متالورژي سمنان


قانون گيبس

 

تاریخچه

 

J. W. Gibbs در یازدهم فوریه 1839 در نیوهاون و در بیست و هشتم آوریل 1903 در همان شهر از دنیا رفت.

او فارغ التحصیل کالج یال در سال 1858 بود و درجه دکتری خود را در سال 1863 دریافت نمود و مدت سه سال در همان کالج بعنوان مربی منصوب شد.

بعد از این مدت،  به پاریس ( زمستان 66-67) و برلین (67) رفت تا در کنفرانس های و ماگنوس و دیگر اساتید فیزیک و ریاضی شرکت کند.

در سال 1868 به هدل برگ به دیدن استاد کیرشهف رفت و سپس به نیوهاون برگشت. دوسال بعد وی بعنوان استاد ریاضی فیزیک کالج هال منصوب شد و تا زمان مرگش در این سمت بود.

در 1876 و 1878 او دو قسمت از مقاله " در بررسی تعادل فازهای ناهمگن" را منتشر کرد که این مقاله بطور کلی مهمترین سهم وی در گسترش علوم فیزیکی بود.

غیر از فعالیت های علمی، گیبس زندگی بی دغدغه ای را گذراند؛ او فقط یکبار از اروپا دیدن کرد که حدود سه سال به طول انجامید؛ بقیه تعطیلات تابستانی خود را در کوهستان می گذرانید.  تمام عمر زندگی او در نیوهاون طی شد.  فروتنی او نسبت به کارها و فعالیتش های از صفاتی است که تمامی کسانی که او را می شناختند گفته می شود.

پروفسور گیبس بعنوان اولین دانشمند علوم نظری در آمریکا شناخته شده است و بعنوان پدر علم شیمی ترمودینامیک شناخته شده است.

درجات  آزادی و متغییرهای آن

 

متغییر F تعداد متغییرهای مستق یک سیستم است که با تغییر آنها حالت تعادل سیستم و تعداد فازهای در تعادل برهم نخورد. در یک سیستم تک جزئی تک فاز (P=1, C=1) هر دو متغییر فشار و دما می توانند بطور مستقل تغییر یابند، بدون اینکه هیچ تغییری در تعداد فازهای در حال تعادل سیستم حاصل شود:

F=2 ، سیستم دومتغییره است و به عبارت دیگر دارای دو درجه آزادی است.

اگر سیستم تک جزئی با دو فاز در تعادل(C=1, P=2)  (برای مثال تعادل فاز مایع با بخار آن)، دما (یا فشار) می تواند تغییر کند، بدیهی است که بایستی یک وابستگی با تغییرات فشار (یا دما) وجود داشته باشد تا تعادل فازی ایجاد شود:

F=1 سیستم دارای درجه آزادی یک می باشد.

اگر در یک سیستم تک جزئی با سه فاز در حال تعادل باشد (C=1, P=3) (مثل تعادل فازهای جامد، مایع، بخار) هیچ کدام از متغییرهای دما یا فشار نمی توانند بطور مستقل تغییر یابند و در صورت تغییر آنها، مطمئناً حالت تعادل برهم خواهد خورد.

F=0 سیستم هیچ درجه آزادی ندارد                  

قانون فاز

پروفسور گیبس ثابت کرده است که اگر C تعداد اجزاء سیستم و P تعداد فازهای در تعادل برای یک سیستم باشد، در هر ترکیب دلخواه خواهیم داشت:

F = C - +

1- تعداد متغییرهای مستقل را شمرده (فشار و دما 2 به حساب می آیند)

2- ترکیب فاز را بوسیله جزء مولی اجزاء C-1   ( به C-1 نیاز داریم نه C، چرا که جمع تمام جزء مولی ها =1 بشود، در اینصورت اگر تمام اجزاء بجز یک کسر مولی مشخص نباشد قابل محاسبه خواهد بود)

3- از انجائیکه P فاز وجود دارد، تعداد کل حالتها ترکیبی P(C-1) خواهد بود و تعداد کل معادلات موجود برای متغییرهای سیستم  برابر خواهد بود با:

P(C - 1) + 2

4- در هنگام تعادل، پتانسیل شیمیایی J باید در تمامی فازها برابر باشد:

μ= μ = ....فاز  Pبرای

P-1 معادله از این نوع برای هر جزء J وجود دارد. اگر C جزء باشد تعداد معادله برابر خواهد بود :

 C(P - 1)

5-  هر معادله، آزادی ما را به اندازه P(C - 1) + 2  کاهش می دهد بنابراین تعداد درجات آزادی ما برابر خواهد بود با:

F = P(C - 1) + 2 - C (P - 1) = C - P + 2

 

فاز دیاگرام برای سیستم های چند جزئی بسیار مفید می باشد، و برای بیان تعادل شیمیایی و فیزیکی در محدوده ترکیبات مختلف اجزاء بکار می‌رود.

برای یک سیتم یک جزئی، خواهیم داشت:

F = 3 – P

 

اگر یک فاز موجود باشد، F=2 و فشار و دما می‌توانند بدون تغییر دادن تعداد فازها تغییر کنند (تک فاز یک محدوده بروی دیاگرام فاز می باشد)

اگر دو فاز در تعادل باشد، F=1 اگر بر حسب دما بررسی کنیم آنگاه دیگر فشار یک متغییر مستقل نخواهد بود

اگر سه فاز در تعادل باشد، F=0 و سیستم نامتغییر است – بنابراین این حالت فقط در یک دما و فشار خاصی وجود خواهد داشت

چهار فاز در یک سیستم تک جزئی نمی توانند در تعادل با هم قرار گیرند چرا که F نمی تواند منفی باشد.

 برای رسیدن به مفهوم درجه آزادی ، باید ابتدا مفهوم فاز و جزء را بدانیم. کلمه فاز ، یک واژه یونانی و به معنی ظاهر است. یک فاز حالتی از ماده است که بطور کامل یکنواخت می‌باشد، این یکنواختی نه فقط از لحاظ ترکیب شیمیایی است، بلکه شامل حالت فیزیکی هم می‌شود (این کلمات از "گیبس" است.). از اینرو از فازهای جامد مایع گاز  یک ماده و از فازهای جامد مختلف آن ماده (مانند آهن) سخن به میان می‌آوریم.

منظورمان از جزء ، گونه موجود در سیستم ، مانند حل شده و حلال در یک سیستم دوتایی می‌باشد. این دو ، یعنی فاز و جزء ، توسط قانونی به نام قانون فاز با درجه آزادی ارتباط پیدا می‌کنند.

تعداد فازها

تعداد فازها در سیستم را با P نشان می‌دهیم. یک گاز یا یک مخلوط گازی ، یک بلور و بالاخره دو مایع کاملا امتزاج پذیر ، همگی فقط یک فاز را تشکیل می‌دهند. گرچه ممکن است یخ به قطعات کوچکتری خرد شود، ولی فقط یک فاز دارد (P=1). محلول آب و یخ سیستم دوفازی می‌باشد (P=2)، گرچه مشخص کردن مرز بین این فازها مشکل است. آلیاژی از دو فلز امتزاج ناپذیر ، یک سیستم دوفازی می‌باشد (P=2)، در حالیکه اگر امتزاج پذیر باشند یک سیستم یک فازی است (P=1).

از این مثال استنباط می‌شود که قضاوت در این مورد که آیا سیستمی یک یا دو
فلز دارد، همیشه آسان نیست.

تعداد اجزا

کمترین تعداد گونه‌های مستقلی که برای مشخص نمودن ترکیب تمام فازها در سیستم لازم است ، تعداد اجزا می‌نامیم و آن را با C نمایش می‌دهیم. اگر گونه‌های موجود در سیستم ترکیب نشوند، به آسانی می‌توان از این تعریف استفاده کرد. برای مثال ، آب خالص ، سیستم یک جزئی (C=1) و مخلوط آب - اتانول سیستم دو جزئی (C=2) است.

تعداد درجه آزادی

تعداد درجه آزادی را با علامت F نشان می‌دهیم. برای هر سیستم مطرح شده ، دو نوع کمیت وجود دارد. یک نوع ، کمیتهای توسعه پذیر یا ابعادی و نوع دیگر کمیتهای شدتی می‌باشند. G ، H ، E ، m ، V کمیتهای توسعه پذیر هستند و Em ، Vm ، X (کسر مولی) ، n ، ρ، T، P کمیتهای شدتی می‌باشند. معلوم شده است که در بررسی تعادلهای فازی ، استفاده از کمیتهای شدتی ، مناسب‌تر می‌باشند. لذا برای توصیف سیستم از کمیتهای شدتی استفاده می‌شود.

در توصیف سیستم نیاز نیست که همه متغیرهای شدتی ارائه شوند، چرا که به کمک روابط موجود و جداول تنظیمی با داشتن P و T کافی است تا سایر کمیتهای آن را بدست آورد. این حداقل تعداد را به نام "درجات آزادی سیستم" می‌گوییم. حال اگر ببینیم بین این حداقلها رابطه‌ای وجود دارد، باز هم می‌‌توان این حداقل را کاهش داد. مثلا در تعادلی بین آب و یخ ، تنها یک متغیر شدتی کافی است.

اگر سیستم بیش از یک جز داشته باشد، بعد از T و P ، کمیت
غلظت مطرح می‌شود که بهترین نماد آن X ( کسر مولی ) است. پس متغیرهای شدتی مناسب برای تعادلهای فازی عبارتند از: P، X ، T.

<> 

قانون فاز

در سیستم یک جزئی (C=1) ، اگر فقط یک فاز وجود داشته باشد (P=1) ، فشار و دما می‌توانند بطور مستقل تغییر کنند. اگر درجه آزادی یا F سیستم را به صورت تعداد متغیرهای شدتی تعریف کنیم که می‌تواند به صورت مستقل تغییر کند، بدون آنکه اختلالی در تعداد فازهای در حال سیستم بنماید، در این صورت F=2 است. "گیبس" در یکی از برازنده ترین محاسبات ترمودینامیک شیمیایی، قانون فاز را بدست آورد.

این قانون رابطه کلی بین درجه آزادی F ، تعداد اجزا C و تعداد فازهای در حال تعادل P برای هر سیستمی با هر ترکیبی برقرار می‌کند:


F = C - P + 2

موفق باشید.


نعمت الله طاهری

كاربرد فرايند ريخته‌گري تبخيري

 

 

 كاربرد فرايند ريخته‌گري تبخيري 

 

نويسنده : محسن مرادپور - مريم احتشامي

ريخته‌گري فلزي
ريخته‌گري پيشرفته توسط فوم فدا شونده
مزايا
يافته‌هاي تحقيقاتي، سبب درك بيشتري از فرايند فوم فدا شونده شده‌اند. تمهيدات جديد كنترل فرايند، منجر به آناليزهاي بهتر و كنترل در هر مرحله از فرايند شده است. اين امر، سبب شده تا بتوان به ريخته‌گري با كيفيتي بالا، عمليات كارگاهي با راندمان انرژي بهتر و هزينه‌اي پايين‌تر و كاهش قابل توجه در ميزان اسقاط دست يافت. دستاوردهاي خاص عبارتند از:
- گيج هواي بدون تماس پيشرفته براي آناليز ابعادي دقيق
- مراحل پيشرفته تضمين كيفيت داخل كارخانه براي اندازه‌گيري عوامل ريخته‌گري
- گيج پيشرفته دانسيته شن براي اندازه‌گيري ميزان فشردگي شن. ابزار همراه، كج و كولگي ريخته‌گري را اندازه‌گيري مي‌كند.
- ابزار پيشرفته آناليز ارتعاشي كه وقتي با گيج دانسيته جفت مي‌شود، سبب بهينه‌سازي سيكل فشرده‌سازي مي‌شود، زمان فشرده‌سازي را تقليل داده و كژديسي الگوي كار را كاهش مي‌دهد.

موارد كاربرد
فرايند ريخته‌گري با فوم فدا شونده، فناوري بسياري پيشرفته‏اي براي توليد ادوات متنوع است. اين فرايند با حذف درونگاه‌ها، حفره‌هاي درونگاهي و بواسطه كنترل ابعادي بسيار پيشرفته قطر ديواره ريخته‌گري انجام مي‌شود. دانش فزاينده و كنترل فرايند، همواره سبب گستردگي روزافزون روند استفاده از ريخته‌گري فوم فدا شونده آهن و آلومينيوم شده است. جايزه 1998
ASPE در حقيقت توسط فرايند ساخت با استفاده از ريخته‌گري با فوم فدا شونده محقق شد.

تمهيدات جديد كنترلي فرايند و دانش فني، منتهي به استفاده روزافزون از فرايند فوم فدا شونده شده است
ريخته‌گري به روش فوم فدا شونده، داراي محاسن هزينه‌اي و زيست‌محيطي قابل توجهي است و ريخته‌گران فلزي را قادر مي‌سازد تا به توليد قطعات پيچيده‌اي كه در قالب اوقات امكان توليد آنها توسط ديگر شيوه‌ها نيست، مبادرت كنند. فرايند مذكور طراحان را قادر به ادغام قطعات، كاهش عمليات ماشين‌كاري و به حداقل رسانيدن عمليات مربوط به مونتاژ مي‌كند. اين فرايند همچنين با تسهيل ريخته‌گري، سبب كاهش اسقاط جامدات و برون‏پاش‌هاي مربوطه مي‌شود. تحقيقي كه در وزارت انرژي ايالات متحده امريكا و كنسرسيومي صنعتي پايه‌گذاري شد و در دانشگاه آلاباما2 در مركز فناوري فوم فداشونده بيرمنگام3 انجام شد موجب پيشرفت‌هاي چشمگيري در كنترل فرايند فوم فدا شونده شده است. اين پيشرفت‌ها همواره براي استفاده در صنايع ادامه يافته است.
در فرايند فوم فدا شونده، ابتدا قالب اصلي (الگو) فومي كه از نظر هندسي مانند قطعه فلزي نهايي مورد نظر است، ساخته مي‌شود. پس از يك دوره تثبيت كننده، قالب اصلي در درون يك محلول آب كه داراي مواد معلق مقاوم در برابر حرارت (ديرگداز)4 است قرار داده مي‌شود. مواد مقاوم در برابر حرارت (ديرگداز) به عنوان پوششي، روي قالب اصلي فومي را مي‌پوشاند و لايه‌اي نازك و مقاوم در برابر حرارت را بر روي فوم باقي مي‌گذارد كه به تدريج در هواي معمولي خشك مي‌شود. زماني كه خشك شدن تكميل شد، فوم اندود شده را در درون يك محفظه استيل به صورت معلق قرار مي‌دهند. اين محفظه استيل همواره مرتعش مي‌شود و در اين حال، شن نيز اضافه مي‌شود. به‏گونه‌اي كه اطراف قالب اصلي اندود شده را احاطه مي‌كند. شن، سبب حمايت مكانيكي براي لايه نازك ماده مقاوم در برابر حرارت مي‌شود. سپس فلز مذاب به داخل قالب ريخته مي‌شود و اين فلز مذاب، فوم را ذوب و بخار مي‌كند. فلز سخت شده تقريباً نسخه دقيقي از قالب اصلي را ايجاد مي‌كند. اين فلز سخت شده در صورت لزوم تحت ماشين‌كاري قرار خواهد گرفت تا بتوان به فرم نهايي مطلوب دست يافت.
به منظور اطمينان از حصول كيفيت بالا در ريخته‌گري، همواره كنترل‌هاي مقتضي مي‌بايست در هر مرحله از فرايند اعمال شود. عدم وجود دانش اصولي و صحيح در خصوص فرايند كه به منظور كنترل تمهيدات مقتضي لازم است، باعث شده تا محبوبيت و مقبوليت ريخته‌گري توسط فوم فدا شونده همواره با كندي مواجه ‌شود.

ساخت اجزاي مهندسي پيشرفته با استفاده از فناوري ريخته‌گري با فوم فدا شونده
فرايند ريخته‌گري با فوم فدا شونده به واسطه ادغام چندين بخش ريخته‌گري به يك ريخته‌گري، سبب توليد قطعات ارزشمندي شده است. اين فرايند همچنين با كاهش عمليات ماشين كاري و هزينه‌هاي مربوط به مونتاژ، سبب ارتقاي راندمان انرژي شده است و نيز از طريق دستيابي به توليد فلزي بهتر، كاهش ميزان مصرف مواد با حذف درون‌گاه‌ها و بهينه‌سازي دقت ابعادي ريخته‌گري سبب شده تا بتوان به توليد قطعات مهم دست يافت. كليه اين مشخصات منحصر بفرد فرايندي سبب كاهش ميزان انرژي مصرفي در خلال مراحل ساخت مي‌شود.
توليد به روش ريخته‌گري با فوم فدا شونده از نقطه نظر ميزان عددي، رشد قابل توجهي داشته است. به‌گونه‌اي كه ميزان آن از حدود پنج ميليون دلار در 1988 به هشت صد ميليون دلار در سال 2002 رسيده است. اين امر، نتيجه سرمايه‌گذاري مداوم در اين صنعت به واسطه مساعدت‌هاي مالي از طرف برنامه فناوري صنعتي وزارت انرژي5 براي حمايت توسعه فني آن بوده است. در اين زمان، بسياري از مشكلات فني حل شده‌اند و فناوري مذكور به درون كارخانه راه يافته است. به گونه‌اي كه شاهد كاهش اسقاط از 25 درصد به كمتر از 3 درصد بوده‌ايم.
برنامه تحقيق و توسعه پيشنهادي كه توسط يك تيم تحقيقاتي در دانشگاه آلاباما واقع در بيرمنگام هدايت مي‌شود بواسطه گسترش جايگاه فوم فدا شونده در بازار سعي در كاهش بيشتر اسقاط ريخته‌گري و تكامل بيشتر اين فناوري دارد. كاهش خلل و فرج (پروزيته)6 و عيوب پليسه‌اي سبب بهبود راندمان توليد، خواص مكانيكي و مقبوليت در بازار قطعات ريخته‌گري شده خواهد شد. هر سه مزيت فوق، سبب كاهش ميزان انرژي مصرفي در خلال فرايند ريخته‌گري مي‌شود.
مزاياي موجود براي صنعت و كشور ما
- افزايش كيفيت ريخته‌گري با فوم فدا شونده
- بهبود راندمان توليد
- كاهش ميزان انرژي مصرفي
- افزايش مقبوليت در بازار قطعات ريخته‌گري شده
- كاهش ميزان اسقاط

كاربرد در صنايع كشور ما
كاهش ميزان خلل و فرج (پروزيته) و نواقص پليسه‌اي در ريخته‌گري با فوم فدا شونده سبب افزايش راندمان توليد، خواص مكانيكي و مقبوليت در بازار قطعات ريخته‌گري شده خواهد شد. شوراي فوم فدا شونده اروپا كه سال گذشته در دانشگاه پدربورن شكل گرفت، موفقيت اين نوع رويكرد را مرهون توسعه سريع و به‌كارگيري تجاري فناوري ريخته‌گري با استفاده از فوم فدا شونده مي‌داند.
برخي ريخته‌گري‌هاي آلومينيوم به وسيله فوم فدا شونده
در حالي كه از فرايند
ECP به طور گسترده در ساخت منيفولدها استفاده مي‌شود، قسمت‌هاي ديگري نيز از قبيل سرسيلندرها، مبدل‌هاي حرارتي و اجزاي بيروني موتورهاي زيردريايي توسط اين فرايند توليد مي‌شوند.
بنابراين كارخانجات سازنده، درخصوص هزينه‌هاي زير صرفه‌جويي مي‌كنند:
- هزينه ماهيچه‌ها
- دسترسي به نقطه تسليم بالاتر
- دسترسي به وزن پايين‌تر
- افزايش توليد
در حال حاضر، آزمايش‌هاي وسيعي به منظور اثبات خواص مكانيكي قطعه در حال انجام است. حد خستگي در اين فرايند، به‌طور قابل ملاحظه‌اي بالاتر از روش دايكست ثقلي است و در حال حاضر، توليد به روش
ECP در كنار دايكست ثقلي به منظور سنجش هزينه صحيح در دوره طولاني توليد، آغاز شده است.
نتيجه‌گيري
كاربرد روش ريخته‌گري تبخيري يا
LOST FOAM به‌طور گسترده، مشكلات تكنيكي را در سراسر دنيا مرتفع ساخته است. كليد موفقيت شركت‌ها در استفاده از اين روش، انتخاب صحيح كاربردهاست. در برخي از موارد اين روش از نظر هزينه مستقيماً با ريخته‌گري‌هاي رايج مقايسه مي‌شود، اما به منظور حصول بيشترين مزايا نياز به بهينه‌سازي در طراحي اجزا براي كاربرد صورت‌هاي خاص، احتمالاً با مراحلي از اين قبيل است:
- به حداقل رساندن شيب مدل
- ضخامت ديواره‌ها را مي‌توان به شكل عمودي طراحي كرد
- دقت ابعادي يكسان در توليد
- قابليت چسباندن مدل‌ها به يكديگر براي ساخت اشكال پيچيده
- حذف اثر خط جدايش
- عدم نياز به كف تراشي
- كاهش استهلاك ابزار
- اين فرايند، قابليت طراحي در خصوص بسياري از موارد ريخته‌گري دقيق با فوم از بين رونده را دارد و هزينه آن از قالب‌هاي ماسه‌اي و يا دايكست ثقلي پايين‌تر است.

پانوشت‌ها:
1.
Evaporative Casting Process (ECP)
2.
University of Alabama
3.
Birmingham Lost Foam Technology Center
4.
Refractory
5.
DOE Industrial Technology Program
6.
Porosity

منبع:
Application for the evaporative process, found Pactice, NO 217, 1989.

 


نعمت الله طاهری

پيشتازان

از "بيل گيتس" بنيانگزار مايكروسافت ، بزرگترين شركت نرم افزاري جهان چنين نقل كرده اند كه : " ابزار دوران صنعتي به كمك ماهيچه ها آمدند و ابزار دوران فراصنعتي به مغزها ياري رساندند. آن دسته از سازمان ها كه ابزار دوران فراصنعتي يا ديجيتال را به خوبي بكار گرفته اند ، از سرمايه هوشي شان بيشترين بهره را مي گيرند و همچنان پيشتازان و رهبران بازار در آينده اند."


نعمت الله طاهری