الصب بالتجميد
نظرة عامة > منطقة الانتقال TZ: بنية دقيقة متغيرة

ومع تباطؤ عملية التصلب وتحول حركية النمو إلى حد محدود للسرعة، تبدأ بلورات الجليد في استبعاد الجسيمات، وإعادة توزيعها داخل المستعلق. تتطور عملية نمو تنافسية بين مجموعتين من البلورات، تلك التي تتوافق مستوياتها القاعدية basal planes مع التدرج الحراري (بلورات z) وتلك التي يجري توجيهها عشوائيًا (بلورات r) مما يؤدي إلى بداية منطقة الانتقال TZ.
هناك مستعمرات من بلورات الجليد المتراصة بشكل مماثل والتي تنمو في جميع أنحاء المستعلق. توجد صفائح lamellae دقيقة من بلورات z المتراصة تنمو مع مستوياتها القاعدية المتراصة مع التدرج الحراري. تظهر بلورات r في هذا المقطع العرضي على شكل صفائح، ولكنها في الواقع تشبه إلى حد كبير البلورات الشجرية العمودية المقطوعة على طول التحيز. داخل منطقة الانتقال، تتوقف بلورات r عن النمو أو تتحول إلى بلورات z التي تصبح في النهاية هي السائدة، وتؤدي إلى نمو ثابت steady-state growth. هناك بعض الأسباب التي تؤدي إلى حدوث ذلك. أولًا أثناء التجميد، تميل البلورات المتنامية إلى التوافق مع التدرج في درجة الحرارة، حيث أن هذا هو أدنى تكوين للطاقة وأفضل من الناحية الديناميكية الحرارية. ومع ذلك، فإن النمو المتوافق يمكن أن يعني شيئين مختلفين. بافتراض أن التدرج في درجة الحرارة عمودي، فإن البلورة المتنامية ستكون إما موازية (بلورة z) أو عمودية (بلورة r) على هذا التدرج. يمكن للبلورة الموضوعة بشكل أفقي أن تنمو بما يتماشى مع التدرج في درجة الحرارة، ولكن هذا يعني النمو على وجهها بدلاً من حافتها. نظرًا لأن الموصلية الحرارية للجليد صغيرة جدًا (1.6 - 2.4 واط.متر/كلفن) مقارنة بمعظم أنواع السيراميك الأخرى (على سبيل المثال لمادة Al2O3 فإنها تساوي 40 واط.متر/كلفن)، فإن الجليد المتنامي سيكون له تأثير عازل كبير على الظروف الحرارية الموضعية داخل الملاط. يمكن توضيح ذلك باستخدام عناصر المقاومة البسيطة.
عندما يحدث محاذاة لبلورات الجليد مع مستوياتها القاعدية بالتوازي مع التدرج في درجة الحرارة (بلورات z)، يمكن تمثيلها كمقاومتين متوازيتين. لكن المقاومة الحرارية للسيراميك أصغر بكثير من المقاومة الحرارية للجليد، وبالتالي يمكن التعبير عن المقاومة الظاهرية على أنها السيراميكR الأدنى. إذا حدثت محاذاة لبلورات الجليد بشكل عمودي على التدرج الحراري (بلورات r)، فيمكن تقريبها كعنصرين مقاومين على التوالي. في هذه الحالة، يكون الجليدR محدودًا وسيحدد الظروف الحرارية الموضعية. تؤدي المقاومة الحرارية المنخفضة لحالة البلورة z إلى درجات حرارة أقل وتدفق حراري أكبر عند أطراف البلورات المتنامية، مما يدفع إلى المزيد من النمو في هذا الاتجاه، وفي الوقت نفسه، تعيق قيمة الكبيرة لـ الجليدR نمو البلورات r. ستكون كل بلورة ثلجية تنمو داخل الملاط عبارة عن مزيج من هذين السيناريوهين. تنص الديناميكا الحرارية على أن جميع البلورات تميل إلى التوافق مع التدرج الحراري التفضيلي مما يتسبب في أن تفسح بلورات r المجال في النهاية لبلورات z، وهو ما يمكن رؤيته من الأشعة السينية التالية الملتقطة داخل منطقة الانتقال TZ.
عندما تصبح بلورات z هي التوجه البلوري الوحيد المهم الموجود، تنمو الجبهة الجليدية بطريقة مستقرة باستثناء عدم وجود تغييرات كبيرة في ظروف النظام. وقد لوحظ في عام 2012 أنه في اللحظات الأولى من التجميد، توجد بلورات شجرية تنمو أسرع من جبهة التصلب بمقدار 5 إلى 15 مرة. تنطلق هذه الكتل الجليدية إلى الأعلى في المستعلق أمام الجبهة الجليدية الرئيسية ثم تذوب جزئيًا مرة أخرى. تتوقف هذه البلورات عن النمو عند النقطة التي تنتقل فيها منطقة الانتقال TZ بالكامل إلى منطقة الحالة المستقرة SSZ. وقد حدد الباحثون أن هذه النقطة المحددة تمثل الموضع الذي يكون فيه المستعلق في حالة توازن (أي أن درجة التجمد ودرجة حرارة المستعلق متساويتان). ومن ثم يمكننا القول إن حجم المناطق الأولية والانتقالية يمكن التحكم فيه من خلال مدى التبريد الفائق الذي يتجاوز درجة حرارة التجمد المنخفضة بالفعل. إذا تم التحكم في إعداد الصب بالتجميد بحيث يجري تفضيل التبلور عند التبريد الفائق الصغير فقط، فإن نتطقة الانتقال TZ سوف تفسح المجال لمنطقة الحالة المستقرة SSZ عاجلاً.