروخروف اولین كسی است كه معیار و ملاكی را بر مبنای این رهیافت پیشنهاد كرده است. به تازگی یك معیار و ملاك پارگی گرم بر مبنای نرخ كرنش توط راپاز طرح شده است.
در عین حال، رهیافت دیگر به پدیده پارگی گرم این پنداشت است كه شكست در یك تنش بحرانی اتفاق می افتد. مذاب احاطه كننده دانه ها به عنوان راهگاه و محل تغذیه تنش بدنه نیمه جامد در نظر گرفته می شود در این تئوری، یك ترك پر شده با مذاب به عنوان آغاز و شروع ترك به حساب آورده می شود.

انتشار آغاز كننده و شروع كننده ترك توسط تنش بحرانی تعیین می شود. تنش بحرانی اساساً با استفاده از رهیافت اصلاح شده موازنه انرژی گریفیث تعیین می شود. اصلاح و بهبود رهیافت گریفیث بخصوص، توجیه كردن و توضیح دادن اثر پلاستیسیته است، چنانكه توسط گیلمان و اورووان طرح شده است. رهیافت دیگر درون تئوری مكانیزم های شكست توسط زیگورث طرح شده است كه امكان به كار گیری مفهوم تردی فلز مذاب را برای موضوع پارگی گرم در نظر آورده است.
همچنین گروهی از تئوری های پارگی گرم وجود دارند كه تغذیه ممانعت شده و جلوگیری شده فاز جامد توسط مذاب را به عنوان دلیل اصلی پارگی گرم در نظر می گیرند. نیاما و فیورر این رهیافت را برای استنتاج معیار و ملاك پارگی گرم به كار بردند. بر اساس این تئوری پارگی تا زمانیكه هیچ كمبود تغذیه شوندگی در هنگام انجماد وجود نداشته باشد، رخ نمی دهد. كلاین و دیویس توجه بیشتری را معطوف زمان سپری شده در حالت خمیری كردند. مرحله آخر انجماد به عنوان مستعدترین مرحله به پارگی گرم در نظر گرفته می شود. هر چند با كاهش بیشتر كسر مذاب پل زنی بین دندریت های مجاور به ثبوت رسیده است، بطوریكه از جدایش بین دندریتی جلوگیری می شود.
ضوابط و معیارهای گوناگونی برای پارگی گرم در دهه های گذشته بسط و گسترش یافته اند. فیورر، جریان سیال از میان یك شبكه متخلخل را برای محاسبه تغذیه پسین توسط فلز مذاب به كار برد. پارگی های گرم وقتی آغاز می شوند كه این تغذیه پسین نتواند انقباض انجمادی را جبران كند. كلاین و دیویس یك ضریف حساسیت به ترك (CSC) را به صورت نسبت بین زمان tv ، مدت زمانی كه در آن آلیاژ مستعد پارگی گرم است و زمان tR مدت زمانی كه در آن و اهلش و آسودگی نسبت به تنش و تغذیه پسین می توانند رخ دهند، تعریف كردند.
این زمانها به صورت دوره های زمانی تعریف شده اند كه در آنها به ترتیب كسر مذاب بین 0.1 ، 0.01 و بین 0.1 و 0.6 است. این معیارها و ضوابط توسیط كاتگرمن با یك مدل سیلان حرارت كه فرآیند ریخته گری پیوسته را توصیف و تشریح می كند، تركیب شدند. این امر تعیین ضریب حساسیت به ترك را به عنوان تابعی از پارامترهای ریخته گری ممكن ساخت. متاسفانه معیارها و ضوابط فوق در كاربردشان محدود هتند زیرا كه آنها تنها تعیین كیفی حساسیت به پارگی گرم را مهیا می كنند.
اولین مدل دو فازی، كه هم جریان سیال و هم تغییر شكل شبكه جامد را به حساب آورد، معیار پارگی گرم راپاز- درزت – گریمود (RDG ) است. معیار RDG بر اساس تغذیه پسین كه توسط نفوذ پذیری ناحیه خمیری محدود شده است، فرمول بندی شده است. در جبهه انجماد نفوذ پذیری بالا است. اما در قسمت های عقبتر در ناحیه خمیری نفوذ پذیری محدود شده است. یك افت فشار در طول ناحیه خمیری وجود دارد كه تابعی از این نفوذ پذیری و نرخ كرنش است.
اگر فشار موضعی كمتر از یك فشار بحرانی شود، یك حفره بوجود می آید. این مدل برای پیش بینی پارگی گرم در هنگام ریخته گری شمشال توسط درزت و یك مدل ترمومكانیكی به اجرا درآمده است. مشخص شده است كه حساسیت به پارگی گرم در هنگام شروع و راه اندازی ریخته گری و در مركز بیلیت بیشتر است كه این امر با جریان ریخته گری معمول و متداول سازگار است.
بسط و توسعه بیشتر معیار و ضابطه RDG توسط براچینی به انجام رسیده است. آنها تغییر شكل پلاستیك فاز جامد و یك معیار و ملاك برای رشد یك حفره را در این معیار داخل كردند و گنجاندند.
آنها مدل خود را بر دو مدل هندسی ساده شده پایه ریزی كردند، یكی برای ساختار دندریتی ستونی و دیگری برای یك ساختار دندریتی هم محور. روابطی صریح و روشن برای نرخ كرنش های بحرانی، بسط و گسترش یافته اند و آنها نشان دادند كه نرخ كرنش بحرانی با افزایش كسر جامد، كاهش می یابد.
مطالعات زیادی آزمایش كشش در دمای نیمه جامدی را یا با عمل انجماد در جا و یا با گزارش مجدد نمونه از دمای اتاق، برای مطالعه پارگی گرم مورد استفاده قرار داده اند.
هر دو تكنیك منجر به نتایج كلی زیر شدند. در آلیاژها ی آلومینیوم گوناگون مشاهده شد كه هم استحكام و هم انعطاف پذیری، از درست زیر دمای سولیدوس تا حالت نیمه جامد، در حالیكه سطح شكست از سطح زبر، وابسته به رفتار انعطاف پذیر و نرم، به سطحی صاف و هموار، وابسته به حضور یك فیلم مذاب، تغییر می كند، به شدت كاهش می یابد. به علاوه، ترك ها در خلل و خرج ریز یا آخال های مذاب آغاز می شوند و در طول مرز دانه ها ادامه می یابند.