۱ – تئوری آزمایش : کریستالهایی که در مرحله انجماد یک فلز شکل گرفته اند ممکن است دارای ساختمان های بسیار متنوعی باشند ( دندریتی ، ورقه ای ، سوزنی شکل و غیره ) که این امر بستگی به سرعت سرد کردن و نوع و مقدار ناخالصیهای موجود درفلز دارد .
درصورتیکه کریستالیزاسـيـون تـحـت شـرایطی انجام گیرد که درجه فوق انجماد ( سرد کردن تا زیر نقطه انـجـمـاد ) خیلی کم بوده و فلز دارای درجه خلوص بسیار بالایی باشد ، کریستالهای کاملی با شکل خارجی مطلوب بدست می آیند . در اکثر موارد کریستالهای انشعابی یا درختی شکلی بدست می آید که دندریت نامیده می شوند.
برای تشکیل کریستال دندریتی جوانه در طول جهتی که بیشترین سرعت رشد خطی را داشته باشد گسترش پیدا می کند . در نتیجه ، ابتدا شاخه های اولیه شکل می گیرند . اینها از اولین دسته محورهای نام گذاری می باشند ( محورهای ابتدائی k دندریت ) و درجهـات مختلف از هسته نخستین منشعب می شوند . هنگامیکه شاخه های اولیه از جهت طولی رشد کنند شاخه های دوم ( n ) از کنارشان جوانه زده و در جهت عمودی رشد می نمایند . شاخه های سوم بر روی محورهای شاخه دوم ظاهر شده و رشد می کنند و به همین ترتیب رشد شاخه ها ادامه می یابد . مآلاً . به مرحله ای می رسیم که در آن فضای بین شاخه ها با تنها ساختمان کریستال ها را آشکار می سازد بلکه پیوندهای بین آنها را نیز مشخص می کند . ساختمان شمش فولاد بطور شماتیک در شکل ۲-۳ نشان داده شده است . در این شکل مناطق ساختاری شمش قابل تشخیص است . اصولاً در بررسی ساختار یک شمش ریخته شده سه منطقه قابل تشخیص است . ۱ – کریستالهای ریز کناری یا بیرونی ۲ – کریستالهای ستونی یا ساقه ای ۳- کریستالهای هم محور یا میانی
انجماد فلز مذاب در داخل قالب از سطح قالب شروع شده و درابتدا در قشر باریکی از مذاب که به شدت تحت فوق انجماد قرار گرفته و در مجاورت این سطح واقع شده به وقوع می پیوندد . این امر منجر به تشکیل یک منطقه کریستالی ریز می شود ( بواسطه بالا بودن درجه فوق انجماد ) . دومين منطقه رشد ستونی کریستالها بلافاصله به دنبال مـنـطـقه اول ظاهر می گردد . این کریستالها در جهت انتقال حرارت ( یعنی معمولاً به طرف دیواره قالب ) رشد کنند . رشد بعدی کریستالهای ستونی از دیواره های قالب و با پیشرفت اولین شاخه های دندریت به طرف فلز مذاب و گسترش شاخه های بعدی به همان صورتی که در بالا گفته شد ، انجام می گیرد.
در مواردی که فلز مذاب دردمایی به مراتب بالاتر از نقطه ذوب خود قرار گرفته ( دارای فوق گذار بالائی باشد ) و سپس به سرعت سرد می شود ، منطقه کریستالهای ستونی ممکن است در تمام حجم شمش گسترده شوند ( شکل ۳-۳ ) . آهسته سرد کردن فلزی که دارای فوق گذار بالائی است ( مانند آنچه در قطعات ریختگی با سطح مقطع بزرگ مشاهده می شود ) شرایط مساعدی را برای جوانه سازی کریستالها در قسمتهای مرکزی شمش ایجاد خواهد کرد . دراین حالت یک منطقه ساختاری در وسط شمش تشکیل می شود که شامل کریستالهای هم محوری که بطور نامنظم در کنار هم قرار گرفته اند . می : باشد . اندازه این کریستالها بستگی به درجه فوق گذار فلز ، سرعت سرد شدن ، وجود ناخالصیها و غیره دارد . سرعت گسترش مناطق مختلف بستگی به اندازه شمش ، درجه فوق گذار ، سرعت سرد شدن و عوامل دیگر دارد . توجه داشته باشید که منطقه کریستالهای ستونی دارای چگالی بیشتری هستند چراکه تعداد حفره هایگازی ، مک و غیره دراین مناطق کمتر است . مع ذالک ، فلز در سطوح تماس کریستالهای ستونی استحکام کمتری داشته ( سطوح ضعيف ) و در عملیات بعدی ( آهنگی ، نورد و غیره ) امکان شکست فلز از این مواضع وجود دارد .
گسترش کریستالهای ستونی درفلزاتی با نرمی کم ( مثل فولاد ) نامطلوب است . از طرف دیگر گسترش کریستالهای ستونی در داخل شمش فلزات نرمی مـانـنـد مـس مـطـلـوب می باشد . نرمی زیاد یک آلیاژ مانع از شکـسـتـن شـمـش درعملیات مکانیکی بعدی می شود .
۲ – روش انجام آزمایش :
هدف ما در این آزمایش مطالعه ساختمان سطح مقطع آلومینیوم ریخته شده و بررسی شرایط ریخته گری آن از قبیل درجه حرارت ریختن ، نوع قالب و غیره از طریق مقایسه ای می باشد . کاربرد میکروسکوپ در این جا ضرورتی نداشته و بررسی بطور ماکروسکوپی انجام می گیرد . این ساختار معرف ساختمان کریستالی فلزات خالص در حالت ریختگی می باشد . برای این کار چندین نمونه آلومینیومی که در شرایط مختلفی ریخته شده اند تهیه کرده و آنها را به همان روشهای قبل آماده سازی نموده و با محلول اچی محتوی ۱۵ میلی لیتر HF ، ۱۵ میلی لیتر HNO ، ۴۵ میلی لیتر HCI ، ۲۵ میلی لیتر H2O اچ نمائید .
براثر خوردگی سطح نمونه توسط محلول اچ ، ساختار مقطع فلز که اصولاً شامل قشر کناری ، قشر ستونی و قشر میانی است مشخص می گردد . در این ساختمان هر قدر دانه ها ریزتر باشند نشانگر سرعت سرد کردن بیشتر و درجه حرارت ریخـتـن پـائـیـن تـر خـواهـد بود . اصولاً در قالب فلزی سرعت سرد شدن مذاب به مراتب بیشتر از قالبهای ماسه ای است . در نتیجه نمونه هایی که در قالبهای فلزی ریخته شوند دارای قشر کناری با دانه های ظریفتر ، قشر ستونی باریکتر و کشیده تر و قشر میانی کمتری می باشند و تنها علت این مسئله انتقال حرارت سریع مذاب است که باعث رشد طولی سریع قشر ستونی شده و مجال رشد عرضی به آنها نمی دهد . همین مسئله در مواردی که درجه حرارت ریختن پائین باشد نیز صادق است زیرا در این حالت هـم بـواسطه کمتر بودن درجه فوق گذار سرعت سرد شدن زیاد بوده و درنتیجه حالتی مشابه حالت قبل پیش می آید .
حال اگر قالب ماسه ای باشد ( و یا درجه فوق گذار مذاب خیلی زیاد باشد ) سرعت سرد شدن مذاب کم بوده و درنتیجه کریستالها فرصت کافی برای رشد خواهند داشت . در این حالت کریستالهای کناری درشت تر ، کریستالهای ستونی کوتاه تر و عریض تر و درعـيـن حـال کریستالهای میانی بیشتر خواهند بود . نکته ای که باید بدان توجه داشت آن است که از روی دیواره خارجی نمونه هم می توان تشخیص داد که نمونه در قالب ماسه ای ریخته شده و یا در قالب فلزی ، واضح است که نمونه هایی که در قالب فلزی ریخته شده اند دارای سطح صاف تر و پستی و بلندی کمتری می باشند ، درعین حال درنمونه هایی که در قالب فلزی ریخته می شوند سطح جدایش بین دو قسمت قالب فلزی مشخص است ولی در قالب های ماسه های که قطعه بصورت میل گرد و عمودی ریخته شده است این خط جدایش وجود ندارد . فاکتور دیگری که باید مورد توجه قرار گیرد اندازه قالب است که هر قدربزرگتر باشد انتقال حرارت آهسته تر صورت گرفته و درنتیجه کریستالها درشت تر خواهند بود .
درمورد کریستال های هم محور که در قسمت میانی نمونه تشکیل می شوند باید متذکر شویم که وجود ناخالصیهای حل شده یا عناصر آلیاژی اغلب باعث می شود که دانه های هم محور در مرکز قطعه ریخته شده ، تشکیل گردد و حتی ممکن است تـمـام نـمـونه را اشغال کنند ، چون چـنـدیـن فـاكـتـور در میزان رشد دانـه هـای هـم مـحـور دخالت دارند . پیش بینی یا اطمینان از قـابـلـیـت تـكـرار ساختارهای بدست آمده از این نظر مشکل است لذا درنمونه های آلیاژ ریختگی بعدی شکل کلی دانه ها ممکن است کاملا ستونی ، کاملا هم محور یا ترکیبی ازاین دو شکل باشند .
در این آزمایش هشت نمونه آلومینیوم ریختگی که چهارتای آنها در قالب فلزی و چهارتای دیگر در قالب ماسه های ریخته شده است ، تهیه می کنیم که درجه حرارت ریختن آنها متفاوت بوده و به ترتیب در دماهای ۷۰۰ ، ۷۵۰ ، ۸۵۰ و ۹۵۰ درجه سانتیگراد ریخته شده اند . سپس این نمونه ها را برای بررسیهای متالوگرافی آماده و آچ کنید و سطح مقطع آنها را به طریقه ماکروسکوپی بررسی نمائید .
۳- خواسته های آزمایش :
۳-۱- با استفاده از روشهای مقایسه ای تشخیص دهید که هر نمونه در چه درجه حرارت و چه قالبی ریخته شده است و اصولاً شرایط ریختن هر نمونه را بررسی کنید .
۳-۲- با رسـم سـطـح مـقـطـع نـمـونه های مختلف و مقایسه آنها در هر یک از حالات فـوق اثر فاکتورهای مختلف مـانـنـد فـوق گذار ، حرارت لازم برای گرم کردن قالب ، سرعت سرد شدن قالب و غیره را بر روی ساخـتـمـان نـمـونـه ها و قشرهای مختلف تشکیل دهنده آنها بررسی کنید . ۳-۳- برای از بین بردن قشر بیرونی چه روشهایی را می توان در پیش گرفت ؟ ۳-۴- برای از بین بردن قشر ساقه ای چه می توان کرد ؟ ۳-۵- برای آنکه قشر ساقه ای کاملی بوجود آوریم چه باید بکنیم ؟
