زينترينگ فاز مايع (1)
اين مقاله اصول رشد دانه، متراكم شدن (densification) و تغييرات ريزساختاري در طي زينترينگ فاز مايع (liquid phase sintering) را توصيف مي كند (از اين به بعد در اين مقاله به زينترينگ فاز مايع، به طور اختصار، LPS
مترجم: حبيب الله عليخاني
منبع: راسخون
منبع: راسخون
اين مقاله اصول رشد دانه، متراكم شدن (densification) و تغييرات ريزساختاري در طي زينترينگ فاز مايع (liquid phase sintering) را توصيف مي كند (از اين به بعد در اين مقاله به زينترينگ فاز مايع، به طور اختصار، LPS مي گوييم). دو نوع مختلف از رشد رفتارهاي رشد دانه وجود دارد. اين رفتارها عبارتند از رفتار نرمال (معمولاً به آن رفتار معمولي گفته مي شود) و رفتار غير نرمال. اين طبقه بندي با توجه به توزيع نسبي اندازه ي ذرات انجام شده است. در اين مقاله، اين رفتارها تعريف شده است و تئوري هاي مربوطه نيز مورد بررسي قرار گرفته است. همچنين در اين مقاله، تمركز خاصي بر روي پيش بيني رشد دانه در حالت غير نرمال، قرار داده شده است و همچنين قوانين كلي در مورد تغيير ريزساختار ماده در حين LPS، نيز مورد بررسي قرار گرفته است.
تفاوت هاي اصولي ميان دو مكانيزم متراكم شوندگي (يعني پهن شدن محل هاي تماس و پر شدن تخلخل ها) نيز مورد بررسي قرار گرفته است و صحت آنها نيز مورد بحث قرار گرفته است. محاسبات مربوط به مدل كينتيك متراكم شوندگي بواسطه ي تئوري پر شدن تخلخل ها مورد بحث قرار گرفته است.
وقتي يك قطعه ي متراكم شده از پودر، در بالاي خط ساليدوس خود زينتر شود، زينترينگ در حضور فاز مايع انجام مي شود و آن را زينترينگ فاز مايع (LPS) مي نامند. سيستم زينترينگ فاز مايع ايده آل، معمولاً به صورت سيستمي ايده آل سازي مي شود كه در آن دانه هاي جامد و يك مايع در تعادل شيميايي هستند. به هر حال، در سيستم هاي واقعي، زينترينگ حالت جامد معمولاً در طي حرارت دهي به زينرينگ فاز مايع تبديل مي شود و واكنش ميان پودرهاي مختلف همچنين در طي حرارت دهي و در شروع LPS، اتفاق مي افتد. زينترينگ حالت جامد و واكنش ها در اين سيستم حالت اوليه ي LPS در يك سيستم واقعي را دارند.
شكل 1 نمودارهاي متراكم شوندگي نمونه وار براي LPS را نشان مي دهد. در اين مورد كه از نمونه هاي W-Ni-Fe با اندازه ي ذرات W مختلف استفاده شده است، متراكم شوندگي ماده در حالت جامد و در طي حرارت دهي، قابل توجه است. مخصوصاً در نمونه ي داراي ذرات W ريزتر. شكل 2 تغييرات ريزساختاري در طي LPS نمونه ي W-Ni-Fe داراي ذرات W با اندازه ي ذره ي 5 ميكرون را نشان مي دهد. وقتي زينترينگ ادامه مي يابد، رشد دانه و متراكم شوندگي به طور همزمان اتفاق مي افتد. متراكم شوندگي و رشد دانه دو پديده ي اساسي هستند كه در LPS رخ مي دهند (مشابه زينرينگ حالت جامد). اين دو پديده ي اساسي از همديگر مستقل نيستند و بر هم اثر مي گذارند.
رشد دانه در يك زمينه ي مذاب همچنين پديده ي اوستوالد رايپنينگ ناميده مي شود. نيروي محركه ي استوالد رايپنينگ، انرژي كاپيلاري سيستم و تفاوت در پتانسيل شيميايي اتم ها در دانه هاي با اندازه ي مختلف، مي باشد كه از تفاوت در فشار كاپيلاري در دانه هاي مختلف، ايجاد مي شود. فشار كاپيلاري ( ∆P ) يك دانه ي كروي با شعاع a به صورت معادله ي يانگ – لاپلاس بيان مي شود:
كه در اينجا، s و l به ترتيب بيان كننده ي حالت جامد و مايع مي باشند. و
صرفنظر از شكل تعادلي دانه، هر دانه تحت دو فشار كاپيلاري اشاره شده در بالاست. فشار كاپيلاري، انرژي سطحي مولي را افزايش مي دهد و بنابراين، حلاليت اتم هاي حل شونده در مايع افزايش مي يابد (شكل 3). از لحاظ ترموديناميكي، افزايش در حلاليت مواد حل شونده در يك مذاب، با رابطه ي گيبس- تامسون، بيان مي شود:
عمليات هاي تئوري و مشاهدات تجربي بر روي استوالد رايپنينگ در بسياري از مطالعات، مورد بررسي قرار گرفت. افرادي مانند Lifshitz و Slyozov و Wagner با دقت بالايي، رشد دانه هايي را مورد آناليز قرار دادند كه بوسيله ي نفوذ اتمي در مايع، رشد مي كردند. اين آناليزها در سيستم مدلي انجام شد كه داراي كسر ناچيزي از دانه ها در داخل زمينه ي مايع هستند. براي همين مدل، Wagner همچنين رشد دانه ي كنترل شده با واكنش در سطح مشترك جامد- مايع را مورد آناليز قرار داد.
در مقايسه با تئوري استوالد رايپنينگ براي كنترل نفوذي، اعتبار تئوري كنترل واكنش در سطح، مورد سوال است. يك مسئله مهم در مورد اين تئوري، مربوط به اين فرض اساسي است كه نرخ واكنش سطح مشترك (سرعت رشد) به طور ساده با نيروي محركه، قابل قياس است. اين فرض تنها براي سيستم هايي اعتبار دارد كه داراي موبيليته ي سطح مشترك هستند. اين مسئله به طور شماتيك در شكل 4a نشان داده شده است. با توجه به تئوري ها و مشاهدات تجربي در مورد رشد كريستالي، فرض موبيليته ي ثابت تنها براي يك دانه ي كروي با سطح صاف معتبر است. در اين كره ي با سطح صاف، مهاجرت با نفوذ اتم هاي حل شونده در مايع، انجام مي شود. براي يك دانه ي چند وجهي كه داراي سطح مشترك هاي منظم (در سطح اتمي) است، اين فرض حفظ نمي شود. رشد دانه هاي چندوجهي يا به واكنش سطح مشترك (براي نيروهاي محركه ي كمتر از مقدار بحراني) و يا به نفوذ سطحي (براي نيروهاي محركه ي بزرگتر از مقدار بحراني) وابسته است. اين مسئله در شكل 4b نشان داده شده است. بنابراين، رشد كنترل شده با واكنش سطحي در يك دانه ي چند وجهي، به طور خطي با نيروي محركه در ارتباط نيست (اين خلاف فرض Wanger است).
رشد دانه در طي LPS يه دو گروه طبقه بندي مي شود: يكي رشد نرمال و ديگري غير نرمال. در رشد نرمال دانه (NGG)، تئوري LSW (تئوري كه در آن، نفوذ كنترل كننده است) و پديده ي استوالد رايپنينگ در نظر گرفته مي شود و يك توزيع اندازه ي نسبتاً ثابت (ايستا) نسبت به زمان آنيل، پديد مي آيد. رشد غير نرمال دانه (AGG) بوسيله ي توزيع دوتايي اندازه دانه، شناسايي مي شود. در اين پديده، چند تا از دانه ها يا برخي از آنها نسبت به سايرين بزرگترند. اين طبقه بندي پديده شناختي رفتار رشد دانه تنها دو مورد نهايي را در نظر مي گيرد. در سيستم هاي حقيقي، رفتار رشد دانه كه حالتي بينابين اين دو مورد باشد نيز يافت مي شود. برجسته ترين ويژگي حالت رشد نرمال، تغيير ناپذيري توزيع اندازه ي دانه نسبت به زمان آنيل مي باشد. در اين مورد، رفتار رشد دانه ممكن است از لحاظ تغيير در توزيع اندازه ي ذره نسبت به زمان آنيل، به دو گروه نرمال (ايستا) و غير نرمال (غير ايستا) طبقه بندي شوند.
رشد يا كوچك شدن يك دانه در زمينه ي مايع مي تواند به صورت ايده آل، به عنوان نتيجه اي از برهمكنش ميان دانه ي مد نظر و دانه ي خيالي با اندازه ي بحراني بيان شود. اين دانه در لحظه ي بررسي، يا رشد مي كند يا انقباض پيدا مي كند. وقتي رشد بوسيله ي نفوذ كنترل مي شود يا به قول معروف، نفوذ اتفاق مي افتد، نرخ تغيير در اندازه ي دانه، به صورت زير بيان مي شود:
كه در اينجا،
كه در اينجا،
يكي ديگر از ويژگي هاي قابل توجه اثر كاهش كسر حجم مايع، پهن شدن توزيع اندازه ي ذرات مي باشد. اگر يك راهكار ميدان متوسط مورد استفاده قرار گيرد (مشابه تئوري SLW)، توزيع اندازه ي دانه مشابه توزيع اندازه ي دانه براي رشد كنترل شده با واكنش سطح مشترك مي شود كه بوسيله ي Wanger ارائه شده است. اگر اثر دانه هاي مجاور در رشد دانه غالب باشد (يعني ارتباط ميان دانه هاي مجاور، معتبر باشد)، توزيع نسبت به توزيع ارائه شده بوسيله ي Wanger براي فرايند كنترل شده با واكنش سطحي، متفاوت است. براي سيستم هاي حقيقي، اين گزارش شده است كه توزيع اندازه ي دانه ي اندازه گيري شده، با تابع توزيع رايلي، بهترين ميزان فيت شوندگي را دارا مي باشد.
وقتي انحرافي در رابطه ي ميان نرخ رشد يا انحلال بوسيله ي كنترل نفوذي وجود داشته باشد و نيروي محركه در يك سيستم، زينترشدن فاز مذاب باشد (همانگونه كه به طور شماتيك در شكل 4b)، رفتار رشد دانه، غير نرمال است يعني به صورت غير ايستاست. اين غير ايستايي در توزيع اندازه ي نسبي نسبت به زمان آنيل، ايجاد مي شود. با توجه به تئوري هاي رشد كريستال، رشد يك دانه ي چندوجهي، هم به دليل نفوذ در اندازه دانه هاي بزرگتر از اندازه ي بحراني و هم واكنش سطحي براي اندازه دانه هاي كوچكتر از اندازه ي بحراني، ايجاد مي شود. اين مسئله، نتيجه اي از يك سري فرايندهاي سريالي از واكنش هاي نفوذ و واكنش سطح مشترك براي رشد كريستال است. در واقع فرايند آهسته تر، كينتيك كلي را كنترل مي كند. به هر حال، اين اعتقاد وجود دارد كه سرعت انحلال دانه هاي چند وجهي تنها به نفوذ وابسته است زيرا هيچ سد انرژي براي انحلال در گوشه هاي كريستال هاي چند وجهي وجود ندارد و انحلال در گوشه هاي كريستال هاي چند وجهي و در لايه هاي چند اتمي، رخ مي دهد.
نرخ رشد يك دانه ي چند وجهي كه بوسيله ي واكنش سطح مشترك كنترل مي شود، به نوع عيوبي وابسته است كه در سطح دانه وجود دارد: اين عيوب عبارتند از عيوب اتمي كه بوسيله ي جوانه زني دو بعدي تشكيل مي شود، عيوب خطي (نابجايي هاي پيچي) و يك عيب صفحه اي (دوقلويي ها). وقتي رشد از طريق جوانه زني و رشد دو بعدي رخ دهد يا به كمك دوقلويي سطحي، نرخ رشد به صورت زير بيان مي شود:
وقتي رشد با كمك يك نابجايي پيچي انجام شود، سرعت رشد به صورت شكل اساسي زير مي شود:
در اينجا،
كه در اينجا، K يك ثابت است كه شامل ضريب نفوذ در سطح مشترك و تعداد جوانه بر واحد سطح، مي باشد. انرژي آزاد پله (
تحت رشد 2-DNG، انواع مختلف تغييرات ريزساختاري قابل پيش بيني مي باشد (همانگونه كه در شكل 5 براي سيستم هاي داراي اندازه ي ذره ي و توزيع ذره ي يكسان و مقادير متفاوت از
مقدار
بنابراین، نوع رشد دانه (نرمال و غیر نرمال)، بوسیله ی مکانیزم رشد دانه (مکانیزم های کنترل شده با نفوذ و مکانیزم های کنترلی مخلوط (نفوذی و واکنش سطح مشترک)) کنترل می شوند که در حقیقت به شکل تعادلی دانه (شکل های مدور و چند وجهی) وابسته است. بسیاری از مشاهدات تجربی دیگر همچنین از تئوری و پیش بینی های بالا در مورد رفتار رشد دانه حمایت می کنند و قوانین عمومی در مورد سیستم های دو فازی را تأیید می کنند.
/ج
مقالات مرتبط
تازه های مقالات
ارسال نظر
در ارسال نظر شما خطایی رخ داده است
کاربر گرامی، ضمن تشکر از شما نظر شما با موفقیت ثبت گردید. و پس از تائید در فهرست نظرات نمایش داده می شود
نام :
ایمیل :
نظرات کاربران
{{Fullname}} {{Creationdate}}
{{Body}}