انجماد آلیاژ ها همیشه در یک بازده دمایی به نام دامنه انجمادی رخ می دهد. کاهش دما، فاز جامد جوانه زده و در قالب دانه هایی (معمولاً به شکل دندریتی) رشد می کند و از یک نقطه معین دربازه دمایی، دانه ها ابتدا با حس کردن حضور دانه های مجاور وسپس با برخورد و تماس و پل زدن با آنها و در نهایت با شکل دهی یک اسکلت پیوسته از فاز جامد، با یکدیگر تداخل و فعل و انفعال می کنند. دمایی که در آن دانه ها شروع به تداخل با یکدیگر می کنند نقطه همدوی و پیوستگی1 نام دارد و دمایی که در آن شبکه پیوسته جامد شکل می گیرد نقطه صلبیت2 نام دارد. در زیر این نقطه صلبیت، حجم و بدنه نیمه جامد خصوصیات عمده فاز جامد- حفظ شکل و خواص مکانیکی مانند استحکام و انعطاف پذیری را به خود می گیرد.
بدیهی است که رفتار ترمومکانیکی بدنه نیمه جامد وابستگی زیادی به خواص مکانیکی آن دارد. از طرفی، خواص این بدنه (استحکام و انعطاف پذیری) قرار دارد و در طرف دیگرتنش ها و کرنش های اعمال شده به آن در هنگام فرآیند انجماد و ناشی شده از انقباضض انجمادی، فشار متالواستاتیک (فشار فلز مایع ) ، انقباض حرارتی ممانعت شده و غیر آزاد، گرادیان حرارتی و غیره وجود دارند.
برخلاف فلزات خالص که در یک نقطه منجمد می شوند، آلیاژها به تدریج در یک بازه دمایی (وسیع) از مذاب تبدیل به جامد می شوند. در هنگام ریخته گری، زمان قابل ملاحظه ای هنگامی که آلیاژ مشتکل 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 . یک دوغاب، مایعی است به همراه ذرات جامد معلق. در بعضی دماها دانه های جامد شروع می کنند به تداخل با یکدیگر و در ماده یک استحکام معینی پدیدار می شود. در زیر این دما، ماده با عنوان خمیر نامیده می شود، یعنی شبکه جامد با مذاب در میان آن.
کسر جامد که 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 مکانیکی این مورفولوژی های گوناگون، دوغاب ها معمولا با مدلهای بر پایه وسکوزته توصیف می شوند و خمیرها معمولاً با مدل های بر پایه تغییر شکل. مدل های بر پایه وسکوزیته 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 شکل بر اساس مدل های کار گرم هستند که برای در حساب آوردن و در نظر گرفتن حضور مذاب اصلاح شده اند. تبدیل دوغاب به خمیر هنوز به عنوان یک مساله پیچیده برای مدل کردن است و یک مدل رضایت بخش که رفتار را در تمام بازه انجمادی توصیف کند هنوز در دست توسعه و گسترش است.
چیزی که هست این که کار ریخته گری آلیاژ ها با رخ دادن عیوب مختلف در محصول نهایی بسیار مانوس است. یکی از عیوب عمده پارگی گرم یا ترک گرم، یا سرخ شکنندگی است . صرفنظر از نامگذاری، این پدیده ، ثمره تشکیل یک ترک برگشت ناپذیر(شکست و عیب) در یک قطعه ریختگی است که هنوز در حالت نیمه جامد باشد. مطالعات اولیه و صنعتی این پدیده نشان مید هد که پارگی گرم در آخرین مراحل انجماد وقتی که کسر حجمی جامد بالای %95 – 85 است و فاز جامد از یک شبکه پیوسته دانه شکل گرفته است، رخ می دهد. همچنین معلوم شده است که یک ساختار دانه ظریف ریخته گری کنترل شده (بدون دمای بالا و گرادیان های تنشی) به حذف ترک گرم کمک می کنند. رابطه بین استعداد به ترک گرم و ترکیب یک آلیاژ به خوبی شناخته شده است.
رابطه بین ظهور پارگی های گرم و خواص مکانیکی در حالت نیمه جامد آشکار است. و این رابطه برای چندین دهه مورد بررسی و مکاشفه 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 آلیاژ های آلومینیم، خنک کاری اولیه و ثانویه، گرادیان حرارتی شدیدی را در شمش ایجاد می کند که می تواند منجر به اعوجاج در شکل شمش و یا پارگی گرم و ترک سرد شود.
در مداوم ریزی، نام ناحیه خمیری2 غلط انداز است، چنانکه قسمت بالایی آن عملاً یک دوغاب است زیرا که دانه های تازه شکل گرفته هنوز درون مذاب معلق هستند. تنها پس از آن که دما به زیر دمای همدوسی و پیوستگی افت پیدا کند یک ناحیه واقعاً خمیری شکل می گیرد. رفتار تغییر شکل خمیر برای تشکیل حفرات و پارگی های گرم بسیار بحرانی و خطرناک است.
از مطالعات انجام شده از آغاز سال 1950 تا کنون، به نظر می رسد که پارگی های گرم بالای دمای سولیدوس آغاز می شوند و در فیلم های مذاب بین دندریتی منتشر می شوند. این امرمنتج به یک سطح شکست ناهموار پوشیده شده با یک لایه صاف (نرم) و گاهی با پل های جامد3 که دو طرف ترک را به هم وصل کرده یا می کنند، می شود.
در هنگام انجماد، جریان مذاب در سر تاسر ناحیه خمیری کاهش پیدا می کند تا وقتی که این جریان برای پر کردن حفرات تازه بوجود آورده ناکافی باشد، از این رو این حفرات می توانند بیشتر رشد کنند.
فرآیند انجماد را می توان بر حسب نفوذ پذیری شبکه جامد به چهار مرحله تقسیم بندی کرد:
تغذیه توده ای: که در آن هر دو فاز جامد و مذاب برای حرکت آزاد هستند.
تغذیه بین دندریتی: که در آن مذاب باقیمانده باید در میان شبکه دندریتی جریان یابد. پس از آنکه دندریتها یک اسکلت جامد را شکل دادند، مذاب باقیمانده باید در میان شبکه دندریتی جریان پیدا کند. ممکن است یک گرادیان فشار، سر تا سر ناحیه خمیری به علت انقباض انجمادی که به صورت عمیق تر در ناحیه خمیری رخ می دهد، بوجود آید.
هر چند در این مرحله نفوذ پذیری شبکه به اندازه کافی بزرگ هستند تا از تشکیل حفرات جلوگیری کند.
جدایش بین دندریتی، که در آن شبکه مذاب، تکه تکه شده و ممکن است در این مرحله پارگی گرم یا تشکیل حفره رخ دهد. با افزایش کسر جامد، مذاب به شکل پاکتهایی ایزوله می شود یا به علت تنش سطحی بی تحرک می شود. وقتی که نفوذ پذیری شبکه جامد برای جریان و سیلان مذاب بیش از حد کوچک شود، انقباض حرارتی بیشتر جامد باعث تشکیل حفرات یا پارگی گرم خواهد شد.
پل زنی بین دندریتی یا تغذیه جامد: که در آن شمش استحکام قابل ملاحظه ای پیدا کرده است و خزش حالت جامد، انقباض بیشتری را جبران و تلافی می کند. در مرحله پایانی انجماد (Fs>0.9) ، تنها پاکتهای مذاب ایزوله شده باقی می مانند و شمش استحکام قابل ملاحظه ای را خواهد داشت. خزش حالت جامد، اکنون فقط می تواند انقباض انجمادی و تنش های حرارتی را جبران و خنثی کند.
از آنجائیکه در یک دوغاب و در هنگام مرحله تغذیه بین دندریتی در خمیر تغذیه معمولاً برای جلوگیری کردن از هر گونه عیب ریخته گری کافی است، ما در ادامه عمدتاً دو مرحله آخر را مورد بررسی قرار می دهیم. در اصل این مرحله جدایش بین دندریتی است که در آن شمش نسبت به تشکیل حفرات و پارگی گرم آسیب پذیر است.
یک آلیاژ با دامنه انجمادی بزرگ، پارگی گرم را ترقی می دهد، از آنجائیکه یک چنین آلیاژی زمان بیشتری را در ناحیه آسیب پذیری که در آن فیلم های مذاب نازک ما بین دندریتها وجود دارند، سپری می کنند. توزیع فیلم مذاب توسط زاویه دو سطحی تعیین می شود. با یک زاویه دو سطحی کوچک، مذاب تمایل دارد که خودش را روی سطح مرز دانه ها پهن کند که این امر به شدت پیوستگی و کوهرنی دندریتی را کاهش می دهد. در یک زاویه دو سطحی بزرگ، مذاب به صورت قطراتی در نقاط سه گانه باقی می ماند، بطوریکه شبکه جامد استحکام خود را حفظ می کند.